Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại

Nội dung text: Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lượng mặt trời tại điểm công suất cực đại

1. NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI TẠI ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI Lê Thuận Thái Hòa 1. Đặt vấn đề Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn nhiên liệu sơ cấp truyền thống (nƣớc, nhiên liệu hóa thạch, ). Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng nhƣ nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lƣợng tái tạo, đặc biệt là năng lƣợng mặt trời, đề tài “Nghiên cứu vận hành hệ thống điện năng lƣợng mặt trời tại điểm công suất cực đại” là thật sự cần thiết để đƣợc nghiên cứu và triển khai. 2. Pin quang điện Năng lƣợng mặt trời có thể đƣợc xem nhƣ là một trong các dạng quang năng mà có thể đƣợc biến đổi thành điện năng. Về cơ bản có 2 hình thức biến đổi: - Quang năng đƣợc chuyển thành nhiệt năng và nhiệt năng đƣợc chuyển thành điện năng. - Quang năng đƣợc trực tiếp chuyển thành điện năng (thông qua các pin quang điện, photovoltaic (PV)). Đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dƣới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau và trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P sẽ tồn tại một điểm duy nhất mà đƣợc gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP). Vị trí của các MPP là không xác định đƣợc, nhƣng có thể đạt đƣợc thông qua các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm. Sau khi các MPP đã đƣợc xác định, các kỹ thuật bám MPP sẽ đƣợc sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV luôn luôn là MPP. 1
2. 3. Thuật toán tìm điểm công suất cực đại Bài báo trình bày thuật toán InC và thuật toán InC cải tiến. 3.1. Thuật toán InC Giải thuật này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đƣờng đặc tính V-P của PV bằng 0 tại MPP. Độ dốc này là dƣơng khi ở bên trái MPP và là âm khi ở bên phải MPP. Thể hiện nhƣ sau: dP/dV = 0, tại MPP; dP/dV > 0, bên trái MPP; dP/dV - I/V, bên trái MPP dI/dV < - I/V, bên phải MPP 2
3. Hình 2. Lƣu đồ thuật toán InC * Ƣu điểm chính của phƣơng pháp này là có dao động nhỏ nhất quanh MPP hơn phƣơng pháp P&O. * Nhƣợc điểm của phƣơng pháp này là mạch điều khiển phức tạp. Giá trị và tốc độ hội tụ có thể bị ảnh hƣởng. Bên cạnh đó, thông thƣờng phƣơng pháp cần sử dụng 2 cảm biến để đo giá trị dòng điện và điện áp, nên chi phí lắp đặt có thể cao. 3.3. Thuật toán InC cải tiến Nhằm mục tiêu nâng cao tốc độ và giá trị hội tụ của thuật toán bám MPP, đề tài nghiên cứu đề xuất một giải thuật InC cải tiến nhƣ sau: + Đề xuất 1: Để thuật toán có thể làm việc hiệu quả hơn thì khi có sự thay đổi của cƣờng độ bức xạ, thuật toán tạm thời giữ nguyên điện áp đang hoạt động ở điểm công suất 3
4. cực đại cũ và cho đến khi cƣờng độ bức xạ ổn định thì tiếp tục tìm kiếm điểm công suất cực đại. Khi ấy, cần giải pháp nhận biết có sự thay đổi của cƣờng độ bức xạ. Đối với m i loại PV, tƣơng ứng với m i cƣờng độ bức xạ, Gi sẽ là một giá trị dòng điện ngắn mạch, Isci mà phụ thuộc vào bản chất vật lý của PV. Đặc tính V-I của PV đƣợc viết lại nhƣ sau: q V IR s V IR I I I e kT 1 s sc 0 R p Vì vậy, dựa vào phƣơng trình trên sẽ xác định đƣợc cƣờng độ dòng điện ngắn mạch của PV, Isc. Kết luận rằng: - Nếu không có sự thay đổi của cƣờng độ bức xạ, thì điểm làm việc ở bất kỳ vị trí nào đều có giá trị dòng điện ngắn mạch, Isc là giống nhau. Nếu có sự thay đổi của cƣờng độ bức xạ, thì giá trị dòng điện ngắn mạch, Isc sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với cƣờng độ bức xạ. Nhƣ vậy, Isc trong trƣờng hợp này có thể đƣợc sử dụng làm cơ sở so sánh để nhận biết sự tồn tại của sự thay đổi cƣờng độ bức xạ. + Đề xuất 2: Thêm vào đó, để nâng cao hơn nữa tốc độ hội tụ cho thuật toán InC, giá trị điện áp, VMPP tại điểm công suất cực đại đƣợc giới hạn trong phạm vi mà đƣợc dựa trên giải thuật điện áp hằng số. Khi ấy: V 73 80% V MPP oc Kết hợp 2 đề xuất trên cho việc cải tiến thuật toán InC sẽ nâng cao đƣợc giá trị và tốc độ hội tụ của thuật toán. 4
5. Hình 3. Lƣu đồ thuật toán InC cải tiến 4. Kết quả mô phỏng Các kết quả mô phỏng đƣợc thực hiện trên một pin quang điện với các thông số tƣơng ứng nhƣ sau: - Mã pin quang điện: RS-P618-22 - Công suất cực đại của pin quang điện, Pmax = 22 W - Điện áp tại điểm công suất cực đại của pin quang điện, Vmpp = 17,64 V - Cƣờng độ dòng điện tại điểm công suất cực đại của pin quang điện, Impp = 1,25 A - Cƣờng độ dòng điện ngắn mạch của pin quang điện, Isc = 1,34 A - Điện áp hở mạch của pin quang điện, Voc = 21,99 V 5
6. Hình 4. Đặc tính V-I của pin quang điện Hình 5. Đặc tính V-P của pin quang điện Hình 6. Đặc tính V-I của pin quang điện RS-P618-22 trong trƣờng hợp: nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2) 6
7. Hình 7. Đặc tính V-P của pin quang điện RS-P618-22 trong trƣờng hợp: nhiệt độ không đổi (t = 250C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m2  5kW/m2) Hình 8. Đặc tính V-I và V-P của pin quang điện RS-P618-22 trong trƣờng hợp: nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m2) Hình 9. Đặc tính V-I và V-P của pin quang điện RS-P618-22 trong trƣờng hợp: nhiệt độ thay đổi (t = 250C  1000C) và bức xạ mặt trời không đổi (G = 1 kW/m2) 7
8. a) b) 8
9. c) Hình 10. Mô phỏng thuật toán InC và InC cải tiến cho pin quang điện với: nhiệt độ, T = 250C và không thay đổi; bức xạ mặt trời, G đƣợc thay đổi. 5. Kết luận Bài báo đã nghiên cứu và đề xuất thành công thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến đƣợc dựa trên cƣờng độ dòng điện ngắn mạch, Isc; giới hạn dao động của VMPP so với Voc. Mô phỏng hệ pin mặt trời bám điểm công suất cực đại với giải thuật đã đề xuất và thực hiện các so sánh. Các kết quả mô phỏng đạt đƣợc cho thấy tính khả thi của giải thuật đề xuất trong bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện. 6. Tài liệu tham khảo [1] Trang thông tin điện tử - Dự án năng lƣợng tái tạo - www.renewableenergy.org.vn 9
10. [2] Đặng Đình Thống, Cơ sở năng lƣợng mới và tái tạo, Nhà xuất bản khoa học kỹ thuật, 2006. [3] N. Femia, D. Granozio, G. Petrone, G. Spaguuolo, M. Vitelli, “Optimized one- cycle control in photovoltaic grid connected applications”, IEEE Trans. Aerosp. Electron. Syst., Vol. 2, No. 3, 2006. [4] W. Wu, N. Pongratananukul, W. Qiu, K. Rustom, T. Kasparis and I. Batarseh, “DSP-based multiple peak power tracking for expandable power system”, Proc. APEC, 2003. [5] C. Hua and C. Shen, “Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system”, Proc. APEC, 1998. [6] D. P. Hohm and M. E. Ropp, “Comparative study of maximum power point tracking algorithms using an experimental, programmable, maximum power point tracking test bed”, Proc. Photovoltaic Specialist Conference, 2000. [7] K. H. Hussein, I. Muta, T. Hoshino and M. Osakada, “Maximum power point tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions”, IEE Proc. Gener. Transm. Distrib., Vol. 142, No. 1, 1995. [8] X. Sun, W. Wu, X. Li and Q. Zhao, “A research on photovoltaic energy controlling system with maximum power point tracking”, Power Conversion Conference, 2002. [9] T. L. Kottas, Y. S. Boutalis and A. D. Karlis, “New maximum power point tracker for PV arrays using fuzzy controller in close cooperation with fuzzy cognitive network”, IEEE Trans. Energy Conv., Vol. 21, No. 3, 2006. [10] J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, and C. Chen, “Maximum power tracking for photovoltaic for power systems”, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 8, No. 2, 2005. [11] D. Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu and F. Blaabjerg, “Improved MPPT algorithms for rapidly changing environmental conditions”, IEEE Conference, 2008. 10
11. [12] M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb and A. M. Ariffin, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using Artificial neural network”, Malaysian Journal, 2012. [13] B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari and M. Bhowmik, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module”, International Journal of Advances in Engineering and Technology, IJAET, Vol.4, Iss. 1, pp. 579-591, 2012. [14] G. Deb and A. B. Roy, “Use of solar tracking system for extracting solar energy”, International Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol. 4, No. 1, pp. 42-46, 2012. [15] T. Tudorache, C. D. Oancea, L. Kreindler, “Performance evaluation of solar tracking PV panel”, U. P. B. Sci. Bull, Vol. 74, Iss. 1, pp. 3-10, 2012. [16] J. Rizk and Y. Chaiko, “Solar tracking system: more efficient use of solar panels”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol. 41, pp. 313-315, 2008. [17] N. Barsoum, P. Vasant, “Simplified solar tracking prototype”, Global Journal on Technology & Optimization, Vol. 1, pp. 38-45, 2010. [18] G. M. Master, Renewable and efficient electric power systems, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004. [19] D. P. Hohm and M. E. Ropp, “Comparative study of maximum power point tracking algorithms”, IEEE Conference, 2008. [20] www.redsun-vn.com [21] Phạm Văn Để, Điều khiển tối ƣu hệ thống pin quang điện, Luận văn Thạc Sĩ, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM, 2014. [22] Trầm Minh Tuấn, Nghiên cứu và thiết kế hệ thống điện mặt trời thích nghi và tối ƣu, Luận văn Thạc Sĩ, Trƣờng Đại học Sƣ phạm Kỹ thuật Tp. HCM, 2013. [23] Nguyễn Mạnh Tƣờng, Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm, Luận văn Thạc Sĩ, Trƣờng Đại học Bách Khoa Tp. HCM, 2014. 11
12. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2017-2018 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.