Tài liệu Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN .. TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -----------------o0o------------------ NGUYỄN THỊ LAN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA PGS.TS. Lại Khắc Lãi PHÒNG ĐÀO TẠO THÁI NGUYÊN 2016 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn i LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là: Nguyễn Thị Lan Sinh ngày 03 tháng 9 năm 1988 Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Điện tử Trƣờng Cao đẳng nghề kinh tế kỹ thuật Bắc Ninh Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ii LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hƣớng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016 Tác giả luận văn Nguyễn Thị Lan Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iii Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn iv MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... iv DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.................................................................. xi MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................................2 Ý nghĩa khoa học .............................................................................................................2 Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................................2 3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2 4. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................................2 5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................................3 6. Tên đề tài .....................................................................................................................3 7. Bố cục luận văn ...........................................................................................................3 CHƢƠNG 1 .....................................................................................................................4 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ...........................................................4 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời ......................................................................................4 1.1.1. Cấu trúc của mặt trời .............................................................................................4 1.1.2. Năng lƣợng mặt trời ..............................................................................................5 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời................................................................................................6 1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất ................................................8 1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời ............................................................................................8 1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng qua lớp khí quyển( air mass). ...............................................................................................11 1.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian............................................12 1.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian ........................................13 1.2. Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời.....................................14 1.2.1. Sử dụng hệ thống điện năng lƣợng mặt trời làm việc độc lập.............................15 1.2.1.1. Pin mặt trời .......................................................................................................15 1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời. ...........................................16 1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ...........................................................................16 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn v 1.2.1.4. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT ..........................................................17 1.2.1.5. Động cơ stirling chạy bằng NLMT ..................................................................17 1.2.1.6. Bếp nấu dùng NLMT........................................................................................18 1.2.1.7. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ...........................................20 1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT .....................................21 1.2.2. Hƣớng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lƣợng mặt trời .................................21 1.3. Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................................24 CHƢƠNG 2 ...................................................................................................................25 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .....................................................................................................25 2.1. Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ..25 2.1.1. Điện trở ................................................................................................................25 2.1.2. Tụ điện .................................................................................................................27 2.1.3. Diode bán dẫn. .....................................................................................................28 2.1.3.1. Cấu tạo, kí hiệu .................................................................................................28 2.1.3.2. Đặc tuyến V-A. .................................................................................................29 2.1.3.3. Các tham số cơ bản của Diode: Chia làm hai nhóm.........................................29 2.1.3.4. Phân loại ...........................................................................................................30 2.1.4. Transistor lƣỡng cực( Transistor Bipolar) ...........................................................30 2.4.1.1. Cấu tạo ..............................................................................................................30 2.1.4.2. Nguyên lý làm việc ...........................................................................................31 2.1.4.3. Các tham số cơ bản ...........................................................................................33 2.1.5. Transistor Trƣờng< FET > (Field Effect Transistor) ..........................................33 2.1.5.1. Tranzitor trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET .....................................................34 2.1.5.2. Tranzitor trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) ...............................................................................................................................36 2.1.6. Thysistor ..............................................................................................................38 2.1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc .............................................................................38 2.1.6.2. Đặc tuyến V- A .................................................................................................40 2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới ..........................................................40 2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................................40 2.2.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ................................................41 2.3. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) ................................................................................41 2.3.1. Khái niệm.............................................................................................................41 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vi 2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời ............................................42 2.4. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) .........................................................45 2.4.1. Chức năng ............................................................................................................45 2.4.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC ................................................................................46 2.4.2.1. Bộ biến đổi DC/DC không cách ly ...................................................................46 2.4.2.2. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly........................................................................51 2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ...........................................................................51 2.4.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp..........................................................................51 2.4.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện .....................................................................52 2.5. Nghịch lƣu nối lƣới (Inverter) ................................................................................53 2.5.1. Các phép chuyển đổi ...........................................................................................54 2.5.1.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha ................................................................54 2.5.1.1. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha......................................................56 2.5.2. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) ................................57 2.5.2.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) .................................58 2.5.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) ...............................................................59 2.5.3. Điều khiển chuyển đổi DC-AC ...........................................................................60 2.5.3.1. Bộ điều khiển PI ...............................................................................................61 2.5.3.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) ........................63 2.5.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái.....................................................................63 2.6. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lƣới ...................................................64 2.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ ..................................................................................64 2.6.1.1. Điều kiện về tần số ...........................................................................................64 2.6.1.2. Điều kiện về điện áp .........................................................................................65 2.6.1.2. Điều kiện về pha ...............................................................................................65 2.6..2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới...................................................................65 2.7. Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................66 CHƢƠNG 3 ...................................................................................................................67 THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI .......................................................................67 3.1. Khái niệm ...............................................................................................................67 3.2. Thuật toán dò điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT - Maximum Power Point Tracking) ..............................................................................................................69 3.2.1. Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) .....................................69 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn vii 3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) ..........................69 3.2.3. Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) .............................70 3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance) ................................70 3.3. Ứng dụng fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời .....................................................................................................71 3.3.1. Tổng quan về logic mờ ........................................................................................71 3.3.2. Thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC)..........................................77 3.4. Các kết quả mô phỏng ............................................................................................81 3.5. Kết luận chƣơng 3 ..................................................................................................84 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................85 1. Kết luận ......................................................................................................................85 2. Kiến nghị ...................................................................................................................85 TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................87 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn viii DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Chú thích 1 NLMT 2 PMT Pin mặt trời 3 BĐK Bộ điều khiển 4 BBĐ Bộ biến đổi 5 DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu 6 DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều 7 PV 8 MPPT Maximum Power Point Tracking 9 PWM Pules- With- Modulation 10 CB- PWM Carrier Based Pulse With 11 ZSS Zero sequence signal 12 SVM Space vector Modulation 13 CC Current Control 14 VC Voltage Control 15 VSI Voltage Source Inverter 16 IN 17 UPV, IPV 18 Igc Dòng quang điện (A) 19 I0 Dòng bão hòa (A) 20 q Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C) 21 K Hằng số Boltzman (J/K) 22 TC Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K) 23 ID, UD 24 ISC (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV 25 UOC Điện áp hở mạch của Pin mặt trời 26 G Năng lƣợng mặt trời Tế bào quang điện Cƣờng độ bức xạ mặt trời (w/m2) Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời Dòng điện (A), điện áp trên diode (V) Bức xạ mặt trời (Kw/m2) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ix 27 D Hệ số làm việc 28 Ton Thời gian khóa K mở 29 T 30 fDC 31 IL1, IL2 32 UC1, UC2 33 tK Chu kỳ làm việc của khóa Tần số đóng cắt Dòng điện của cuộn cảm L1, L2 Điện áp trên tụ C1, C2 Thời điểm lấy mẫu DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Tên bảng Trang Bảng 1.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng 7 Bảng 1.2 Màu sắc và bƣớc sóng của ánh sáng mặt trời 8 Bảng 3.1 Luật điều khiển cơ bản của FLC 75 Bảng 3.2 Thông số của tấm pin mặt trời 77 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn x Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xi DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình Tên hình Trang Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời 5 Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 6 Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 9 Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 10 Hình 1.5 Định nghĩa và cách xác định airmas 12 Hình 1.6 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều 15 Hình 1.7 Pin mặt trời 15 Hình 1.8 Nhà máy sử dụng Năng lƣợng mặt trời 16 Hình1.9 Lò sấy sử dụng NLMT 16 Hình 1.10 Thiết bị chƣng cất nƣớc dùng NLMT 17 Hình 1.11 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 17 Hình 1.12 Bếp nấu dùng NLMT 18 Hình 1.13 Bình nƣớc nóng Thái Dƣơng Năng 19 Hình 1.14 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 20 Hình 2.1 Điện trở thƣờng 24 Hình 2.2 Điện trở công suất 25 Hình 2.3 Điện trở dán 25 Hình 2.4 Biến trở 26 Hình 2.5 Tụ gốm 26 Hình 2.6 Tụ hoá 27 Hình 2.7 Tụ xoay sử dụng trong Radio 27 Hình 2.8 Cấu tạo và ký hiệu Diode 27 Hình 2.9 Đặc tuyến V- A của Diode 28 Hình 2.10 Cấu tạo và kí hiệu của Transistor BJT 29 Hình 2.11 Phân cực cho Transistor BJT 30 Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của Transistor BJT 30 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xii Hình 2.13 Sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế của tranzitor dựa theo tham số h 32 Hình 2.14 Cấu tạo và kí hiệu Tranzitor Trƣờng JFET 32 Hình 2.15 Đặc