Luận văn thạc sĩ thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới trên cơ sở trí tuệ nhân tạo

Khám phá luận văn thạc sĩ về thiết bị mạng và nhà máy điện điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới bằng trí tuệ nhân tạo.

• Tác giả: Hoàng Trọng Phúc
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa
• Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
• Đề tài: Điều Khiển Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời Kết Nối Lưới Trên Cơ Sở Trí Tuệ Nhân Tạo
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch và vô hạn, được khai thác từ bức xạ mặt trời. Nguồn năng lượng này có thể chia thành hai loại chính: nhiệt năng và quang năng. Các tế bào quang điện (PV) chuyển đổi năng lượng quang học thành điện năng. Mặc dù năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn, việc khai thác hiệu quả vẫn còn nhiều thách thức. Việt Nam có điều kiện lý tưởng để phát triển năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ cao và số giờ nắng lớn. Tuy nhiên, giá thành của pin mặt trời vẫn còn cao, và hiệu suất chuyển đổi năng lượng chưa đạt mức tối ưu. Việc nghiên cứu và phát triển các hệ thống PV kết nối lưới là cần thiết để tối ưu hóa việc sử dụng nguồn năng lượng này.

1.1. Giới thiệu về năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng ưu việt trong tương lai. Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ, có thể được sử dụng để cung cấp điện cho các hộ gia đình và các khu vực chưa có điện lưới. Tuy nhiên, giá thành của pin mặt trời vẫn còn cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao. Việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực này là rất cần thiết.

1.2. Các hệ thống PV ứng dụng

Hệ thống PV kết nối lưới giúp gia tăng công suất cho hệ thống điện quốc gia và tiết kiệm chi phí điện cho người tiêu dùng. Hệ thống này không cần thiết bị lưu trữ, vì công suất không sử dụng có thể cấp lên lưới. Ở Việt Nam, việc phát triển các hệ thống PV độc lập và kết hợp với máy phát diesel cũng đang được chú trọng, nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng cho các khu vực hẻo lánh.

II. Mô hình hệ thống PV kết nối lưới

Mô hình hệ thống PV kết nối lưới bao gồm các thành phần chính như bộ nghịch lưu, bộ điều khiển và các thiết bị lưu trữ. Hệ thống này cho phép chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng và cung cấp cho lưới điện quốc gia. Việc sử dụng công nghệ IoT trong quản lý hệ thống PV giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) được áp dụng để tối ưu hóa việc khai thác năng lượng từ hệ thống PV.

2.1. Cấu trúc thành phần của hệ thống PV

Hệ thống PV kết nối lưới bao gồm các thành phần như tấm pin mặt trời, bộ nghịch lưu và bộ điều khiển. Tấm pin mặt trời chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng, trong khi bộ nghịch lưu chuyển đổi điện một chiều thành điện xoay chiều để cung cấp cho lưới điện. Bộ điều khiển giúp giám sát và điều chỉnh hoạt động của hệ thống, đảm bảo hiệu suất tối ưu.

2.2. Cấu trúc DC DC DC AC

Cấu trúc DC/DC và DC/AC trong hệ thống PV rất quan trọng để chuyển đổi năng lượng. Bộ nghịch lưu 6 khóa và giải thuật điều chế vectơ không gian (space vector modulation) được sử dụng để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi. Việc áp dụng các công nghệ này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống PV kết nối lưới.

III. Các giải thuật MPPT và MPPT kết hợp Fuzzy Logic

Giải thuật MPPT là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV. Các giải thuật như Incremental Conductance và EPP được sử dụng để theo dõi điểm công suất tối đa. Việc kết hợp MPPT với Fuzzy Logic giúp cải thiện khả năng điều khiển và tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Sự kết hợp này mang lại lợi ích lớn cho việc quản lý năng lượng trong hệ thống PV.

