Luận án tiến sĩ nghiên cứu nâng cao hiệu quả khai thác pin mặt trời - Lê Tiên Phong

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LÊ TIÊN PHONG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHAI THÁC NGUỒN PIN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN – NĂM 2017 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan rằng bản luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của PGS. Nguyễn Văn Liễn – Viện Điện, Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, PGS. Ngô Đức Minh – Khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên và tập thể các nhà khoa học khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu của luận án là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.

Thái Nguyên, ngày tháng năm 2017 Tác giả luận án Lê Tiên Phong -ii- LỜI CẢM ƠN Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học trực tiếp, PGS. Nguyễn Văn Liễn và PGS. Ngô Đức Minh đã trực tiếp hướng dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin được gửi lời cảm ơn chân thành và kính trọng đến tập thể các nhà khoa học khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, các bạn bè đồng nghiệp đã đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt thời gian thực hiện luận án.

Tác giả luận án xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Ban chủ nhiệm khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu. Cuối cùng, tôi cũng muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, anh chị, vợ và các con đã luôn bên tôi, hết lòng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tạo điều kiện giúp tôi có nghị lực vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất, vất vả nhất để hoàn thành luận án này. Tác giả luận án Lê Tiên Phong -iii- MỤC LỤC KÝ HIỆU VIẾT TẮT .ix DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .xii DANH MỤC CÁC BẢNG .xv MỞ ĐẦU .5 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 Khái quát về nguồn pin mặt trời .2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời .3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời .1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .2 Tình hình nghiên cứu trong nước .4 Một số vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết .1 Một số vấn đề còn tồn tại .2 Tiếp cận vấn đề .3 Đề xuất hướng giải quyết .5 Kết luận chương 1 .19 MÔ HÌNH HÓA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI .1 Mô hình toán học của nguồn pin mặt trời .2 Xây dựng giải pháp nhận dạng các thông số ẩn cho nguồn pin mặt trời ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn .2 Thiết lập các phương trình tại các điểm đặc biệt ở điều kiện tiêu chuẩn .3 Phương pháp xác định các thông số ẩn .4 Xây dựng thuật toán xác định các thông số ẩn.5 Áp dụng xác định thông số ẩn cho một số loại pin quang điện .3 Giải pháp mới nhận dạng chính xác điểm công suất cực đại cho nguồn pin mặt trời 31 2.1 Nội dung giải pháp đề xuất .2 Đánh giá tính chính xác của giải pháp đề xuất.4 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời .1 Quy đổi giá trị các thông số từ điều kiện vận hành tiêu chuẩn về điều kiện vận hành bất kỳ .2 Xây dựng mới hàm số n(T) .3 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời .5 Kết luận chương 2 .45 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI THEO MÔ HÌNH ĐẦY ĐỦ .1 Cấu trúc điều khiển hệ thống .2 Cơ sở lý thuyết điều khiển và mô tả toán học các bộ biến đổi .1 Cơ sở lý thuyết điều khiển .1 Kỹ thuật điều khiển trượt trong các bộ biến đổi DC/DC .2 Kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình .2 Mô tả toán học bộ biến đổi DC/DC buck .1 Bộ biến đổi DC/DC buck .2 Bộ biến đổi DC/DC boost .3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại của nguồn pin mặt trời theo mô hình đầy đủ ở điều kiện vận hành bất kỳ .1 Phương pháp IB-SMC.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-SMC .2 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck .3 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost .4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC.5 Mô phỏng đánh giá phương pháp IB-SMC .2 Phương pháp IB-AVC.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-AVC .2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck .3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost .4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC.5 Kết quả mô phỏng phương pháp IB-AVC .3 So sánh hiệu quả năng lượng và khả năng ứng dụng .4 Điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời .1 Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới .2 Mô phỏng hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời .5 Kết luận chương 3 .99 KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH THIẾT BỊ THỰC .1 Xây dựng mô hình cấu trúc thiết bị thực .2 Các thiết bị chính .1 Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt trời .2 Cảm biến đo nhiệt độ .4 Sơ đồ đấu nối mạch lực và điều khiển .5 Lắp đặt các thiết bị và cài đặt .3 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực .4 Kết quả thực nghiệm.1 Kiểm chứng tính chính xác của giải pháp đã đề xuất .2 Đánh giá hiệu quả năng lượng của giải pháp đã đề xuất .5 Kết luận chương 4 .115 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .117 -vi- DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ .119 TÀI LIỆU THAM KHẢO .132 -vii- KÝ HIỆU VIẾT TẮT Ký hiệu Cụm từ được viết tắt trong tiếng Việt Cụm từ được viết tắt từ tiếng Anh tương đương tương đương AC Dòng điện xoay chiều Alternative Current AI Trí thông minh nhân tạo Artificial Intelligence ANN Mạng nơron nhân tạo Artificial Neural Network AVC Điều khiển điện áp trung bình Average Voltage Control BBĐ Bộ biến đổi điện tử công suất Power Converter CS Tín hiệu điều khiển Control Signal CV Điện áp không đổi Constant Voltage DC Dòng điện một chiều Direct Current DCbus Thanh cái điện áp một chiều ESC Điều khiển dò tìm cực trị Extremum seeking control FL Logic mờ Fuzzy Logic IB Kỹ thuật dò và chia đôi Iterative and Bisectional technique IB-AVC Phương pháp dò và chia đôi - Điều Iterative and Bisectional - Average khiển điện áp trung bình Voltage Control method IB-SMC Phương pháp dò và chia đôi - Điều Iterative and Bisectional - Sliding khiển trượt Mode Control method INC Điện dẫn gia tăng Incermental Conductance MBA Máy biến áp Transformer MPP Điểm công suất cực đại Maximum Power Point MPPT Bộ bám điểm công suất cực đại Maximum Power Point Tracking OG Độ dốc tối ưu Optimal Gradient OV Điện áp hở mạch Open-Circuit Voltage P&O Dao động và quan sát Perturb and Observe PSO Tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization PVg Nguồn pin mặt trời, hệ thống pin mặt Photovoltaic power generation, trời, cell/module/panel/array pin mặt Photovoltaic system, trời, pin mặt trời Photovoltaic module/panel/array, solar cell/module/panel/array. PYR Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt Pyranometer -viii- trời SC Dòng điện ngắn mạch Short-Circuit Current SMC Điều khiển trượt Sliding Mode Control STC Điều kiện vận hành tiêu chuẩn Standard Test Condition SW Khóa chuyển mạch Switch TempS Cảm biến đo nhiệt độ Temperature sensor THD Tổng độ méo sóng hài Total Harmonic Distorsion -ix- KÝ HIỆU Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa C F Điện dung CTI %/0C hoặc mA/0C Hệ số thay đổi của dòng điện theo nhiệt độ CTP %/0C Hệ số thay đổi của Pmpp theo nhiệt độ CTV %/0C hoặc mV/0C Hệ số thay đổi của điện áp theo nhiệt độ D, d Hệ số điều chế độ rộng xung trung bình hoặc tức thời fS kHz Tần số phát xung G W/m2 Công suất của bức xạ mặt trời g 1/Ω Điện dẫn tải của PVg I01, I0 A Dòng quang điện bão hòa Id1, Id A Dòng điện chạy qua diode của PVg ig A Dòng điện các pha tức thời tại điểm liên kết với lưới Ig A Biên độ dòng điện các pha tại điểm liên kết với lưới IL, iL A Dòng điện trung bình hoặc tức thời qua cuộn cảm BBĐ Impp A Dòng điện tại MPP Ip1, Ip A Dòng điện chạy qua điện trở song song của PVg Iph1, Iph A Dòng quang điện phát ra của PVg ipv1, ipv, A Dòng điện tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVg Ipv ISC1, ISC A Dòng điện ngắn mạch của PVg k eV/K Hằng số Boltzmann Ka W/A Đánh giá độ trượt của công suất theo dòng điện và có ảnh hưởng đến dải trễ của đường đặc tính công suất Kb Đặc trưng cho dải trễ của điện áp phát ra từ PVg, Kc V/A Đánh giá độ trượt của điện áp theo dòng điện kVmppDC Hệ số tương quan về dòng điện tại MPP so với ISC -x- kVmppOV Hệ số tương quan về điện áp tại MPP so với VOC L H Điện cảm n Hệ số đặc trưng của diode Np Số lượng đơn vị ghép song song của PVg NS Số lượng đơn vị ghép nối tiếp của PVg Pdc kW Công suất trên DCbus Pinv kW Công suất tác dụng ở phía AC của BBĐ DC/AC Pmpp W, kW Công suất tại MPP q C Điện tích của electron Qinv kVA Công suất phản kháng ở phía AC của BBĐ DC/AC Rdc, R Ω Điện trở cuộn cảm phía DCbus và điện trở phía AC của BBĐ DC/AC Req Ω Điện trở tương đương của PVg Rp1, Rp Ω Điện trở song song của PVg RS1, RS Ω Điện trở nối tiếp của PVg T 0 C hoặc 0K Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n Tamb 0 C hoặc 0K Nhiệt độ môi trường Ti s Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo dòng điện TS s Chu kỳ phát xung Tv s Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo điện áp Ug V Biên độ điện áp pha của lưới điện ug V Điện áp pha tức thời tại điểm liên kết với lưới điện Ug V Biên độ điện áp tại điểm liên kết với lưới điện uinv V Điện áp pha tức thời ở đầu ra BBĐ DC/AC ueq, Tín hiệu điều khiển tương đương ueqref Vdc, vdc V Điện áp trung bình hoặc tức thời trên DCbus -xi- Veq V Điện áp tương đương của PVg Vmpp1, V Điện áp tại MPP Vmpp VOC1, V Điện áp hở mạch của PVg VOC Vpv1, V Điện áp tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVg vpv, Vpv Vt1, Vt V Điện áp nhiệt lớp tiếp giáp p-n -xii- DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.

1 Phương pháp tổ hợp PVg. 2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVg .