Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt t

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NHỮ KHẢI HOÀN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA TP. HỒ CHÍ MINH - 2019 A BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP. HỒ CHÍ MINH NHỮ KHẢI HOÀN NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA MÃ SỐ: 9520216 Người hướng dẫn khoa học: 1.

PHẠM CÔNG THÀNH TP. HỒ CHÍ MINH – 2019 B Tóm tắt Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất của con người. So với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… năng lượng mặt trời có đặc điểm không ô nhiễm về môi trường, độ an toàn cao, nguồn năng lượng vô tận, có thể phân bố mọi nơi trong mọi dải công suất. Hệ thống năng lượng điện mặt trời là một thống lớn nên có rất nhiều vấn đề cần được cải tiến và phát triển cho hệ thống, trong khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu phát triển các thuật toán tìm điểm điểm công suất cực đại cho các bộ điều khiển công suất cực đại (MPPT) để hệ thống làm việc đạt hiệu suất cao hơn và ổn định hơn, đồng thời tác giả cũng thiết kế chế tạo thực nghiệm một hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới theo hướng phát triển của các bộ biến đổi công suất DC/DC và DC/AC.

Thuật toán MPPT thực sự rất cần thiết để giúp hệ thống phát được công suất lớn nhất góp phần làm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm giá thành sản phẩm. Chính vì vậy MPPT trở thành một trong những chức năng quan trọng mà hệ thống năng lượng điện mặt cần phải có. Đã có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng, trong luận án này tác giả nghiên cứu thuật toán độ dẫn gia tăng (INC) và đề xuất các cải tiến cho thuật toán này, đồng thời tác giả cũng nghiên cứu thuật toán tối ưu bày đàn (PSO) áp dụng cho bộ điều khiển MPPT và đề xuất các thuật toán phát triển của thuật toán PSO như: thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO), thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loạn (PPSO) và áp dụng chúng trong bộ điều khiển MPPT để cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng điện mặt trời. Kỹ thuật điều khiển MPPT dựa trên các thuật toán phát triển đã được thử nghiệm thành công trên mô hình hệ thống.

Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng đầu ra của hệ thống áp dụng các thuật toán đề xuất đều là trên 99%. Hơn nữa, những kết quả này được so sánh với kết quả thu được từ các bộ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng minh khả năng loại bỏ được các nhược điểm khi áp dụng thuật toán truyền thống cho các bộ điều khiển MPPT của hệ thống năng lượng điện mặt trời. Từ khóa: Phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời; cải tiến thuật toán INC; DPSO – MPPT; PPSO – MPPT. i Abstract Solar energy is one of the most promising alternative energy.

Due to low fuel cost, environmentally friendly and low-cost maintenance, solar energy demonstrates the superiority as compared to other energy sources, such as hydroelectricity, wind power, thermal power, nuclear power. Moreover, solar energy can be distributed everywhere with the widely operating range. Therefore, there are various researches in order to enhance the operating efficiency of solar energy system. However, in the framework of the dissertation, the author only focuses on developping intelligent algorithms to improve the performance of the maximum power point tracking (MPPT) controller.

Furthermore, the author designed and manufactured an experimental system of a grid- connected solar power system according to the development of DC / DC and DC / AC power converters. The MPPT algorithm is really necessary to generate the maximum power in photovoltic (PV) systems in order to increase the efficiency of the system as well as reduce product costs. Therefore, a maximum power point tracking (MPPT) controller is normally integrated with PV power generation systems. Many MPPT algorithms have been studied; nevertheless, in this dissertation, the author firstly researches the increase conductivity algorithm (INC) and some of its improved algorithm.

Next, a swarm intelligence based optimization technique, namely Particle Swarm Optimzation (PSO) is applied to enhance the performance of MPPT controller. After that, some of PSO variants, such as differential particle swarm optimization (DPSO), disturbance particle swarm optimization (PPSO) are proposed because of the purpose of improving the performance of PV. The MPPT controlling technique based on developed algorithms have been successfully tested on a system model. The simulation results show that the maximum power is all over 99%, demonstrates the effectiveness of the proposed methods.

Moreover, the obtained results are compared to those obtained using traditional algorithms, shows the superiority of the proposed method. Keywords: Development a solar power system; proposes improvements INC; DPSO – MPPT; PPSO – MPPT. ii LỜI CẢM ƠN Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đồng Văn Hướng và TS. Phạm Công Thành những người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn để em hoàn thành luận án tiến sĩ này.

Em xin cảm ơn quý thầy, cô trong trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM đã đem lại cho em thêm rất nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập nghiên cứu ở đây. Con xin biết ơn gia đình đã có những lời động viên giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong quá trình học tập và nghiên cứu làm luận án. Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong công việc để tôi có thời gian nhiều hơn trong công việc học tập và nghiên cứu làm luận án. Trân trọng cảm ơn ! TP.HCM, ngày 12 tháng 12 năm 2019 Nhữ Khải Hoàn iii LỜI CAM ĐOAN Tôi tên là Nhữ Khải Hoàn hiện đang là nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa của Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh.

Tôi xin cam đoan và hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này:  Toàn bộ nội dung của luận án tiến sĩ “Nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời” là công trình nghiên cứu của chính tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đồng Văn Hướng và TS. Phạm Công Thành.  Trong quá trình thực hiện luận án tôi có kế thừa kiến thức trong những tài liệu tham khảo trong và ngoài nước (phần tài liệu tham khảo). Việc tham khảo các nguồn tài liệu đều có trích dẫn rõ ràng theo quy định.

 Các kết quả mô phỏng, thí nghiệm sử dụng để kết luận và đánh giá trong luận án hoàn toàn chân thực. Tác giả luận án Nhữ Khải Hoàn iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN. iii LỜI CAM ĐOAN. iv MỤC LỤC.

v DANH MỤC HÌNH MINH HỌA. viii DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT. xii CHƯƠNG 1 .1 Lý do chọn đề tài .2 Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án .3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu .4 Điểm mới của luận án .5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ………………………….6 Bố cục của luận án …………………………………. 12 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI .1 Tổng quan chung về hệ thống NLMT 2.1 Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới .2 Hệ thống năng lượng điện mặt trời độc lập .3 Một số hệ thống năng lượng điện mặt trời khác.2 Đường đặc tuyến của pin quang điện .1 Cấu trúc tế bào quang điện .2 Tấm pin quang điện .3 Mô hình hóa tế bào quang điện .3 Những yếu tố trọng tâm nghiên cứu phát triển trong hệ thống năng lượng điện mặt trời .1 Điều khiển công suất cực đại .2 Giải pháp anti-islanding .3 Bù công suất phản kháng .4 Giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp.4 Kết luận chương 2.

31 NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới MPP .1 Ảnh hưởng của bức xạ.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ .3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm .2 Tìm điểm công suất cực đại .1 Phương pháp Hill – Climbing .2 Phương pháp điều khiển logic mờ (FLC) .3 Phương pháp mạng nơron (NN) .4 Phương pháp phân đoạn điện áp hở mạch (VOC).5 Phương pháp phân đoạn dòng ngắn mạch (ISC) .6 Phương pháp điều khiển gợn sóng tương quan (RCC) .3 Nghiên cứu phát triển thuật toán độ dẫn gia tăng trong điều khiển bám điểm công suất cực đại .1 Theo dõi MPP bằng thuật toán INC truyền thống .2 Phát triển thuật toán INC nhằm đạt MPP nhanh .3 Phát triển thuật toán INC nhằm giảm dao động quanh MPP .4 Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn trong điều khiển bám điểm công suất cực đại .1 Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) .2 Phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn .5 Kết luận chương 3. 82 MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CÁC THUẬT TOÁN MPPT PHÁT TRIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI .1 Kết quả mô phỏng thuật toán INC các phát triển của thuật toán INC .2 Kết quả mô phỏng .2 Kết quả mô phỏng thuật toán PSO và các phát triển của thuật toán PSO.2 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-PSO .3 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-DPSO .4 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-PPSO.3 Kết luận chương 4. 105 THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI .1 Cấu trúc tổng thể của hệ thống thiết bị .1 Bộ biến đổi DC/DC .2 Bộ biến đổi DC/AC .3 Bộ điều khiển hệ thống .4 Các Modul thu thập dữ liệu và hiển thị .5 Sơ đồ chi tiết hệ thống .2 Kết quả hệ thống thực nghiệm .3 Kết luận chương 5. 117 KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN.2 Phương hướng phát triển đề tài.

118 DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ. 119 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 120 vii DANH MỤC HÌNH MINH HỌA Hình 1. Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013.

Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015. Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farm (Hoa Kỳ). Hệ thống điện mặt trời tại Ninh Thuận. Sơ đồ hệ thống PV đơn cấp.

Hệ thống PV lưỡng cấp. Sơ đồ khối hệ thống PV độc lập. Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới có dự trữ. Hệ thống PV độc lập không dự trữ.

Hệ thống PV độc lập hỗn hợp. Cấu trúc chất bán dẫn thông thường. Cấu trúc chất bán dẫn trộn boron. Cấu trúc chất bán dẫn trộn phosphor.

Kết hợp bán dẫn loại p và loại n. Cấu trúc tế bào quang điện .