Tài liệu Tối ưu công suất phát của hệ pin quang điện đa điểm cực trị

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -------------------- LÊ THIỆN CHÍ TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN ĐA ĐIỂM CỰC TRỊ Chuyên ngành : Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Mã số: 605250. LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2015 ii CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khóa học : ..................................................................... Chữ ký:……………………………………………. Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................... Chữ ký:………………………………………………... Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................... Chữ ký:………………………………………………... Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm 2015 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1. .............................................................. 2. .............................................................. 3. .............................................................. 4. .............................................................. 5. .............................................................. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA iii CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên: Lê Thiện Chí MSHV: 12180101 Ngày, tháng, năm sinh: 15/09/1988 Nơi sinh: Bình Phước Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện Mã số : 605250 I. TÊN ÐỀ TÀI: Tối ưu công suất phát của hệ pin quang điện đa điểm cực trị II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Điều khiển bám điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện nhiều điểm cực đại. - Mô hình hóa một module PV - Khảo sát đặc tuyến P-V, I-V của hệ PV đa điểm cực trị - Dùng giải thuật P&O, FLC MPPT cho hệ PV - So sánh, kết luận và hướng phát triển đề tài III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 05/01/2015 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/06/2015 V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : Ts. Trần Hoàng Lĩnh Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2015 CÁN BỘ HUỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ÐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) TS. Trần Hoàng Lĩnh TRUỞNG KHOA ÐIỆN – ÐIỆN TỬ (Họ tên và chữ ký) iv LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám Hiệu, các Thầy Cô trong trường, đặc biệt là các Thầy Cô Khoa Điện - Điện tử trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh. Trong suốt thời gian học tập tại trường, các Thầy Cô đã luôn tận tình chỉ dạy, truyền đạt kiến thức và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em tiếp thu và tích lũy kiến thức. Đặc biệt em cảm ơn thầy Trần Hoàng Lĩnh, người đã trực tiếp hướng dẫn em tận tình để hoàn thành tốt luận văn tốt nghiệp này. Em rất biết ơn những hướng dẫn quý báu, nhiệt tình và những lời động viên của thầy dành cho em. Em xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè, các bậc tiền bối đã giúp em giải đáp các vướng mắc trong quá trình làm luận văn. Cuối cùng, em xin gởi lời cảm ơn đến tất cả bạn bè, người thân đã luôn động viên và giúp đỡ em trong suốt quá trình học tập vừa qua. Tp.HCM, Ngày 06 tháng 06 năm 2015 HỌC VIÊN LÊ THIỆN CHÍ v TÓM TẮT LUẬN VĂN Khi có hiện tượng bóng râm , che chắn, làm cho độ rọi trên mỗi module PV là khác nhau thì hệ PV sẽ có đặc tính đa điểm cực đại, gồm các cực đại địa phương và cực đại toàn cục. Nhiệm vụ của đề tài là điều khiển bám điểm cực đại toàn cục theo hướng tiếp cận bằng giải thuật cổ điển P&O và giải thuật điều khiển hiện đại FLC để đưa ra so sánh, kết luận. Luận văn sử dụng MATLAB / Simulink để mô phỏng và giải quyết bài toán MPPT cho hệ PV đa điểm cực đại. ABSTRACT Under partial shading conditions, making illuminance on each photovoltaic module is different, the photovoltaic system will have a maximum multipoint maximum, including the local maximum and global maximum. This thesis presents the theoretical and simulation studies of the global maximum power point tracking (MPPT) in the direction of approach by the classic algorithm P & O and modern control algorithms FLC to comparisons and conclusions. Thesis using MATLAB / Simulink to simulate and solve MPPT for photovoltaic system with multipoint maximum. vi LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả nêu trong luận văn chưa được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Các số liệu, ví dụ, trích dẫn đảm bảo tính chính xác, tin cậy và trung thực. Tôi xin chân thành cảm ơn. NGƯỜI CAM ĐOAN LÊ THIỆN CHÍ vii Mục Lục Chương 1 : Giới Thiệu ................................................................................................2 1.1 Lý do chọn đề tài ...........................................................................................2 1.2 Mục tiêu nghiên cứu .....................................................................................5 