HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN -*** - NGUYỄN HUY ĐỆ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: “SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP” HÀ NỘI – 2021 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM KHOA CƠ ĐIỆN -*** - ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÊN ĐỀ TÀI: “SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP” Giáo viên hướng dẫn : ThS ĐÀO XUÂN TIẾN Sinh viên thực : NGUYỄN HUY ĐỆ Mã SV : 602927 Lớp : K60-HTDA Chuyên ngành : HỆ THỐNG ĐIỆN HÀ NỘI – 2021 LỜI CẢM ƠN Lời em xin cảm ơn thầy cô giáo Học Viện Nông Nghiệp Việt Nam giảng dạy truyền đạt cho em kiến thức quý báu để em áp dụng vào làm đề tài kiến thức hành trang cho em học tập làm việc sau Đặc biệt em xin chân thành cảm ơn thầy giáo, ThS Đào Xuân Tiến-Giảng viên Khoa Cơ Điện – Học viện Nông Nghiệp Việt Nam trực tiếp hướng dẫn, bảo giúp đỡ em suốt trình thực tập thực đề tài Em xin chân thành cảm ơn tập thể thầy cô giáo môn Hệ thống điện – Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam tạo điều kiện giúp đỡ em thời gian vừa qua Cuối cùng, em xin cảm ơn người thân gia đình, bạn bè người thân động viên, khích lệ đóng góp ý kiến quý báu để em hoàn thành đồ án Hà Nội, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực Nguyễn Huy Đệ i MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i MỤC LỤC ii MỤC LỤC HÌNH iv MỤC LỤC BẢNG vii MỞ ĐẦU CHƯƠNG NGHIÊN CỨU TÌM HIỂU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1.1 Mặt trời nguồn xạ mặt trời 1.1.2 Ứng dụng lượng mặt trời 1.2 TIỀM NĂNG ỨNG DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN THẾ GIỚI VÀ Ở VIỆT NAM 1.2.1 Nguồn lượng mặt trời giới [6] 1.2.2 Tiềm ứng dụng nguồn lượng mặt trời Việt Nam CHƯƠNG CẤU TRÚC CỦA HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI 11 2.1 PIN MẶT TRỜI 11 2.1.1 Cấu tạo 11 2.1.2 Nguyên lý làm việc 12 2.1.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 13 2.2 BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC 14 2.2.1 Mạch Buck 15 2.2.2 Mạch Boost 18 2.2.3 Mạch Buck – Boost 20 2.3 BỘ MPPT 21 2.3.1 Phương pháp nhiễu loạn quan sát P&O 22 2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 24 2.3.3 Phương pháp điều khiển MPPT 25 2.4 ẮC QUY 29 2.4.1 Ắc quy chì - axit 29 2.4.2 Ắc quy kiềm 30 2.4.3 Các tiêu chí lựa chọn ắc quy 30 2.5 BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC 31 ii CHƯƠNG GIỚI THIỆU VỀ MATLAB/SIMULINK 33 3.1 TỔNG QUAN VỀ MATLAB/SIMULINK 33 3.2 CHỨC NĂNG VÀ CÁCH THIẾT LẬP MỘT SỐ KHỐI CƠ BẢN MÔ PHỎNG HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI 37 CHƯƠNG THIẾT LẬP MÔ PHỎNG HỆ PHÁT ĐIỆN MẶT TRỜI 42 4.1 THIẾT LẬP MƠ HÌNH MƠ PHỎNG 42 4.1.1 Chọn pin mặt trời 42 4.1.2 Tính chọn biến đổi DC-DC 42 4.1.3 Chọn phương pháp điều khiển MPPT 43 4.1.4 Chọn biến đổi DC-AC 43 4.2 MÔ PHỎNG TẤM PIN QUANG ĐIỆN 44 4.3 MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI 49 4.3.1 Mô biến đổi DC-DC 49 4.3.2 Mô biến đổi DC-AC 51 4.4 MÔ PHỎNG HỆ 52 4.5 Nghiên cứu mô ảnh hưởng số thông số đến hoạt động pin mặt trời Simulink 53 4.5.1 Ở chế độ bình thường 53 4.5.2 Khi có tượng che bóng 55 4.6 Chạy chương trình xây dựng đặc tính 59 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN MẶT TRỜI 72 5.1 THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM 72 5.1.1 Mô hình thực nghiệm 72 5.1.2 Các thiết bị mô hình 72 5.1.3 Phương pháp thu thập xử lý số liệu 75 5.2 ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 75 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 79 Kết luận 79 Kiến nghị 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 iii MỤC LỤC HÌNH Hình 1.1: Mặt trời [5] Hình 1.2: Bức xạ mặt trời bầu khí Hình 1.3: Hệ thống nước nóng lượng mặt trời [12] Hình 1.4: Tịa nhà có hệ thống sưởi lượng mặt trời [12] Hình 1.5: Hệ thống xử lý nước mặn [12] Hình 1.6: Bếp lượng mặt trời [12] Hình 1.7: Nhà máy điện mặt trời TTC Phong Điền [12] Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập 11 Hình 2.2: Hiệu ứng quang điện 13 Hình 2.3: Đường đặc tính V-I pin mặt trời 13 Hình 2.4: Sơ đồ thay tương đương Pin mặt trời 14 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý Buck converter [3] 16 Hình 2.6: Dạng sóng điện áp dòng điện mạch Buck 16 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost converter [3] 18 Hình 2.8: Dạng sóng dịng điện điện áp mạch Boost 19 Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck-Boost [3] 20 Hình 2.10: Bộ điều khiển MPPT [3] 21 Hình 2.11: Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất lớn P&O [3] 23 Hình 2.12: Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O [3] 23 Hình 2.13: Lưu đồ thuật tốn phương pháp điện dẫn gia tăng INC [3] 25 Hình 2.14: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bù PI [3] 26 Hình 2.15: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT [3] 27 Hình 2-16: Lưu đồ thuật tóa P&O dùng phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu [3] 28 Hình 2.17: Bộ biến đổi DC/AC pha dạng nửa cầu ( Hình a ) hình cầu ( Hình b ) [3] 31 Hình 2.18: Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu kiểu Full-bridge [3] 32 Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu kiểu Half-bridge [3] 32 Hình 3.1: Màn hình tiêu chuẩn sau khởi động Matlab 33 iv Hình 3.2: Màn hình tiêu chuẩn sau khởi động Simulink 34 Hình 3.3: Cửa sổ mơ 36 Hình 3.4: Thư viện Simulink 36 Hình 3.5: Lấy khối mô thư viện 37 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck 42 Hình 4.2: Sơ đồ biến đổi DC/AC pha mạch cầu 44 Hình 4.3: Mơ hình pin quang điện simscape 45 Hình 4.4: Thiết lập thơng số cho pin quang điện 45 Hình 4.5: Mơ pin mặt trời công thức 47 Hình 4.6: Khối tế bào quang điện Simscape 48 Hình 4.7: Mơ đun quang điện mô 48 Hình 4.8: Tấm pin mặt trời cần mơ 48 Hình 4.9: Mô biến đổi DC-DC dựa theo nguyên lý Buck Converter 49 Hình 4.10: Cài đặt thông số cho phần tử mạch 50 Hình 4.11: Mơ solar charge control 50 Hình 4.12: Bộ biến đổi DC-DC có pin ắc quy 51 Hình 4.13: Sơ đồ mô biến đổi DC-AC 51 Hình 4.14: Cài đặt khối 52 Hình 4.15: Mơ hình mơ toàn hệ sử dụng MPPT 53 Hình 4.16: Các đường đặc tính làm việc P-V, I-V pin quang điện với cường độ xạ 1000w/m2 nhiệt độ thay đổi từ 25oC đến 45oC 54 Hình 4.17: Các đường đặc tính làm việc P-V, I-V pin quang điện với nhiệt độ 25oC cường độ xạ thay đổi 54 Hình 4.18: Mơ hình mơ bóng che 55 Hình 4.19: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 56 Hình 4.20: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 57 Hình 4.21: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 57 Hình 4.22: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 58 v Hình 4.23: Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 6, 59 Hình 4.24: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 60 Hình 4.25: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 60 Hình 4.26: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 61 Hình 4.27: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 61 Hình 4.28: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 62 Hình 4.29: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 62 Hình 4.30: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 63 Hình 4.31: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 63 Hình 4.32: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 64 Hình 4.33: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 64 Hình 4.34: PWM solar charger controller 65 Hình 4.35: Mơ hình mơ tồn hệ khơng sử dụng MPPT 65 Hình 4.36: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 66 Hình 4.37: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 66 Hình 4.38: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 67 Hình 4.39: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 67 Hình 4.40: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 68 Hình 4.41: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 68 Hình 4.42: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 69 Hình 4.43: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 69 Hình 4.44: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện 70 Hình 4.45: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter 70 Hình 5.1: Sơ đồ nối thực nghiệm 72 Hình 5.2: Tên dụng cụ dùng cho hệ thống 73 Hình 5.3: Mơ hình thực nghiệm 75 Hình 5.4: Đồ thi đặc tính I-V pin mặt trời thực nghiệm 77 Hình 5.5: Đồ thi đặc tính I-V pin mặt trời 77 Hình 5.6: Đồ thi đặc tính P-V pin mặt trời thực nghiệm 78 Hình 5.7: Đồ thi đặc tính P-V pin mặt trời 78  vi MỤC LỤC BẢNG Bảng 3.1: Các khối mô hệ điện mặt trời 37 Bảng 4.1: Thiết lập thông số cho pin quang điện 46 Bảng 4.2: Bảng cài đặt thông số 53 Bảng 4.3: Các trường hợp nghiên cứu số lượng mô đun bị che phủ 55 Bảng 4.4: Ảnh hưởng bóng che nhiệt độ 56 Bảng 5.1: Thống kê thiết bị sử dụng mơ hình thực nghiệm 72 Bảng 5.2: Bảng số liệu đo thông số đầu pin thời điểm nhiệt độ 21oC cường độ xạ 325W/m2 lúc 12h15’ 76 vii MỞ ĐẦU Điện nguồn lượng thiết yếu sống Tuy nhiên, nguồn tài nguyên để tạo điện không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng người Nguồn nguyên liệu hóa thạch (Than đá, Dầu mỏ, ) cạn kiệt dần đồng thời sử dụng nguyên liệu sản xuất điện gây nhiều ảnh hưởng xấu đến mơi trường sống, gây nhiễm bầu khí hiệu ứng nhà kính thủng tầng ozon, mưa axit, nguyên nhân khiến trái đất ấm dần lên Nguồn lượng từ thủy điện khơng đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện ( theo dự báo Quy hoạch phát triển điện đến năm 2020 2030 thủy điện chiếm khoảng 23% tổng sản xuất điện) dự án thủy điện khai thác gần hết, đồng thời với việc dự án thủy điện mọc lên nhiều gây ảnh hưởng xấu đến môi trường : việc xả lũ đồng loạt có nguy cao gây ngập lụt, hay việc chặn dịng khơng trả nước cho song khiến nơng nghiệp khơng thể trồng trọt Từ tìm nguồn lượng thay để tạo điện thật thiết yếu, số nguồn lượng thay biết đến lượng mặt trời Đây nguồn lượng rẻ, vô tận không gây hại cho môi trường Cùng đó, nước ta cịn nơi khó xây dựng điện lưới đến đó, nơi có điện khơng ổn định vùng hải đảo xa xơi cần phải có điện để phục vụ sinh hoạt làm việc Hay với nhu cầu sử dụng phương tiện thân thiện với môi trường, Thì hệ phát điện mặt trời giải pháp Xuất phát từ nhu cầu thực tế nên tiến hành thực đề tài: “Sử dụng Matlab/Simulink mô hệ phát điện mặt trời độc lập” Nội dung đồ án gồm chương:  Hệ thống hình 4.35, khóa K mở tải chưa nối vào hệ thống Lúc với nhiệt độ 25oC cường độ xạ 1000W/m2 kết thu được: Hình 4.36: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện Hình 4.37: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter Nhận xét: Trong khoảng 0,02 giây pin chạy ổn định cho công suất Ptt 97,8 W để sạc cho ắc quy Còn đầu inverter sau 0,01 giây chạy ổn định cho sóng sin có độ lớn 230V 66  Bây ta cho thêm tải: hệ thống hình 4.35, khóa K đóng lại tải nối vào hệ thống Lúc với nhiệt độ 25oC cường độ xạ 1000W/m2 kết thu loại tải:  Tải R: P= 40W Hình 4.38: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện Hình 4.39: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter Nhận xét: Trong khoảng 0,02 giây pin chạy ổn định cho công suất Ptt 97,8 W để sạc cho ắc quy Còn đầu inverter lắp thêm tải ta thấy có tượng sụp áp điện áp đầu hình sin độ lớn khoảng 45V 67  Tải L: QL= 15 var Hình 4.40: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện Hình 4.41: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter Trong khoảng 0,02 giây pin chạy ổn định cho công suất Ptt 97,8 W để sạc cho ắc quy Còn đầu inverter lắp thêm tải ta thấy có tượng sụp áp điện áp đầu hình sin độ lớn khoảng 80V sau 0,02 giây ổn định cho sóng sin 68  Tải C: QC= 15 var Hình 4.42: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện Hình 4.43: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter Trong khoảng 0,02 giây pin chạy ổn định cho công suất Ptt 97,8 W để sạc cho ắc quy Còn đầu inverter lắp thêm tải điện áp tăng cao sau 0,1 giây ổn định cho sóng sin có độ lớn 240 V 69  Tải R+L+C: Hình 4.44: Đồ thị đặc tính V , I P pin quang điện Hình 4.45: Dạng sóng điện áp ắc quy đầu inverter Nhận xét: Trong khoảng 0,02 giây pin chạy ổn định cho công suất Ptt 97,8 W ) để sạc cho ắc quy Còn đầu inverter lắp thêm tải ta thấy có tượng sụp áp điện áp đầu hình sin độ lớn khoảng 80V sau 0,02 giây ổn định cho sóng sin Nhận xét chung: 70 Từ thay đổi tải khác vào hệ thống ta thấy: dùng tải R mạch cho ổn đinh ln hình sin cịn tải L C sau khoảng thời gian ngắn hệ hoạt động ổn định cho sóng sin (tải L có thời gian ngắn tải C) Tải R L cho ta tượng sụt áp tải L sụt áp tải R Cịn tải C có tượng q áp điện áp cho cao so với định mức Còn tải RLC gần tương tự tải R P lớn nhiều so với Q Nhận xét với trường hợp: Từ trường hợp trên, điều kiện ta thấy rõ với hệ có MPPT điểu khiển tự động điều chỉnh để công suất pin đưa cao ( 100W) cịn với hệ khơng có MPPT ta phải thực điều khiển tay công suất cho không đạt giá trị cao Đồng thời điều kiện bên thay đổi (nhiệt độ, xạ) với hệ có MPPT hệ tự động điều chỉnh để công suất pin đưa cao ( Pmax) với hệ khơng có MPPT khơng làm việc 71 CHƯƠNG THỰC NGHIỆM XÂY DỰNG ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN MẶT TRỜI 5.1 THIẾT LẬP MƠ HÌNH THỬ NGHIỆM 5.1.1 Mơ hình thực nghiệm Hình 5.1: Sơ đồ nối thực nghiệm Ở sơ đồ thực nghiệm ta thay điện trở có giá trị khác (1 - 25Ω) để đo giá trị dòng điện điện áp tương ứng với giá trị điện trở Tập hợp số liệu dòng điện điện áp ta vẽ sơ đồ đặc tính pin mặt trời 5.1.2 Các thiết bị mơ hình Bảng 5.1: Thống kê thiết bị sử dụng mô hình thực nghiệm Tên thiết bị Thơng số Số lượng Pin mặt trời 100W Đồng hồ vạn – 200V – 10 A Dụng cụ đo nhiệt độ, thời gian Dụng cụ đo xạ (SM206) Dải đo 0-4999W/m2 Bảng điện trở Dải giá trị 1Ω-30Ω 72 Hình 5.2: Tên dụng cụ dùng cho hệ thống - Đồng hồ vạn ZT – S1 có thơng số:  Thương hiệu: ZOYI  Kiểu hiển thị: hiển thị kỹ thuật số  Nhiệt độ hoạt động: 0-40 ℃  Kích thước:118*59*28mm  Số mơ hình: ZT-S1  Đo Dải điện trở:4k/40k/400K/4M/40M Ohm  Đo điện dung độ:/ 73  Chế độ hoạt động: Auto range  AC Điện Áp: 4V/40V/400V/600V  DC Điện Áp: 4V/40V/400V/600V  AC dòng: 999,9mA/9,99A  DC dòng: 999,9mA/9,99A - Máy đo xạ SM206 có thơng số kỹ thuật:  Độ phân giải: 0.1W/m2, 0.1 Btu / (ft2-h)  Phạm vi lỗi: ± 10W/m2 [± Btu / (ft2-h)] ± 5% giá trị đo  Lỗi nhiệt độ: ± 0.38W/m2 / ℃ [± 0.12 Btu / (ft2-h) / ℃] lệch 25 ℃  Màn hình: hình hiển thị 3-3/4LCD, tối đa hiển thị giá trị số 3999  Sự thay đổi: