Tải bản đầy đủ

Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------

VÕ VĂN HOÀNG KIM

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

---------------------------


VÕ VĂN HOÀNG KIM

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : ……………………………………….
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được


sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ VĂN HOÀNG KIM

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời.
- Nghiên cứu pin quang điện và hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Võ Văn Hoàng Kim


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công
nghệ Tp. HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật đã hỗ trợ, tạo
điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn
thành Luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em.

Võ Văn Hoàng Kim


Tóm tắt
Vấn đề cạn kiệt năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất
nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng
lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng
mặt trời.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang
khai thác trên trái đất. Nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ
cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được
của các nhà khoa học.
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất
năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong
các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là
tương đối thấp (9 ÷ 17%);
- Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên
tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ
thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này mà bao
gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Hệ thống pin quang điện
+ Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện
+ Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin
quang điện
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Abstract
The problem of electricity depletion has been and is being paid special
attention by the world in general and Vietnam in particular. To address this
problem, there are many proposals for the use of different forms of energy to
generate electricity, in the form of renewable energy. One of them is solar.
It can be seen that solar energy is a clean energy source unlike any other energy
source that we are exploiting on earth. If solar energy is efficiently used to
meet your electricity needs, this is one of the goals that scientists need.
One of the main applications from solar power is the production of electricity
through photovoltaic (PV) systems. In these photovoltaic systems, there are
several major shortcomings:
- The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is
relatively low (9 ÷ 17%);
- The electrical energy generated by the photovoltaic system is
constantly changing under different weather conditions.
For the above reasons, the thesis "Optimal power control of a solar
photovoltaic system" is selected and implemented which includes the following
contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Solar photovoltaic system
+ Chapter 3: Optimal power control of a solar photovoltaic system
+ Chapter 4: Simulation results of optimal power control of a solar
photovoltaic system
+ Chapter 5: Conclusions and future works


i

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv
Danh sách bảng ............................................................................................ ix
Chương 1 - Giới thiệu.................................................................................. 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 3
1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 3
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu............................................................. 3
1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .................................................... 4
1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 6
1.8. Bố cục của luận văn ................................................................................ 7
Chương 2 - Hệ thống pin quang điện ........................................................ 8
2.1. Giới thiệu về mặt trời ............................................................................ 8
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời .................................................... 10
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ................................................. 11
2.4. Bức xạ mặt trời ..................................................................................... 13
2.5. Pin quang điện ...................................................................................... 17
2.5.1. Giới thiệu ........................................................................................... 17
2.5.2. Phân loại pin quang điện ................................................................... 19
2.5.3. Mô hình toán pin quang điện ............................................................. 20
2.6. Module pin quang điện ......................................................................... 23
2.7. Mảng pin quang điện ............................................................................ 24
2.8. Các ảnh hưởng đến pin quang điện ...................................................... 26


ii

2.8.1. Ảnh hưởng của cường độ bức xạ ...................................................... 27
2.8.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 27
2.8.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ................................................ 28
2.9. Các hệ thống pin quang điện ................................................................ 32
2.9.1. Hệ thống pin quang điện độc lập ....................................................... 32
2.9.2. Hệ thống pin quang điện nối lưới ...................................................... 33
2.9.3. Hệ thống pin quang điện hỗn hợp ..................................................... 35
2.10. Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC.................................................... 36
2.10.1. Bộ biến đổi DC/DC ......................................................................... 36
2.10.2. Bộ biến đổi DC/AC ......................................................................... 37
2.11. PLL 3 pha ........................................................................................... 39
2.11.1. Phase detector .................................................................................. 39
2.11.2. VCO ................................................................................................. 40
2.11.3. Bộ nghịch lưu 6 khóa ...................................................................... 47
Chương 3 - Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện 52
3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 52
3.2. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ................................................. 53
3.3. Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) ................................. 54
3.4. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) .......... 58
3.5. Thuật toán điện áp hằng số ................................................................... 61
3.6. Đề xuất thuật toán InC cải tiến ............................................................. 62
3.7. Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại .................... 63
3.7.1. Phương pháp điều khiển PI ............................................................... 64
3.7.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp...................................................... 65
Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang
điện ............................................................................................................. 68
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 68
4.2. Mô phỏng pin quang điện ..................................................................... 69
4.3. Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC............................. 73


iii

4.4. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ thay đổi và nhiệt độ
không đổi ..................................................................................................... 74
4.4.1. Cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C .................................. 74
4.4.2. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C ............................... 75
4.4.3. Cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C ............................... 76
4.5. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ
thay đổi ........................................................................................................ 77
4.5.1. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C ............................... 79
4.5.2. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C ............................... 80
4.5.3. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C ............................... 82
4.6. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi .... 84
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai .............................. 88
5.1. Kết luận ................................................................................................ 88
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 88
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 89


iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ..................................................................... 8
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời .......................................... 11
Hình 2.3. Hướng nhìn quỹ đạo trái đất ........................................................ 12
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời ..................................................................... 13
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ....................................................................... 14
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời......................................................................... 15
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
của trái đất ................................................................................................... 16
Hình 2.8. Cấu tạo pin quang điện ................................................................ 18
Hình 2.9. Pin quang điện ............................................................................. 18
Hình 2.10. Các loại pin quang điện ............................................................. 19
Hình 2.11. Xu hướng công nghệ điện mặt trời của thế giới ........................ 20
Hình 2.12. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện ............................. 20
Hình 2.13. Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn
mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc) .............................................................. 21
Hình 2.14. Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao .......... 22
Hình 2.15. Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs
và Rp............................................................................................................. 22
Hình 2.16. Module pin quang điện .............................................................. 23
Hình 2.17. Đặc tính của module pin quang điện ......................................... 24
Hình 2.18. Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau ..... 25
Hình 2.19. Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau . 25
Hình 2.20. Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau .... 26
Hình 2.21. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ bức xạ
khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C .............................. 27
Hình 2.22. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau
và cường độ bức xạ không đổi 1 kW/m2 ..................................................... 27
Hình 2.23. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường


v

hợp module không bị che khuất .................................................................. 28
Hình 2.24. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường
hợp module bị che khuất một phần ............................................................. 28
Hình 2.25. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang
điện .............................................................................................................. 29
Hình 2.26. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 30
Hình 2.27. Module pin quang điện sử dụng diode bypass .......................... 30
Hình 2.28. Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode
bypass .......................................................................................................... 31
Hình 2.29. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode
bypass .......................................................................................................... 31
Hình 2.30. Hệ thống pin quang điện độc lập ............................................... 32
Hình 2.31. Hệ thống pin quang điện nối lưới .............................................. 33
Hình 2.32. Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới ............................ 34
Hình 2.33. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ......................................... 34
Hình 2.34. Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp ........................ 35
Hình 2.35. Hệ thống pin quang điện kết hợp .............................................. 36
Hình 2.36. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch ...................................... 37
Hình 2.37. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới ............................................... 37
Hình 2.38. Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới ............................................ 38
Hình 2.39. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ................................................. 39
Hình 2.40. Tín hiệu ngõ ra VCO ................................................................. 41
Hình 2.41. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ................................................... 42
Hình 2.42. Hệ trục tọa độ ....................................................................... 42
Hình 2.43. Hệ trục tọa độ dq ....................................................................... 44
Hình 2.44. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ................ 45
Hình 2.45. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa ...................................... 47
Hình 2.46. Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn .............................. 48
Hình 2.47. Các vector điện áp chuẩn và các sector ..................................... 50
Hình 2.48. Giản đồ đóng ngắt của các khóa................................................ 51