tuyến V- A của JFET 34 Hình 2.16 Cấu tạo và ký hiệu Transistor Trƣờng MOSFET 35 Hình 2.17 Đặc tuyến V- A của JFET 36 Hình 2.18 Cấu tạo và kí hiệu Thysistor 36 Hình 2.19 Đặc tuyến V-A của Thyristor 38 Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới 38 Hình 2.21 Mạch tƣơng đƣơng của Module PV 40 Hình 2.22 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 41 Hình 2.23 a,b,c,d: Họ đặc tính của PV 42 Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck 44 Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 45 Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 46 Hình 2.27 Sơ đồ biến đổi Cuk 47 Hình 2.28 Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng 47 Hình 2.29 Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng 48 Hình 2.30 Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly 49 Hình 2.31 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 50 Hình 2.32 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 50 Hình 2.33 Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang tọa độ αβ 52 Hình 2.34 Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 53 Hình 2.35 Cấu trúc của SOGI 54 Hình 2.36 Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin 56 Hình 2.37 Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra 56 Hình 3.1 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 63 Hình 3.2 Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời 64 Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới sử dụng MPP 64 Hình 3.4 Lƣu đồ thuật toán P & Q 65 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn xiii Hình 3.5 Lƣu đồ thuật toán INC 66 Hình 3.6 Độ cao, miền xác định , miền tin cậy của tập mờ 67 Hình 3.7 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ 68 Hình 3.8 Hợp hai tập mờ có cùng tập vũ trụ 69 Hình 3.9 Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ 69 Hình 3.10 Tập bù 70 Hình 3.11 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 71 Hình 3.12 Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ 72 Hình 3.13 Quan hệ P-U của tấm PV 73 Hình 3.14 Hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 1 € 74 Hình 3.15 Hàm liên thuộc đầu vào 2 (DE) 74 Hình 3.15 Hàm liên thuộc đầu ra (D) 74 Hình 3.17 Quan hệ Vào-Ra của FLC 75 Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim 76 Hình 3.19 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát 77 Hình 3.20 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng 78 Hình 3.21 của tập mờ A. Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng điều khiển mờ trên Matlab và Psim 78 Hình 3.22 Sơ đồ khối Psim trong hình 3.21 79 Hình 3.23 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng điều khiển mờ 79 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn kiệt, không còn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời. Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trƣờng. Vì vậy, tập trung nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lƣợng và phát triển bền vững. Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …). Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng lƣợng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lƣợng dƣ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 2 thừa chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ). Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới đang là một vấn đề cấp thiết. 2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn Ý nghĩa khoa học Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng lƣợng một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện. Ý nghĩa thực tiễn Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lƣới điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời. Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác. 3. Mục tiêu nghiên cứu Đề tài này đặt mục tiêu chính là “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’ Các mục tiêu cụ thể:  Tổng quan về năng lƣợng tái tạo.  Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời. + Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới + Vấn đề hòa lƣới của hệ thống  Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới  Viết chƣơng trình và mô phỏng thực nghiệm. 4. Đối tƣợng nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 3 Nghiên cứu nguồn năng lƣợng mặt trời: Phƣơng pháp sản xuất, sử dụng và hòa lƣới. Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu đƣợc công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành… Nghiên cứu thực tiễn Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới 6. Tên đề tài “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới ” . 7. Bố cục luận văn Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau: Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng mặt trời. Chƣơng 2: Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời Chƣơng 3: Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới. Kết luận và kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,… Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. 1.1.1. Cấu trúc của mặt trời Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108 km. Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dƣới một góc mở là 31'59. Từ đó có thể tính đƣợc đƣờng kính của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đƣờng kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104 lần. Từ định luật hấp dẫn ngƣời ta cũng tính đƣợc khối lƣợng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lƣợng quả đất 33.104 lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lƣợng riêng của nƣớc (1g/cm3) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt trời rất khác nhau. Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm3, nhƣng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh. Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và đƣợc gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lƣu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số thông số của các lớp của mặt trời đƣợc cho trên hình 1.1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 5 Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng. Sự ẩn hiện của các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời. Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát đƣợc cấu trúc hạt, vật thể hình kim, hiện tƣợng phụt khói, phát xung sáng,.. luôn luôn thay đổi và rất dữ dội. 1.1.2. Năng lƣợng mặt trời Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm 19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%. Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ. Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6.106 tấn than đá. Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt nhân. Theo thuyết tƣơng đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lƣợng có thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K, còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.108 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn 6 vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Chúng va chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc nguồn năng lƣợng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân Proton.Proton. Khối lƣợng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn. Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm. Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và vô tận. 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trƣờng trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cƣờng độ điện trƣờng và cƣờng độ từ trƣờng luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phƣơng truyền của sóng điện từ. Quãng đƣờng mà sóng điện từ truyền đƣợc sau một chu kỳ dao động điện từ đƣợc gọi là bƣớc sóng  Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s. Còn trong môi trƣờng vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong đó n đƣợc gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng, với n  1. Các sóng điện từ có bƣớc sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7 nm (nano met) đến hàng nghìn km. Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0,4µm đến 0,8µm , chỉ chiếm một phần rất nhỏ của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ nhƣng các loại sóng điện từ có bƣớc sóng khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn