Nghiên cứu hệ thống điều khiển, tối ưu điều phối điện năng trong hệ thống điện năng lượng mặt trời

Mục tiêu và mục đích nghiên cứu Mục tiêu: Xác định cấu trúc mô hình và các biểu thức toán học của các thành phần tham gia trong hệ thống tiêu thụ năng lượng, từ đó xây dựng bài toán tối

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-

NGÔ NHẬT HUY

NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN, TỐI ƯU ĐIỀU PHỐI ĐIỆN NĂNG TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa

Mã số : 60.52.02.16

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng - Năm 2017

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS GIÁP QUANG HUY

Phản biện 1: TS Nguyễn Lê Hòa

Phản biện 2: TS Nguyễn Văn Sum

Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt

nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại

Trường Đại học Bách khoa vào ngày 07 tháng 07 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa

 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Trong giai đoạn hiện nay, năng lượng nói chung và năng lượng điện nói riêng đóng một vai trò rất quan trọng trong mọi lĩnh vực đời sống kinh tế xã hội Nước ta là một nước đang phát triển, chính vì thế, nhu cầu về sử dụng năng lượng rất lớn, tuy nhiên lại bị hạn chế

về mặt năng lượng, đặc biệt là năng lượng điện Chính vì thế việc sử dụng và khai thác không hợp lý gây ra nhiều hậu quả nghiêm trọng

2 Mục tiêu và mục đích nghiên cứu

Mục tiêu: Xác định cấu trúc mô hình và các biểu thức toán học của các thành phần tham gia trong hệ thống tiêu thụ năng lượng, từ

đó xây dựng bài toán tối ưu cho hàm mục tiêu nhằm chuyển đổi sử dụng nguồn năng lượng từ pin mặt trời trong các giờ cao điểm Mục đích: Giảm điện năng tiêu thụ từ lưới điện trong giờ cao điểm, góp phần giảm thiểu chi phí ở mức thấp nhất cho việc tiêu thụ năng lượng của tải

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Các phụ tải tiêu thụ điện, hệ thống điện mặt trời độc lập, nối lưới

- Phạm vi nghiên cứu: Các hệ thống tiêu thụ điện trong các khu dân cư, hộ gia đình

4 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu sách, báo, giáo trình, bài giảng trong và ngoài nước

- Phương pháp thực nghiệm: Áp dụng các lý thuyết đã nghiên cứu để xây dựng các biểu thức toán học nhằm giải quyết bài toán tối

ưu trong việc sử dụng hệ thống năng lượng mặt trời thông qua việc

mô phỏng hệ thống

-

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Ý nghĩa khoa học: Từ kết quả nghiên cứu của đề tài góp phần làm cơ sở cho việc định hướng khai thác, hoạch định tài nguyên năng

lượng một cách hợp lý

- Ý nghĩa thực tiễn: Sử dụng năng lượng thay thế hiệu quả trong các giờ cao điểm đối với phụ tải điện qua đó tiết kiệm được điện năng, giảm chi phí ở mức thấp nhất, góp phần cải thiện môi trường, từ đó có thể nhân rộng việc áp dụng giải pháp cho các hộ gia đình hoặc cơ sở sản xuất khác

6 Cấu trúc của luận văn

Nội dung của luận văn gồm có năm chương sau:

Chương 1 – Giới thiệu

Chương 2 – Cấu trúc hệ thống

Chương 3 – Mô hình hóa hệ thống

Chương 4 – Quản lý năng lượng tối ưu cho hệ thống

Chương 5 – Mô phỏng và kết quả

CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU

1.1 NHU CẦU VỀ NĂNG LƯỢNG HIỆN NAY

Trong những năm gần đây, sự phát triển của đất nước ta nói chung cũng như tại các khu dân cư, hộ gia đình nói riêng phát triển với tốc độ ngày càng nhanh Kinh tế phát triển cũng đồng nghĩa với việc khai thác, chế biến và sử dụng chưa hợp lý các nguồn tài nguyên thiên nhiên dẫn đến nhu cầu về năng lượng ngày một gia tăng

1.2 SỰ CẦN THIẾT TRONG VIỆC TIẾT KIỆM ĐIỆN NĂNG

Sở dĩ chúng ta phải tiết kiệm điện năng là vì:

- Điện năng tiêu thụ rất lớn trong khi khả năng cung cấp điện của các nhà máy điện không đáp ứng đủ nhu cầu

- Điện là nhân tố gây ra hiệu ứng nhà kính, làm trái đất nóng lên, ô nhiễm môi trường

Tiết kiệm điện là tiết kiệm tài nguyên thiên nhiên của chính chúng ta

1.3 CÁC GIẢI PHÁP ĐÁP ỨNG NHU CẦU NĂNG LƯỢNG

Việc lựa chọn thiết bị tiết kiệm điện; lắp đặt hợp lý, khoa học; điều chỉnh thói quen sử dụng đồ điện là những giải pháp giúp tiết kiệm điện năng trong các hộ gia đình hoặc các khu chung cư

Ngoài những phương pháp thông dụng, trong luận văn này sẽ

đề cập đến một phương án đó là cần có cơ chế chính sách khuyến khích sử dụng đối với nguồn năng lượng tái tạo, trước hết là năng lượng gió, năng lượng mặt trời và năng lượng sinh học Tuy nhiên trong bối cảnh hiện nay, do đầu tư công nghệ và chi phí lớn, nên sản phẩm năng lượng đầu ra của các loại năng lượng và nhiên liệu này còn cao

1.4 VAI TRÒ CỦA VIỆC SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN ĐỘC LẬP VÀ NỐI LƯỚI

Năng lượng tái tạo đã và đang là một xu hướng và sẽ chiếm

phần lớn trong việc tạo ra điện trên thế giới Các nhà máy điện truyền

thống sẽ dần bị thay thế bởi các Trang trại điện mặt trời/điện gió

(Solar Farm/Wind Farm)

Ưu thế trong việc sử dụng của năng lượng mặt trời:

Việt Nam có tiềm năng về nguồn năng lượng mặt trời, có thể

khai thác cho các sử dụng như: đun nước nóng, phát điện và các ứng

dụng khác như: sấy, đun nấu Việt Nam được xem là một quốc gia

có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ mặt

trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Ở Việt Nam, với tổng số giờ nắng

trong năm dao động trong khoảng 1.400-3.000 giờ/năm

Những tiện ích mà điện năng lượng mặt trời mang lại:

- Năng lượng mặt trời không đòi hỏi bất cứ nguồn nhiên liệu

nào, hoàn toàn miễn phí và thiết thực;

- Giúp tiết kiệm tiền điện cho người sử dụng hàng tháng;

- Tạo ra một nguồn điện độc lập, xanh sạch và bảo vệ môi

trường;

- Cung cấp nguồn điện liên tục kể cả khi điện lưới bị cắt

Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời,

đồng thời có được sự thay thế sử dụng năng lượng mặt trời một cách

tối ưu trong các giờ cao điểm cho các tải tiêu thụ điện, góp phần tiết

kiệm năng lượng cũng như giảm tải cho lưới điện quốc gia một phần

năng lượng Bên cạnh đó, nguồn năng lượng mặt trời có thể được dự

trữ góp phần giảm quá tải của nguồn lưới vào giờ cao điểm

CHƯƠNG 2 - CẤU TRÚC HỆ THỐNG

2.1 GIỚI THIỆU HỆ THỐNG

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Các bộ phận chính của hệ thống nối lưới được thể hiện trongHình 2.1 gồm có: bộ phát điện bằng pin mặt trời (PV), hệ thống pin lưu trữ năng lượng (batteries), các tải tiêu thụ (Loads), nguồn điện lưới (Grid) và các bộ chuyển đổi điện áp (converters)

Ưu điểm giải pháp:

 Không phụ thuộc điện lưới

 Được thiết kế dạng module, dễ dàng nâng cấp công suất sau này

 Có nhiều loại ắc quy linh động trong việc lựa chọn sử dụng: 12V, 24V, 36V, 48V hay 60V

 Giải pháp đã có các chức năng bảo vệ cho hệ thống khi hoạt động: quá dòng, quá áp, quá tải, ngược cực…

 Chế độ làm việc của inverter hoàn toàn tự động, có màn

hình theo dõi kiểm soát hệ thống và có các cảnh báo lỗi kịp thời khi có sự cố

 Hệ thống có thể giám sát từ xa qua hệ thống Ethernet Với hệ thống đã giới thiệu như hình 2.1 là một hệ thống điện mặt trời nối lưới là giải pháp tối ưu về chi phí đầu tư và chi phí sử dụng điện, đặc biệt thích hợp cho hộ gia đình, nhà máy, tòa nhà… những nơi đã có điện lưới Hiện nay, việc điện mặt trời tạo ra này có thể bán lại cho các công ty điện lực đang là xu hướng tại nhiều nước trên thế giới, kể cả Việt Nam

2.2 CẤU TRÚC VÀ CÁC BỘ PHẬN CẤU THÀNH HỆ THỐNG

sử dụng điện trong trường hợp xảy ra thiên tai

2.2.2 Cấu tạo và hoạt động pin mặt trời (PV)

Pin mặt trời hay pin quang điện (ký hiệu là PV), là hệ thống các tấm vật liệu đặc biệt có khả năng chuyển đổi quang năng của ánh sáng mặt trời thành điện năng Pin mặt trời được cấu tạo bằng các tế bào quang điện (cells) đơn tinh thể (monocrystalline) và đa tinh thể (polycrystalline) có hiệu suất cao (15% - 18%), công suất từ 25Wp đến 240Wp và có tuổi thọ trung bình 30 năm

2.2.2.1 Hiệu ứng quang điện

Hiệu ứng quang điện là một hiện tượng điện - lượng tử, trong

đó các điện tử được thoát ra khỏi nguyên tử (quang điện trong) hay vật chất (quang điện thường) sau khi hấp thụ năng lượng từ các photon trong ánh sáng làm nguyên tử chuyển sang trạng thái kích

thích làm bắn electron ra ngoài

2.2.2.2 Cấu tạo của pin mặt trời

Hiện nay, Silic tinh thể là vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại: đơn tinh thể, đa tinh thể

và các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể

Hiện nay, người ta đã thay thế tạo pin mặt trời bằng vật liệu SI

vô định hình (aSi) So với pin mặt trời a-Si giá thành rẻ hơn nhưng hiệu suất thấp hơn và kém ổn định

2.2.2.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

2.2.2.4 Điểm làm việc cực đại

Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ

ra giá trị công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt được khi pin mặt trời làm việc dưới điều kiện thực tế

2.2.2.5 Hiệu suất chuyển đổi năng lượng

Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu vào

ƞ =𝑃𝑚𝑎𝑥

Với: E (W/m2) : cường độ bức xạ tới

A (m2) : diện tích bề mặt của pin

Hệ số lấp đầy Kf (Fill factor)

Hệ số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của điện

áp hở mạch VOC và dòng ngắn mạch ISC

2.2.2.6 Tấm năng lượng mặt trời

Nhiều pin mặt trời tạo thành tấm năng lượng pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72 pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau Năng lượng mặt trời được chuyển hóa thành điện năng qua những tấm pin mặt trời này Mỗi pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều pin được đặc trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết

bị sử dụng

2.2.2.7 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời

Để tạo ra công suất và hiệu điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm modul lại với nhau Có hai cách ghép cơ bản:

 Ghép nối tiếp các tấm modun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

 Ghép song song các tấm modun lại sẽ cho dòng điện lớn hơn Trong thực tế, để đáp ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện phương pháp ghép hỗn hợp được sử dụng nhiều hơn

2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng nhiều trong nguồn điện một chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn một chiều có thể điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, MPPT được kết hợp cùng với bộ biến đổi DC/DC Nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời được bộ biến đổi DC/DC điều chỉnh để tìm MPPT, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải

Nhìn chung, khóa điện tử, cuộn cảm để giữ năng lượng và diode dẫn dòng là các phần tử cơ bản cho một bộ biến đổi DC/DC

Ngoài ra, đối với hệ thống pin ắc-quy, bộ biến đổi DC/DC còn

có thiết bị thực hiện chức năng điều tiết sạc cho ắc-quy Với mục đích nâng cao tuổi thọ cho bình ắc-quy đồng thời giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài, nó có chức năng bảo vệ cho ắc-quy chống nạp quá tải và xả quá sâu