vi

Hình 3.1. Đặc tính V - I của một tế bào quang điện.................................... 53
Hình 3.2. Thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O .............................. 55
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán P&O ............................................................... 56
Hình 3.4. Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của
cường độ bức xạ .......................................................................................... 57
Hình 3.5. Thuật toán InC ............................................................................. 59
Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán InC.................................................................. 61
Hình 3.7. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp
điều khiển PI ................................................................................................ 64
Hình 3.8. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp
điều khiển trực tiếp ...................................................................................... 65
Hình 3.9. Đặc tính V - I của hệ thống pin quang điện thể hiện mối quan hệ
giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D ................................................. 67
Hình 4.1. Hệ thống pin quang điện ............................................................. 68
Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện ................................... 69
Hình 4.3. Hệ pin quang điện (02 song song x 10 nối tiếp).......................... 70
Hình 4.4. Bố trí hỗn hợp của hệ pin quang điện (02 song song x 10 nối
tiếp) .............................................................................................................. 70
Hình 4.5. Hệ pin quang điện tương ứng với thông số ngõ vào của cường
độ bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C)................................................... 71
Hình 4.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện của cường độ bức
xạ, 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 25 0C ........................... 71
Hình 4.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ bức
xạ, 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6kW/m2 và nhiệt độ 25 0C ............................. 72
Hình 4.8. Lưới điện AC, 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) ............. 73
Hình 4.9. Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC ................... 74
Hình 4.10. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán
InC cải tiến .................................................................................................. 75
Hình 4.11. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều


vii

kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 76
Hình 4.12. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 77
Hình 4.13. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ
bức xạ không đổi, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ thay đổi, 150C; 300C và 350C ... 78
Hình 4.14. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C .................... 79
Hình 4.15. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 80
Hình 4.16. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C .................... 81
Hình 4.17. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 82
Hình 4.18. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C .................... 83
Hình 4.19. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C ............................ 84
Hình 4.20. Cường độ bức xạ thay đổi, 0,6 - 1 (kW/m2) .............................. 85
Hình 4.21. Nhiệt độ thay đổi, 25 - 35 (0C) .................................................. 86
Hình 4.22. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi sử dụng thuật toán InC cải
tiến ............................................................................................................... 87


ix

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ............................... 11
Bảng 2.2. Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ...................................... 12
Bảng 2.3. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng
ngắt .............................................................................................................. 48
Bảng 3.1. Mô tả thuật toán P&O ................................................................. 55
Bảng 4.1. Thông số của pin quang điện và hệ pin quang điện .................... 70
Bảng 4.2. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện của cường độ
bức xạ khác nhau ......................................................................................... 72
Bảng 4.3. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện của nhiệt độ
khác nhau ..................................................................................................... 78
Bảng 4.4. Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện của cường
độ bức xạ và nhiệt độ khác nhau ................................................................. 85


1

Chương 1
Giới thiệu
1.1. Giới thiệu
Vấn đề cạn kiệt năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất
nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng
lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng
mặt trời.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch
xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự
đoán được thời điểm kết thúc của nó. Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền
một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà
con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều
vùng. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu
trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang
khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy
của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt
điện có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện
hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2].
Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho
nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của
các nhà khoa học.
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất
năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong
đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ
gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống


2

pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ
thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là
tương đối thấp (9 ÷ 17%);
- Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên
tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ
thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Cơ cấu nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt
các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống như nhiên liệu hóa thạch, nước... Để
giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các
nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy, đề tài
“Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được xem là cần
thiết.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình của một hệ thống pin
quang điện bao gồm:
- Hệ thống pin quang điện;
- Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC;
- Giải thuật tìm điểm công suất cực đại;
- Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến điều khiển tối ưu
công suất phát của hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện.


3

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ thống pin quang điện dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” sẽ
được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện.
- Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại.
- Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin
quang điện.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất
của hệ thống pin quang điện.
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện chịu
chi phối trực tiếp bởi các giải thuật tìm điểm công suất cực đại. Vì vậy, trong
thời gian gần đây, các giải thuật tìm điểm công suất cực đại đã được nghiên
cứu, đề xuất và áp dụng như giải thuật xáo trộn và giám sát (Pertuation &
Observation algorithm, P&O), giải thuật gia tăng độ dẫn (Incremental
Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, logic mờ, v.v... Các giải
thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn
giản của giải thuật; giá trị hội tụ và tốc độ hội tụ của giải thuật; tính chất đơn
giản của việc thực hiện các thực nghiệm nghiên cứu, cũng như chi phí thực
hiện cho mỗi giải pháp.


4

1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C.
Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự
như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán
P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so
sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của
điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có
khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi
có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ,
v.v... Tuy nhiên, đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như
khi cường độ bức xạ thay đổi lớn và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật
toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3 điểm
cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường độ
bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính
xác và ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [3].
Để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D.
Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu và F. Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật
toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc
lấy thêm các mẫu trung gian. Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển
bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi
tuyến tính. Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu
sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [4].
M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin đã tiếp tục nghiên
cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc
xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các tác giả đã sử
dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV
sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại. Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử
dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào
mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn
mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của
mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu


5

này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công
nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán
P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán
P&O một cách đáng kể [5].
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik đã giới
thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm
công suất cực đại của hệ thống PV. Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của
mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm
công suất cực đại. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử
dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông
thường. Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt
được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6].
Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất
cực đại thì các kỹ thuật khác liên quan đến việc nghiên cứu và thiết kế các hệ
thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả
năng khai thác được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất. G. Deb, A. B.
Roy; T. Tudorache, C. D. Oancea, L. Kreindler và J. Rizk, Y. Chaiko [7]-[9] đã
thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời
cho hệ thống PV. Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu
này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt
trời. Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một
động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để
điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng.
Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn
di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng của mặt trời.
Tương tự, N. Barsoum, P. Vasant [10] cũng đã giới thiệu một thiết kế
khác cho hệ thống bám theo mặt trời. Hệ thống này được điều khiển bởi vi điều
khiển PIC16F84A.


6

1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Gần đây, Giáo Sư Thân Ngọc Hoàn đã giới thiệu tổng quan các giải
pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất của một hệ thống pin quang điện mà bao
gồm các kỹ thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại, thiết kế và sử dụng
các bộ biến đổi công suất có hiệu suất cao, kết hợp điện gió và hệ thống pin
quang điện, cải tiến ắc-quy, cải tiến tấm pin quang điện [11].
Với một trong các giải pháp trên, nhóm tác giả bao gồm Hà Thị Thu
Phương, Nguyễn Tiến Thu, Hồ Phạm Huy Ánh và Cao Văn Kiên đã giới thiệu
kỹ thuật tối ưu hóa công suất của hệ pin quang điện sử dụng thuật toán P&O
mờ thích nghi. Công suất từ hệ thống pin quang điện được đưa qua bộ biến đổi
công suất Buck với điểm làm việc luôn bám điểm công suất cực đại mà đã
được xác định bởi thuật toán mờ P&O cho phép hiệu chỉnh thích nghi bước
kích nhiễu loạn giúp công suất đạt được nhanh chóng đạt giá trị cực đại mới
khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi. Thêm vào đó, đề xuất của nhóm tác giả này
cũng giúp triệt tiêu hiện tượng dao động quanh điểm làm việc cực đại [12].
Trên nền tảng của thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), tác giả Phạm Văn
Để đã đề xuất thuật toán InC cải tiến cho điều khiển bám điểm công suất cực
đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời trong Luận văn Thạc Sĩ. Các kết
quả mô phỏng được thực hiện trong luận văn này cho thấy rằng đề xuất có đáp
ứng thời gian tốt hơn và ổn định hơn với các thay đổi khác nhau của bức xạ
năng lượng mặt trời [13].
Bên cạnh đó, dựa vào thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã
cải tiến thuật toán này trên cơ sở khắc phục các khuyết điểm đang tồn tại của
thuật toán P&O, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông
qua bước xác định dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện trong Luận văn
Thạc Sĩ. Cải tiến này đã giúp cho thuật toán P&O đạt được giá trị và tốc độ hội
tụ được tốt hơn [14].
Theo một cách giải khác của bài toán tối ưu hóa, tác giả Nguyễn Mạnh
Tường đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Thuật toán PSO) cho việc tìm
điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc Sĩ. Đặc biệt, tác giả đã xét bài
toán trong trường hợp có ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm. Khi ấy, hệ thống


7

sẽ tồn tại nhiều điểm công suất cực đại cục bộ và nhiệm vụ của thuật toán PSO
đề xuất là xác định điểm công suất cực đại toàn cục. Các kết quả mô phỏng cho
thấy rằng, thuật toán PSO đã chứng tỏ được hiệu quả của nó trong việc tìm
điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện trong điều kiện vận
hành có xét đến hiện tượng bóng râm [15].
1.8. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Hệ thống pin quang điện
+ Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện
+ Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin
quang điện
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


8

Chương 2
Hệ thống pin quang điện
2.1. Giới thiệu về mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390106 km (lớn hơn
110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150106 km (bằng một đơn vị
thiên văn, AU) và ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng trên
và đến trái đất [1]-[2].
Khối lượng và nhiệt độ của mặt trời là như sau:
+ Khối lượng mặt trời, M0 = 21030 kg.
+ Nhiệt độ trung tâm mặt trời, T0 thay đổi trong khoảng từ 10106 0K
đến 20106 0K và trung bình khoảng 15,6106 0K.
Như vậy, ở nhiệt độ vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông
thường với các nguyên tử và phân tử mà nó sẽ trở thành plasma. Trong đó, các
hạt nhân của nguyên tử sẽ chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt
nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan
sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời,
các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng
mặt trời.

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời


9

Về cấu trúc, mặt trời có thể được chia làm 4 vùng mà sẽ hợp thành một
khối cầu khí khổng lồ, Hình 2.1.
+ Vùng giữa được gọi là nhân hay “lõi” mà sẽ có những chuyển động
đối lưu mà cũng chính là nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân để có tạo
nên nguồn năng lượng mặt trời. Vùng này có bán kính khoảng 175.000 km,
khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20106 0K, áp suất
khoảng hàng trăm tỷ atmotphe.
+ Vùng kế tiếp là vùng trung gian, còn được gọi là vùng “đổi ngược”
mà qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài. Vật chất ở vùng này bao gồm
sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C),
silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He). Vùng này có bề dày khoảng
400.000 km.
+ Vùng kế tiếp là vùng “đối lưu” có bề dày khoảng 125.000 km và vùng
“quang cầu” có bề dày khoảng 1.000 km với nhiệt độ khoảng 6.000 0K. Vùng
này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen. Thực chất, vùng này là
các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ
7.000 0K - 10.000 0K.
+ Vùng ngoài cùng là vùng bất định. Vùng này chính là “khí quyển” của
mặt trời. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời là 5.762 0K. Nhiệt độ này là đủ lớn để
các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích và đồng thời đủ nhỏ để xuất
hiện những nguyên tử bình thường và cấu trúc phân tử.
Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời, xác
định được rằng mặt trời có ít nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên trái đất.
Nguyên tố phổ biến nhất trên mặt trời là nguyên tố nhẹ nhất, Hydrogen.
Vật chất của mặt trời bao gồm:
- Hydrogen: khoảng 73,46%;
- Helium: khoảng 24,85%;
- Các nguyên tố và các chất khác như:
+ Oxygen: khoảng 0,77%;
+ Carbon: khoảng 0,29%;
+ Iron: khoảng 0,16%;


Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×