Luận văn Nghiên cứu thuật toán điều khiển nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời tại trung tâm tiết kiệm năng lượng Tiền Giang (Phần 1)

Nội dung text: Luận văn Nghiên cứu thuật toán điều khiển nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời tại trung tâm tiết kiệm năng lượng Tiền Giang (Phần 1)

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI CHO HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TRUNG TÂM TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIỀN GIANG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 5 3 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
2. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN TRUNG KIÊN NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI CHO HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TẠI TRUNG TÂM TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIỀN GIANG NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS. TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2015
3. Dán hình 3x4 & đóng LÝ LỊCH KHOA HỌC mộc giáp lại (Dùng cho nghiên cứu sinh & học viên cao học) hình I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ & tên: NGUYỄN TRUNG KIÊN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 12/7/1981 Nơi sinh: Tiền Giang Quê quán: Song Bình, Chợ Gạo, Tiền Giang Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước khi học tập, nghiên cứu: Trưởng phòng Hành chính - Tổng hợp, Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Tiền Giang Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: ấp Bình Hiệp, xã Song Bình, huyện Chợ Gạo, tỉnh Tiền Giang Điện thoại cơ quan: 073. 3974787 Điện thoại di động: 0909 823 824 Fax: 073. 3977077 E-mail: trungkiennguyen@tiengiang.gov.vn II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Trung học chuyên nghiệp: Không 2. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2000 đến 2006 Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.Hồ Chí Minh Ngành học: Điện khí hóa và Cung cấp điện Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và Vận hành hệ thống điện; Quản lý dự án; Trí tuệ và chuyên gia Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: 3. Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 10/2013 đến 10/2015 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
4. Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn: Nghiên cứu thuật toán điều khiển nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời tại Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Tiền Giang Ngày & nơi bảo vệ luận văn: Ngày 25/10/2015, tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh Người hướng dẫn: TS. Trương Đình Nhơn III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm Kiểm toán năng lượng;xây dựng hệ thống quản lý năng Trung tâm Tiết kiệm năng lượng 6/2007 đến 2013 lượng theo ISO 50001 và thực - Sở Công Thương Tiền Giang hiện đề tài, dư án về tiết kiệm năng lượng Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Trưởng phòng Hành chính - 2013 đến nay - Sở Công Thương Tiền Giang Tổng hợp XÁC NHẬN CỦA CƠ QUAN CỬ ĐI HỌC Ngày 24 tháng 11 năm 2015 (Ký tên, đóng dấu) Người khai ký tên Võ Hữu Thiện Nguyễn Trung Kiên
5. LỜI CẢM ƠN Trước tiên, em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Trương Đình Nhơn, người Thầy luôn tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong suốt quá trình nghiên cứu để hoàn thành luận văn này. Chân thành cảm ơn quý thầy cô Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh và Trường Đại học Bách khoa thành phố Hồ Chí Minh đã giảng dạy em trong suốt thời gian học vừa qua. Và cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến tất cả anh chị học viên đã giúp đỡ tôi trong suốt quá trình học tập cũng như để hoàn thành luận văn này. Xin chân thành cảm ơn. TP. Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015 Nguyễn Trung Kiên ii