3.1. Giải thuật MPPT

Giải thuật MPPT giúp theo dõi và tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống PV. Các giải thuật như Incremental Conductance và EPP được áp dụng để đảm bảo rằng hệ thống luôn hoạt động ở điểm công suất tối đa. Việc sử dụng các giải thuật này giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

3.2. Fuzzy Logic và MPPT ứng dụng Fuzzy Logic

Fuzzy Logic được áp dụng trong việc điều khiển hệ thống PV để cải thiện khả năng điều chỉnh và tối ưu hóa hiệu suất. Việc kết hợp Fuzzy Logic với MPPT giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện thay đổi, từ đó nâng cao khả năng quản lý năng lượng và giảm thiểu tổn thất.

IV. Mô hình mô phỏng Matlab

Mô hình mô phỏng Matlab được sử dụng để kiểm tra và đánh giá hiệu suất của hệ thống PV kết nối lưới. Các khối chức năng như PV system, DC/DC MPPT và điều khiển dòng được mô phỏng để phân tích hiệu suất và đáp ứng của hệ thống. Việc mô phỏng giúp phát hiện các vấn đề tiềm ẩn và tối ưu hóa thiết kế hệ thống trước khi triển khai thực tế.

4.1. Mô hình PV 3 pha nối lưới trên Matlab

Mô hình PV 3 pha trên Matlab cho phép mô phỏng và phân tích hiệu suất của hệ thống PV kết nối lưới. Các khối chức năng như PV system, DC/DC MPPT và điều khiển dòng được tích hợp để đánh giá hiệu suất tổng thể của hệ thống. Việc mô phỏng giúp phát hiện các vấn đề và tối ưu hóa thiết kế trước khi triển khai thực tế.

4.2. Khối điều khiển dòng PI controller

Khối điều khiển dòng trong mô hình Matlab giúp điều chỉnh và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống PV. Việc sử dụng PI controller giúp duy trì ổn định điện áp và dòng điện trong hệ thống, từ đó nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống PV kết nối lưới.

V. Kết quả đáp ứng của mô hình

Kết quả từ mô hình mô phỏng cho thấy hiệu suất của hệ thống PV kết nối lưới đạt được mức tối ưu trong các điều kiện khác nhau. Việc áp dụng các giải thuật MPPT và Fuzzy Logic đã giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống. Các kết quả này chứng minh tính khả thi và hiệu quả của việc ứng dụng trí tuệ nhân tạo trong quản lý năng lượng mặt trời.

5.1. Phân tích kết quả mô phỏng

Kết quả mô phỏng cho thấy rằng hệ thống PV kết nối lưới hoạt động hiệu quả trong các điều kiện khác nhau. Việc áp dụng các giải thuật MPPT và Fuzzy Logic đã giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các kết quả này cung cấp cơ sở cho việc triển khai thực tế hệ thống PV kết nối lưới.

5.2. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Đánh giá hiệu suất của hệ thống PV kết nối lưới cho thấy rằng việc áp dụng trí tuệ nhân tạo trong quản lý năng lượng mang lại nhiều lợi ích. Hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả, đáp ứng tốt nhu cầu năng lượng trong các điều kiện khác nhau. Điều này chứng tỏ rằng việc nghiên cứu và phát triển các công nghệ mới trong lĩnh vực năng lượng mặt trời là rất cần thiết.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1. Giới thiệu chung: 1. Giới thiệu về năng lượng mặt trời: - Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn năng lượng mà chúng ta được biết.

Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình. Bức xạ mặt trời chứa đựng một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất. Năng lượng của mặt trời dù rất dồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này thì vẫn còn là một câu chuyện dài. - Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng.

Các tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng công nghệ bán dẫn để chuyển hóa trực tiếp năng lượng quang học thành dòng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng sau đó. Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sử dụng rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc khác. Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thông thường. Tại các vùng chưa có điện lưới như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp,.

pin mặt trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy. Điều bất cập duy nhất là giá thành của Pin mặt trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%). Trái lại sức nóng của mặt trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của quang điện, và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều. - Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tòa nhà một cách thụ động thông qua việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc, hoặc được sử dụng trực tiếp để đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt.

Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới thiết bị đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặt trời) hiện đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa chọn thay thế cho các thiết bị cung cấp nước nóng thông thường dùng điện hoặc gaz.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC 8 - Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời. là hướng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng.

- Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay. Năng lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới. - Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến 23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với số giờ nắng trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thể đến 980W/m2.

Do đó việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước dùng năng lượng mặt trời, dùng năng lượng mặt trời chạy các động cơ nhiệt ( động cơ Stirling ), và ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước nghiên cứu.1 : Bức xạ mặt trời ngoài khí quyển GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC 9 1.2 Các hệ thống PV ứng dụng: o Hệ thống PV kết nối lưới: - Hệ thống kết lưới PV góp phần gia tăng công suất cho hệ thống lưới điện quốc gia và tiết kiệm chi phí dùng điện cho các hộ sử dụng cũng như các công ty ở các nước phát triển. Hơn nữa hệ thống PV kết lưới không cần phải có các thiết bị lưu trữ vì công suất không dùng hết có thể cấp hết lên lưới. Trong những năm gần đây, hệ thống kết lưới gia tăng đáng kể trên toàn thế giới.

Trong năm 2004, ở Đức gần 1 tỷ watt hệ thống PV kết lưới được lắp đặt. Các hệ thống kết lưới để sử dụng ở một đất nước, cần phải có sự hỗ trợ và tiêu chuẩn từ chính phủ. Chất lượng điện năng rất quan trọng trong các hệ thống này.2 : Hệ thống PV kết nối lưới o Hệ Thống PV Độc Lập: - PV đầu tiên được ứng dụng độc lập. Đối với những vùng nông thôn, vùng núi cao, hay ở những vùng hẻo lánh của các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa cung cấp đến, thì việc sử dụng các hệ thống PV độc lập hoàn toàn cấp thiết.

Nguồn điện lấy xuống từ PV sẽ được cấp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu rồi cấp cho tải AC. Phần lưu trữ cũng rất quan trọng, giúp lưu năng lượng và phát lại.3 : Hệ thống PV độc lập GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC 10 o Hệ thống PV kết hợp: - Hầu hết các trường hợp ứng dụng trong các hệ thống lớn, hệ thống PV thường được dùng thêm với máy phát diesel. Đối với trường hợp đó, hệ thống PV độc lập thường không thể cung cấp đủ nguồn năng lượng yêu cầu cho tải. Hệ thống PV kết hợp máy phát vừa đáp ứng đủ yêu cầu của tải vừa sử dụng được thêm nguồn năng lượng từ PV Hình 1.4 : Hệ thống PV kết hợp.

 Tình trạng, xu hướng phát triển tại Việt Nam: - Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nước phát triển. Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng truyền thống. - Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các công trình nằm trong khu vực không có lưới điện. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.

- Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thông. Các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thông qua vệ tinh. Ở ngành bảo đảm hàng hải, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia.

Trong sinh hoạt GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC 11 của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến. Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng. Để hiểu được hết tác dụng, hiệu quả và tầm quan trọng của hệ thống pin mặt trời phát điện, chúng ta có thể tìm hiểu sơ đồ nguyên lý hệ thống điện pin mặt trời nối lưới điển hình dưới đây: - Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn PMT phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hoá tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500 - 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng.

Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp. Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng PMT. Hiện tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là: + Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW.

Dự án được đưa vào vận hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý và vận hành.5 : Sơ đồ hệ thống điện gia đình GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC 12 + Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với công suất là 9 kW, trong đó PMT là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng 11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình.

Hệ thống điện do sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành. - Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hoà, hộ gia đình công suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp đặt ứng dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có công suất từ 200 - 800 Wp.