1.3 Phạm vi nghiên cứu .......................................................................................6 1.4 Cấu trúc của luận văn ...................................................................................6 Chương 2 : Tổng Quan................................................................................................8 2.1 Những công trình đã nghiên cứu về hệ thống pin năng lượng mặt trời ............8 2.2 Hướng nghiên cứu của luận văn ........................................................................8 2.3 Nội dung nghiên cứu của luận văn ....................................................................9 Chương 3 : Lý thuyết về pin quang điện ...................................................................11 3.1 Giới thiệu .........................................................................................................11 3.2 Tế bào quang điện ............................................................................................12 3.3 Mạch tương đương của tế bào quang điện.......................................................13 3.3.1 Mạch tương đương cơ bản.........................................................................13 3.3.2 Mạch tương đương khi có điện trở rò RP ..................................................14 3.3.3 Mạch tương đương khi có điện trở nối tiếp Rs ..........................................15 3.3.4 Mạch tương đương khi có điện trở Rp và Rs ..............................................16 3.4 Tế bào, khối, dãy năng lượng quang điện........................................................18 3.4.1 Dãy nối tiếp ...............................................................................................18 3.4.2 Dãy song song ...........................................................................................19 3.4.3 Dãy hỗn hợp ..............................................................................................20 Chương 4 : Tối ưu công suất phát của hệ PV đa điểm cực trị ..................................22 4.1 Hệ PV ...............................................................................................................22 4.1.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện ...................................................................22 4.1.2 Hệ thống PV độc lập .................................................................................23 4.2 Hệ PV sử dụng trong đề tài..............................................................................24 4.3 Bộ DC-DC .......................................................................................................24 4.3.1 Bộ Buck converter .....................................................................................25 vii 4.3.2 Bộ Boost converter ....................................................................................29 4.3.3 Bộ Buck-Boost converter ..........................................................................31 4.4 Phát biểu bài toán .............................................................................................33 4.5 Phương pháp luận giải quyết bài toán .............................................................34 4.5.1 MPPT bằng phương pháp P&O ................................................................35 4.5.2 MPPT bằng phương pháp FLC ................................................................39 Chương 5 : Mô phỏng và kết quả ..............................................................................52 5.1 Mô phỏng .........................................................................................................52 5.1.1 Mô phỏng 1 module PV ............................................................................52 5.1.2 Mô hình hệ 2 module PV ghép nối tiếp ....................................................56 5.1.3 Mô hình hệ 3 module PV ghép nối tiếp ....................................................58 5.1.4 Mô hình hệ 4 module PV ghép nối tiếp ....................................................60 5.2 MPPT cho hệ PV .............................................................................................62 5.2.1 Phương pháp P&O ....................................................................................62 5.2.2 Phương pháp FLC .....................................................................................65 5.3 Kết quả .............................................................................................................66 5.3.1 Hệ PV gồm 2 module ghép nối tiếp ..........................................................66 5.3.2 Hệ PV gồm 3 module ghép nối tiếp ..........................................................71 5.3.3 Hệ PV gồm 4 module ghép nối tiếp ..........................................................77 5.4 Kết luận P&O và FLC .....................................................................................81 Chương 6 : Kết luận và hướng phát triển ..................................................................83 6.1 Kết luận ............................................................................................................83 6.2 Hướng phát triển đề tài ....................................................................................83 1 Chương 1 GIỚI THIỆU Chương 1: Giới thiệu 2 Chương 1 : Giới Thiệu 1.1 Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội, nhu cầu về năng lượng là một trong những yêu cầu cấp thiết. Từ khi cuộc cách mạng khoa học bùng nổ đến nay nguồn năng lượng hóa thạch là nguồn năng lượng chính nhưng nay nguồn năng luợng này không phải là vô tận. Do đó, dần dần nguồn năng lượng điện sẽ thay thế năng lượng hóa thạch. Điện năng trên thế giới được tạo ra từ nhiều cách khác nhau: thủy điện, nhiệt điện, điện nguyên tử…Gần đây, xu hướng chung là sẽ dần chuyển sang những nguồn năng lượng sạch như năng lượng gió, năng lượng mặt trời…, với ưu điểm là thân thiện với môi trường. Sự phát triển của kỹ thuật đã làm cho giá thành của năng lượng xanh giảm đi nhiều có thể cạnh tranh với những nguồn năng lượng cổ điển. Nước ta nằm trong vùng nhiệt đới, cận xích đạo do đó lượng ánh nắng hàng năm là rất lớn. Điều này rất thuận lợi cho việc phát triển nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta đồng thời góp phần quan trọng trong việc giải quyết nhu cầu năng lượng ngày càng tăng của nước ta trong giai đoạn công nghiệp hóa. Ở Việt Nam vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời. Nằm gần đường xích đạo Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao năng lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày [1]. Chương 1: Giới thiệu 3 Hình 1.1 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2015 [2] Như ta đã biết hiệu suất pin quang điện (PV) rất thấp khoảng tùy thuộc công nghệ , hiện nay dưới 25% Chương 1: Giới thiệu 4 Hình 1.2 Hiệu suất pin quang điện [3] Hình 1.3 Chi phí pin quang điện [3] Song song với việc nghiên cứu phát triển công nghệ sản xuất pin thì vấn đề tận dụng tối đa công suất do pin quang điện phát ra là hết sức quan trọng và phương pháp là tìm điểm hoạt động công suất cực đại của hệ nhiều pin là điều rất cần thiết. Vì vậy mục tiêu chính của đề tài này là tìm ra điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện có đa điểm cực trị. Chương 1: Giới thiệu 5 1.2 Mục tiêu nghiên cứu Một trong những vấn đề đáng kể trong các hệ quang điện (Photovoltaic systems hay PV system) là sự không phù hợp giữa đặc tính làm việc của tải và của mảng PV. Hình 1.4 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV Như được minh họa trên Hình 1.4, khi mảng PV được nối trực tiếp với tải thì điểm làm việc của hệ là giao điểm của đường đặc tính Vôn-ampe của PV với đường đặc tính tải. Trong nhiều trường hợp, điểm làm việc này không phải là điểm có công suất lớn nhất (Maximum Power Point - MPP) của mảng PV. Để khắc phục nhược điểm này thì cần phải xây dựng một thuật toán bám điểm có công suất lớn nhất (Maximum Power Point Tracking - MPPT). Đây là một vấn đề rất quan trọng trong một hệ năng lượng mặt trời vì nó có thể làm giảm số lượng các mảng PV cần thiết để có được một công suất mong muốn và tối ưu hóa chế độ làm việc của hệ. Cần chú ý rằng vị trí của MPP trên đường đặc tính Vôn-ampe của PV là không biết trước. Nó phụ thuộc vào mức độ chiếu sáng, vào nhiệt độ môi trường và Chương 1: Giới thiệu 6 tải. Tuy nhiên ta có thể tính được MPP dựa vào việc mô hình hóa mảng PV và đo độ bức xạ cùng với nhiệt độ của mảng PV. 1.3 Phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hai module quang điện (PV) được mắc nối tiếp như Hình 1.5. Hình 1.5 Hệ hai pin quang điện (PV) ghép nối tiếp Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm cực đại công suất của hệ PV bằng kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán P&O (Perturb and Observe) cổ điển và giải thuật điều khiển hiện đại FLC (Fuzzy Logic Controller) tìm điểm cực đại công suất cực đại toàn cục (Global). 1.4 Cấu trúc của luận văn Cấu trúc của luận văn bao gồm 6 chương. Chương 1 – Giới thiệu Chương 2 – Tổng quan Chương 3 – Lý thuyết về pin quang điện Chương 4 – Tối ưu công suất phát của hệ PV đa điểm cực trị Chương 5 – Mô phỏng và kết quả Chương 6 – Kết luận và hướng phát triển. Chương 1: Giới thiệu 7 Chương 2 TỔNG QUAN Chương 2: Tổng quan 8 Chương 2 : Tổng Quan 2.1 Những công trình đã nghiên cứu về hệ thống pin năng lượng mặt trời Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin năng lượng mặt trời như  Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5], [6].  Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin năng lượng mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại [4] [7].  Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời [8].  Các phương pháp ngăn ngừa hiện tượng Islanding cho hệ thống pin năng lượng mặt trời [9].  Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng , công suất phản kháng, và dòng điện bơm vào lưới điện của hệ thống pin năng lượng mặt trời [10]  MPPT cho hệ thống pin năng lượng mặt trời có xét đến hiệu ứng màn che. [11] [12]. 2.2 Hướng nghiên cứu của luận văn Ta thấy rằng hệ thống pin năng lượng mặt trời đã được sử dụng từ rất lâu, cũng như việc tận dụng tối ưu công suất phát của hệ pin năng lượng mặt trời đã được quan tâm và nghiên cứu, nhưng tập trung vào hướng chủ yếu là hệ PV này chỉ có một điểm cực đại công suất. Gần đây xu hướng tiếp cận hệ PV đa điểm cực trị đã được nghiên cứu nhiều. Một hệ PV khi hoạt động thực tế còn phụ thuộc vào yếu tố che chắn, nghĩa là cường độ chiếu sang trên mỗi module quang điện sẽ khác nhau, điều này dẫn đến đường đặc tuyến công suất của hệ PV không còn một điểm cực đại công suất nữa, mà nó là hệ đa điểm cực đại. Hướng nghiên cứu của luận văn sẽ tập Chương 2: Tổng quan 9 trung vào bài toán MPPT cho hệ PV đa điểm cực trị. Trong giới hạn luận văn này hệ PV sẽ có 2 điểm cực đại công suất, cực đại địa phương (local) và cực đại toàn cục (global). Sau đó phát triển mô hình thành 3,4 cực đại công suất, giải quyết bài toán n điểm cực trị. 2.3 Nội dung nghiên cứu của luận văn - Mô hình hóa một module PV. - Khảo sát đặc tính P-V, I-V của hệ PV gồm 2,3,4 modul PV ghép nối tiếp trong điều kiện khác bức xạ. - MPPT cho hệ PV trong điều kiện khác bức xạ bằng phương pháp P&O, Fuzzy. - Nhận xét đánh giá hai phương pháp trên và đề xuất hướng phát triển của đề tài Chương 2: Tổng quan 10 Chương 3 LÝ THUYẾT PIN QUANG ĐIỆN Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 11 Chương 3 : Lý thuyết về pin quang điện 3.1 Giới thiệu Nguyên liệu hay phương pháp có khả năng chuyển đổi năng lượng chứa trong photon ánh sáng thành điện áp và dòng điện được gọi là quang điện. Một photon với bước sóng ngắn và năng lượng đủ lớn có thể giải phóng một electron từ nguyên tử chứa nó. Nếu lân cận vùng điện trường được cung cấp, các electron có thể dịch chuyển dọc theo kim loại gây nên dòng điện. Năng lượng mặt trời tối đa mà bề mặt trái đất nhận được xấp xỉ 6000 lần tổng nhu cầu năng lượng của chúng ta. Trong lịch sử năng lượng quang điện được bắt đầu năm 1839 khi nhà vật lý 19 tuổi của Pháp Edmund Becquerel, đã gây ra được điện áp khi ông chiếu sáng bản cực kim loại trong chất điện phân yếu. Thực sự 40 năm sau đó, khi Adams và Day nghiên cứu ảnh hưởng của quang điện trong chất rắn. Họ có thể làm các tế bào quang điện bằng selen nhưng hiệu suất chỉ là 1%-2%. Tế bào quang điện làm bằng selen nhanh chóng được chấp nhận và xuất hiện ngành công nghiệp quang điện. Thuyết lượng tử của Albert Einstein đã giải thích hiệu suất của quang điện vào năm 1904, nó đã đạt giải Nobel năm 1923. Trong cùng thời gian nền tảng về điện tử hiện đại nói chung và quang điện nói riêng đã được đưa ra, nhà khoa học Balan tên là Czochralski bắt đầu phát triển cách thức để phát triển hoàn hảo bán dẫn silicon. Những năm 1940 và 1950 tiến trình Czochralski bắt đầu được sử dụng làm sự phát triển đầu tiên của tinh thể bán dẫn silicon quang điện, và nó vẫn còn chiếm ưu thế trong công nghiệp quang điện ngày nay. Những năm 1950 đã có một vài thử nghiệm sản xuất pin quang điện nhưng giá cả quá cao. Năng lượng quang điện đầu tiên xuất hiện vào năm 1958 khi họ đầu Chương 3: Lý thuyết pin quang điện 12 tiên sử dụng cho vệ tinh Vanguard được phóng vào không gian. Trong các phương tiện không gian giá cả ít quan trọng hơn là độ bền và pin mặt trời bao giờ cũng hoạt động với vai trò quan trọng trong việc cung cấp năng lượng trực tiếp trên board mạch cho các vệ tinh và tàu không gian khác. Cuộc khủng hoảng năng lượng những năm 1970, công việc hỗ trợ không gian được trả lại trên mặt đất. Sau những năm 1980 với hiệu suất cao hơn và giá cả thấp hơn, quang điện được ứng dụng nhiều trên trái đất. 3.2 Tế bào quang điện Chúng ta hãy xét đến điều gì xảy ra tại vùng lân cận của mối nối p-n khi chúng được chiếu sáng bởi ảnh sáng mặt trời. Các photons được hấp thu, cặp electron-lỗ trống được hình thành. Nếu những hạt mang điện di động trong vùng lân cận mối nối, điện trường trong vùng nghèo sẽ đẩy các lỗ trống vào trong mặt phẳng p và electron vào trong mặt phẳng n. Bản p tích trữ lỗ trống còn bản n tích trữ electron, điều này tạo thành một điện áp có thể dùng để truyền đến tải. Nếu tiếp xúc điện được gắn chặt trên và dưới của tế bào, dòng electron sẽ chảy ra ngoài bản n theo dây cáp, xuyên qua tải và quay về bản p. Vì dây không thể dẫn các lỗ trống, nó chỉ là các electron di chuyển quanh mạch điện. Khi chúng tới bản p chúng kết hợp với lỗ trống làm thành mạch điện. Quy ước, dòng dương có chiều ngược với dòng electron, vì vậy chiều mũi tên trong hình dưới chỉ dòng điện chảy từ bản p đến tải và quay về bản n. Chương 3: Lý thuyết pin quang điện