6. TÓM TẮT Việc thiếu hụt nguồn năng lượng đang là vấn đề nghiêm trọng với nhiều quốc gia trên thế giới. Để giải quyết vấn đề trên thì các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời đang được xem là nguồn năng lượng bổ sung. Nhưng khó khăn chính của việc sử dụng nguồn năng lương mặt trời là chi phí đầu tư cao, hiệu suất thấp. Trong luận văn này, nhiệm vụ là nghiên cứu thuật toán điều khiển nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời tại Trung tâm Tiết kiệm năng lượng. Tuy nhiên, luận văn chỉ giải quyết vấn đề tối ưu về công suất. Giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện được đề xuất trong luận văn này đó là giải thuật P&O. Giải thuật P & O hoạt động theo định kỳ xáo trộn (tức là tăng hoặc giảm) các điện áp đầu cuối và so sánh công suất PV với các chu kỳ nhiễu loạn trước đó. Nếu điện áp vận hành PV thay đổi và công suất tăng (dP/dVPV> 0), hệ thống kiểm soát di chuyển các điểm hoạt động PV theo hướng đó; nếu không điểm hoạt động được di chuyển theo hướng ngược lại. Trong chu kỳ nhiễu loạn tiếp theo thuật toán tiếp tục theo một cách tương tự. Một vấn đề phổ biến ở thuật toán P & O là điện áp đầu cuối luôn bị bị xáo trộn trong mỗi chu kỳ MPPT. Do đó, khi MPP đạt được, công suất đầu ra dao động quanh mức tối đa, làm giảm nguồn năng lượng tạo ra bởi hệ thống PV. Điều này chủ yếu đúng trong điều kiện khí quyển không đổi hoặc chậm thay đổi trong điều kiện khí quyển iii
7. ABSTRACT The lack of energy is a serious problem for many countries around the world. To solve the above problem, renewable energy sources, especially solar energy is being considered as a additional energy source. But the main difficulty of using solar energy is the high investment cost, low perfomance. In this thesis, the research mission control algorithm for inverter grid system of solar power in Energy Conservation Center of Tien Giang. However, writing is only optimal problem-solving capacity. Algorithm to find the maximum power point of the photovoltaic system is proposed in this thesis is the algorithm that P & O. The P&O algorithms operate by periodically perturbing (i.e. incrementing or decrementing) the array terminal voltage and comparing the PV output power with that of the previous perturbation cycle. If the PV array operating voltage changes and power increases (dP/dVPV>0), the control system moves the PV array operating point in that direction; otherwise the operating point is moved in the opposite direction. In the next perturbation cycle the algorithm continues in the same way. A common problem in P&O algorithms is that the array terminal voltage is perturbed every MPPT cycle; therefore when the MPP is reached, the output power oscillates around the maximum, reducing the generable power by the PV system. This is mainly true in constant or slowly-varying atmospheric conditions but also under rapidly changing atmospheric conditions. iv
8. MỤC LỤC Trang tựa Trang LÝ LỊCH KHOA HỌC i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii MỤC LỤC HÌNH ix Chương 1 1 TỔNG QUAN 1 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố 1 1.2 Lý do chọn đề tài 7 1.3 Mục đích đề tài nghiên cứu 8 1.4 Nhiệm vụ đề tài và giới hạn đề tài 8 1.5 Phương pháp nghiên cứu 9 1.6 Điểm mới của luận văn 9 1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn 9 1.8 Nội dung của luận văn 9 Chương 2 10 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10 2.1 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập 10 2.1.1 Bộ biến đổi DC/DC 10 2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 18 2.1.3 Bộ biến đổi DC/AC 19 2.2 Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT 20 2.2.1 Giới thiệu chung 20 2.2.2 Nguyên lý dung hợp tải 22 v
9. 2.2.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 23 2.3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O 24 2.4 Phương pháp điều khiển MPPT 26 2.4.1 Phương pháp điều khiển PI 26 2.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 27 2.4.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 28 2.5 Kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện 29 2.5.1 Sự cần thiết của việc kết nối hệ thống pin mặt trời với lưới điện 29 2.5.2 Các điều kiện hòa nguồn năng lượng mặt trời với lưới điện 31 2.5.2.1 Điều kiện về biên độ điện áp 31 2.5.2.2 Điều kiện về tần số 32 2.5.2.3 Điều kiện về thứ tự pha 33 2.5.2.4 Điều kiện về góc lệch pha 34 Chương 3 35 MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT P&O VÀ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG BOOST ĐIỆN ÁP DC 35 3.1 Tổng quan về hệ thống boost điện áp DC 35 3.1.1 Mô hình mạch Boost PFC 1 nhánh 35 3.1.2 Mô hình mạch Boost PFC n nhánh 39 3.2 Giải thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC 41 3.2.1 Giải thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC 41 3.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống Boost DC 42 3.3 Mô hình và mô phỏng giải thuật P&O 43 3.3.1 Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời 43 3.3.2 Nghiên cứu Solar cell 43 3.3.2.1 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi 43 3.3.2.2 Khi Is thay đổi 44 3.3.2.3 Khi thay đổi nhiệt độ T 45 3.3.3 Phân tích giải thuật P&O 46 3.3.4 Mô phỏng giải thuật P&O 51 vi
10. Chương 4 53 THIẾT KẾ VÀ MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI 53 4.1 Cơ sở lý thuyết 53 4.1.1 Bộ nghịch lưu áp 53 4.1.2 Các phương pháp điều chế 54 4.2 Tổng quan về nghịch lưu 1 pha 58 4.2.1 Mô hình nghịch lưu 1 nhánh (Single Leg Inverter) 58 4.2.2 Mô hình nghịch lưu cầu 1 pha 59 4.3 Bộ điều khiển nghịch lưu hòa lưới 60 4.3.1 Giới thiệu .60 4.3.2 Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần 60 4.3.3 Mô hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời hòa lưới 63 4.3.3.1 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab 63 4.3.3.2 Kết quả mô phỏng hệ thống điện mặt trời hòa lưới 65 Chương 5 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 vii
11. DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT - PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng - MPP (Maximum Power Point): Điểm công suất cực đại - MPPT (Maximum Power Point Tracking): Dò tìm điểm công suất cực đại - Hệ MPPT: Ứng dụng điều khiển cho pin quang điện photovoltaic (PV) - P&O (Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi để đạt đến điểm cực đại), còn gọi là phương pháp “Hill climbing: Leo đồi” - IncCond (Incremental Conductance): Thuật toán độ dẫn - AC (Alternating Current): Dòng điện xoay chiều - DC (Direct Current): Dòng điện một chiều - CC (Constant Current): Giải thuật dòng điện không đổi - CV (Constant Voltage): Giải thuật điện áp không đổi - PID (Proportional Intergral Derivative): Đạo hàm và tích phân với số liệu là một dãy giá trị - PD (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ vi phân. - PI (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân. - PID (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân. - PWM (Pulse-width modulation): Điều chế độ rộng xung - IR (Infrared): Tia hồng ngoại - UV ( UltraViolet): Tia cực tím - AM (Air Mass ratio): Tỷ số khối khí Phổ bức xạ - FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy viii
12. DANH MỤC CÁC HÌNH Trang Hình 1.1: Phân bố tổng giờ nắng 3 tháng 3 Hình 1.2: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp P&O 5 Hình 1.3: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp INC 6 Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 11 Hình 2.2: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 12 Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 13 Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 14 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 14 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cúk 15 Hình 2.7: Sơ đồ mạch bộ Cúk khi khoá SW mở thông dòn 16 Hình 2.8: Sơ đồ mạch Cúk khi khoá SW đóng 16 Hình 2.9: Mạch vòng điều khiển điện áp 18 Hình 2.10: Mạch vòng dòng điện phản hồi 19 Hình 2.11: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu (a) và hình cầu (b) 19 Hình 2.12: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge 20 Hình 2.13: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge 20 Hình 2.14: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị điện trở được 21 Hình 2.15: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được 21 Hình 2.16: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D 23 Hình 2.17: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ 23 Hình 2.18: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ 24 ix
13. Hình 2.19: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 24 Hình 2.20: Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O 25 Hình 2.21: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 26 Hình 2.22: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 27 Hình 2.23: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D 27 Hình 2.24: Sơ đồ véc tơ khi điện áp không thỏa mãn 32 Hình 2.25: Sơ đồ hệ thống ba pha véc tơ quay 34 Hình 3.1: Sơ đồ mạch boost PFC 35 Hình 3.2: Dòng điện và điện áp vào bộ boost PFC 35 Hình 3.3: Sơ đồ thay thế khi van đóng 36 Hình 3.4: Sơ đồ tương đương khi van cắt 37 Hình 3.5: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục 38 Hình 3.6: Mạch boost PFC với n – giai đoạn 40 Hình 3.8: Nguyên lý hệ thống Boost DC 41 Hình 3.9: Cấu trúc khối giải thuật hệ thống boost DC 42 Hình 3.10: Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp hệ thống boost DC 42 Hình 3.11: Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời 43 Hình 3.12: Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs 44 Hình 3.13: Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi 45 Hình 3.14: Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi 46 Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật P&O 47 Hình 3.16: Sơ đồ hệ thống pin năng lượng mặt trời hòa lưới 48 Hình 3.17: Công suất thay đổi khi cường độ thay đổi 48 Hình 3.18: Sơ đồ bộ điều khiển MPPT sử dụng thuật toán P&O 50 Hình 3.19: Bức xạ thay đổi ngẫu nhiên trong phạm vi từ 300 lux đến 950 W/m2 50 Hình 3.20: Điện áp ra của pin mặt trời sử dụng thuật toán P&O 50 Hình 3.21: Công suất ra của pin mặt trời sử dụng thuật toán P&O 51 Hình 3.22: Điện áp ra của pin mặt trời có và không có bộ điều khiển MPPT 51 x
14. Hình 3.23: Công suất ra của pin mặt trời có và không có bộ điều khiển MPPT 52 Hình 4.1: Dạng sóng đầu ra theo phương pháp điều chế độ rộng xung (vo1 thành phần sin cơ bản, v i điện một chiều vào bộ nghịch lưu, vo điện áp ra ) 54 Hình 4.2: Nguyên lý điều chế SPWM một pha 55 Hình 4.3: Nghịch lưu áp ba pha 55 Hình 4.4: Nguyên lý điều chế SPWM ba pha 56 Hình 4.5: Cấu trúc nghịch lưu 1 nhánh 58 Hình 4.6: Sơ đồ nguyên lý kỹ thuật CPWM 59 Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu 1 pha 59 Hình 4.8: Mạch động lực biến tần 60 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển 61 Hình 4.10: Sóng sin tham chiếu đã chỉnh lưu 61 Hình 4.11: Sóng tam giác tần số cao 62 Hình 4.12: Mô phỏng xung kích G1, G2, G3, G4 khi sử dụng mạch tương tự 63 Hình 4.13: Sơ đồ lý của phương pháp điều chế PWM bằng vi xử lý 63 Hình 4.14: Mô phỏng xung kích G1, G2, G3, G4 khi sử dụng mạch vi xử lý 64 Hình 4.15: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời hòa lưới điều chỉnh điện áp sau nghịch lưu 65 Hình 4.16: Dạng sóng điện áp lưới và điện áp NLMT điều chỉnh điện áp sau nghịch lưu 65 Hình 4.17: Dòng điện trên tải RL của bộ nghịch lưu hòa lưới điều chỉnh điện áp sau nghịch lưu 66 Hình 4.18: Phân tích sóng hài dòng tải hệ thống điện mặt trời hòa lưới điều chỉnh điện áp sau nghịch lưu 66 xi
15. DANH MỤC CÁC BẢNG Trang Bảng 1.1:Số giờ nắng (SGN) và chuẩn sai (CS) tại một số trạm (giờ) .4 Bảng 3.1: Giá trị Vm, Pm khi Rs thay đổi 44 Bảng 3.2: Giá trị Vm, Pm khi Is thay đổi 45 Bảng 3.3: Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi 46 xii
16. Chương 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố: Năng lượng có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì mức tăng trưởng kinh tế cao, cải thiện đời sống nhân dân, góp phần đảm bảo an ninh chính trị, an ninh năng lượng và phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh (phụ tải tăng). Cùng với sự biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, sẽ dần cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch, thủy điện, đã để lại cho con người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn. Cụ thể, khi sử dụng nguồn nguyên liệu này thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển từ đó làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đến cuộc sống của con người trong hiện nay và trong tương lai. Ngày nay, khi tiềm năng thủy điện được khai thác gần hết, còn nguyên liệu như than đá, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và sẽ cạn kiệt trong tương lai, còn năng lượng nguyên tử chứa đựng nhiều yếu tố nguy hiểm do sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành yêu cầu cấp thiết của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước đang phát triển và đã đạt được nhiều thành công nhất định như sự ra đời của các nhà máy phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn MW. Tuy nhiên các nguồn năng lượng này tương đối phụ thuộc vào tự nhiên. Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta triển khai khá mạnh mẽ bởi tính ưu việc của nó như luôn có sẵn, siêu sạch và gần 1
17. như vô tận. Vì vậy, chúng ta cần nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và hiệu quả nhất. Chính vì vậy, việc tập trung chỉ đạo, đầu tư cho phát triển nguồn năng lượng luôn được Đảng và Nhà nước ta chú trọng, đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, gió, thủy điện. Hiện nay, năng lượng gió tạo ra trên thế giới hàng năm tăng 20% với sản lượng điện năng năm 2011 đạt 238.000 MW và tổng sản lượng năng lượng mặt trời trên toàn thế giới đã đạt 67.000 MW. Trên thực tế, hệ thống năng lượng mặt trời với công suất lớn có thể cung cấp tin cậy một phần năng lượng trên toàn thế giới. Trong khi đó ở Việt Nam, theo chiến lược phát triển năng lượng quốc gia giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt, lượng năng lượng tái tạo và năng lượng mới sẽ đạt mức 5,6% tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020 và tăng trưởng đến mức 9,4% vào năm 2030 [3]. Vì nguồn năng lượng này có nhiều ưu điểm như chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này vô cùng phong phú. Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo nên chúng ta có nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt năng lượng mặt trời có cường độ bức xạ tương đối cao, với bức xạ trung bình đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày. Các khu vực có cường độ ánh sáng cao phải kể đến khu vực phía Nam có những khu vực cường độ ánh sáng lên đến 5 kWh/m2 thời gian nắng lên đến 7000 h/năm. Như vậy có thể nói ở khu vực phía Nam là nơi thuận lợi để khai thác tiềm năng năng lượng mặt trời. Các khu vực còn lại như ở phía Bắc do điều kiện khí hậu 4 mùa thay đổi do đó thời gian có năng ở khu vực này không cao, cường độ ánh sáng trung bình thấp, chỉ có một vài tháng hè có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời gian trung bình có nắng trong năm lại thấp do đó ở các khu vực này khó sử dụng pin mặt trời hơn, nếu sử dụng thì sản lượng điện thu được cũng không cao do đó tính hiệu quả kinh tế sẽ thấp. 2
18. Tổng số giờ nắng (TSGN) trong 3 tháng VI-VIII/2014 dao động từ 400 đến trên 700 giờ ở đại bộ phận diện tích cả nước. Trong đó, khu vực ven biển từ Hà Tĩnh đến Ninh Thuận có TSGN cao nhất từ 600 đến trên 700 giờ. Đáng chú ý, các khu vực đo được TSGN cao nhất là ở Nha Trang (Khánh Hòa): 725 giờ và Quy Nhơn (Bình Định): 707 giờ. Ngược lại, TSGN thấp nhất đo được là 304 giờ tại Sa Pa (Lào Cai). TSGN hụt chuẩn từ 1 đến 250 giờ ở phần lớn diện tích cả nước. Trong khi đó, TSGN vượt chuẩn từ 1 đến 70 xảy ra ở đa phần diện tích Tây Bắc và Nam Bộ. TSGN tháng VIII dao động từ 100 đến 200 giờ ở hầu hết diện tích cả nước; riêng tại Chi Nê (Hòa Bình) và Hồi Xuân (Thanh Hóa) có TSGN dưới 100 giờ. Trong tháng này, TSGN hụt chuẩn từ 1 đến gần 100 giờ ở hầu hết diện tích phía Bắc (từ Quảng Nam trở ra) và vượt chuẩn từ 1 đến 65 giờ ở phía Nam (từ Quảng Ngãi trở vào) (Hình 1.1, Bảng 1). Hình 1.1: Phân bố tổng giờ nắng 3 tháng 3
19. Bảng 1.1: Số giờ nắng (SGN) và chuẩn sai (CS) tại một số trạm (giờ) Vì vậy, ở khu vực phía Nam nói chung và Tiền Giang nói riêng rất thích hợp trong việc sử dụng Pin mặt trời (pin quang điện) là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện. Tuy nhiên, với tiềm năng lớn song năng lượng mặt trời đang gặp khó khăn nhất định như giá thành cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp. Chi phí đầu tư pin năng lượng mặt trời còn khá cao tức khoảng 1.1 đến 1.5 USD/Wp. Vì vậy, để giảm giá thành và nâng hiệu suất của pin thì các nhà khoa học đã nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất pin theo hướng cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng và sử dụng bộ điều khiển dò điểm công suất cực đại là phương pháp tiếp cận được sử dụng để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời do đó năng lượng phát ra từ pin mặt trời có thể được trích xuất tối đa. Có nhiều phương pháp MPPT (Maximum power point tracking - Điều khiển bám điểm công suất cực đại). MPPT đã được phát triển và thực hiện bởi các nhà 4
20. nghiên cứu thế kỷ 20. Nhìn chung, các kỹ thuật MPPT có thể được chia thành hai loại, cụ thể là các phương pháp trực tiếp và gián tiếp. Các phương pháp MPPT trực tiếp bao gồm phương pháp nhiễu và quan sát (P&O), phương pháp gia tăng độ dẫn (INC: Incremental Conductance), phương pháp hồi tiếp điện áp hoặc dòng điện, phương pháp logic mờ (FLC: Fuzzy logic controller) và phương pháp nơron. Các phương pháp gián tiếp bao gồm điện áp PV vòng hở, dòng PV ngắn mạch, Các phương pháp sử dụng phổ biến là P&O và INC Phương pháp P&O là phương pháp được sử dụng rộng rãi trong MPPT vì có cấu trúc cơ bản, đơn giản và nó đòi hỏi chỉ có một vài thông số (hình 1.2). Tuy nhiên, phương pháp P&O truyền thống có đáp ứng kém khi cường độ chiếu sáng của mặt trời thay đổi nhanh. Hình 1.2: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp P&O Giải thuật P&O cải tiến theo phương pháp so sánh công suất trung bình của nhóm tác giả “Dezso Sera, et.al, Aalborg University/Institute of Energy Technology, Aalborg, Denmark” khắc phục được nhược điểm này, tuy nhiên tôi đề ra một phương pháp tiếp cận khác của giải thuật P&O dựa vào bản chất dòng ngắn 5
21. mạch Isc của pin quang điện. Giải thuật tiếp cận này cũng khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, và tỏ ra có một số ưu điểm với P&O cải tiến theo phương pháp so sánh công suất trung bình. Phương pháp INC là phương pháp dựa trên việc phân tích đạo hàm của công suất theo điện áp. Ở bên trái điểm cực đại, đạo hàm có giá trị dương. Ở bên phải điểm cực đại, đạo hàm có giá trị âm. = 0 Tại điểm MPP 0 Bên trái điểm MPP 0 Bên phải điểm MPP Phương pháp INC dựa trên việc so sánh những biểu thức trên để xác định điểm cực đại. Tỷ số độ thay đổi dòng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dòng điện và điện áp tức thời để biết được PV đang vận hành ở bên trái hay bên phải so với điểm cực đại. Khi điểm vận hành của PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ được giữ không đổi. Khi có sự thay đổi về điều kiện môi trường và tải, giải thuật sẽ so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt công suất cực đại mới (hình 1.3) Hình 1.3: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp INC 6
22. S K L 0 0 2 1 5 4