Trong hệ PV, các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng gồm:

 Bộ giảm áp (buck)

 Bộ tăng áp (boost)

 Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)

 Bộ biến đổi tăng – giảm áp cúk

Yêu cầu của tải đối với điện áp ra của dãy pin mặt trời sẽ quyết định đến việc lựa chọn bộ biến đổi DC/DC nào để sử dụng trong hệ

PV

2.2.3.1 Mạch Buck

Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy với khóa K trong mạch là những khóa BJT, MOSFET, hay IGBT Khóa transistor được đóng mở với tần số cao

2.2.3.2 Mạch Boost

Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ boost được thực hiện qua cuộn kháng L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng phải phóng năng lượng qua diode tới tải

2.2.4 Bộ biến đổi DC/AC

Hệ thống độc lập thường sử dụng các bộ biến đổi loại nguồn

áp 1 pha Các loại bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành phần dòng điện sóng hài và điều chỉnh hệ số công suất để nâng cao chất lượng điện

2.2.5 Pin (Ắc-quy)

Pin hay ắc-quy là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng ắc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình ắc-quy kết nối lại với nhau

2.3 HỆ THỐNG GIÁM SÁT NGUỒN NĂNG LƯỢNG

Để thực hiện việc tối ưu quản lý nguồn năng lượng, cấu trúc

mô hình giám sát được đưa ra như hình bên dưới

Mô hình Hình 2.2 gồm có ba tầng cấu trúc Dữ liệu đầu vào và khoảng thời gian của dữ liệu đầu ra của mỗi tầng như hình

 Tầng 1: Tầng dự báo

Tầng dự báo cung cấp các dự đoán cần thiết về dữ liệu đầu vào cho tầng tối ưu Dữ liệu dự đoán đầu vào càng chính xác bao nhiêu thì mức độ hiệu quả cho việc quản lý nguồn năng lượng càng lớn

Hình 2 2 Cấu trúc hệ thống giám sát nguồn năng lượng

 Tầng 2: Tối ưu điều phối điện năng

Trong suốt quá trình tối ưu điều phối điện năng ở tầng 2, vấn

đề về quản lý năng lượng sẽ được thực hiện ở tầng này Nó được gọi

là tối ưu hóa dự đoán vì phương pháp giải quyết được xây dựng dựa trên những hiểu biết ban đầu của tương lai từ các dự báo Bước thời gian của giai đoạn này là từ giờ cho đến 10 phút

pin mặt trời (PV) sẽ không sản sinh ra điện nên các phụ tải sẽ sử dụng điện từ lưới một cách bình thường Lúc này chỉ số của C3 sẽ thể hiện đúng chỉ số tiêu thụ điện năng của phụ tải đang sử dụng

Trong trường hợp công suất của phụ tải là nhỏ hơn công suất của điện mặt trời đưa ra, ta thấy điện năng sẽ được “bơm” và gửi ngược trở lại lưới và chỉ số trên C3 sẽ mang trị số âm (giảm)

Ở đây, hệ pin mặt trời (photovoltaic system) nhìn chung được chia thành hai loại cơ bản:

2.4.1.1 Thành phần lưu trữ năng lượng

Phổ biến nhất vẫn là sử dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy

2.4.1.2 Các bộ biến đổi trong hệ PV

Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi DC/DC và bộ biến đổi DC/AC

Bộ DC/DC dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời

để cung cấp cho tải và ắc quy Bộ biến đổi DC/DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho

ắc quy

2.4.2 Hệ PV làm việc với lưới

Đây là hệ PV được nối với lưới điện Hệ thống này cho phép

tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng lượng dự trữ và đồng thời có thể bơm phần năng lượng dư thừa vào lưới điện để bán Khi

nguồn mặt trời (hay máy phát pin mặt trời) sinh ra nhiều năng lượng thì nguồn năng lượng dư thừa sẽ được chuyển vào trong lưới điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mưa, máy phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lượng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ lấy điện từ lưới

2.4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC

Các cách thường dùng để điều khiển DC/DC là:

 Mạch vòng điện áp phản hồi

 Phương pháp điều khiển phản hồi công suất

 Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi