Cải tiến thuật po dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời

Nội dung thực hiện đề tài: − Nghiên cứu các phương pháp dò điểm cực đại cho pin mặt trời và đề xuất cải tiến giải thuật.. Trong điều kiện thực tế ở nước ta hiện nay, chi

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ

CẢI TIẾN THUẬT P&O DÒ ĐIỂM CÔNG SUẤT

CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI

GVHD: TRƯƠNG VIỆT ANH SVTH: LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG MSSV: 14142348

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018

SKL 0 0 6 4 6 4

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

NGÀNH: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018

THUẬT P&O DÒ ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜ

CẢI TIẾN GIẢI

I

GVHD: PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH

SVTH : LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG

MSSV : 14142348

i

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT

NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

***

Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 7 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Lương Xuân Trường MSSV: 14142348

Ngành: CNKT Điện – Điện tử Lớp: 14142CL1

Giảng viên hướng dẫn: Trương Việt Anh ĐT: 0913117659

Ngày nhận đề tài: 5/3/2018 Ngày nộp đề tài: 16/7/2018

1 Tên đề tài:

Cải tiến giải thuật P&O dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

− Tài liệu về các thuật toán dò điểm công suất cực đại

− Giáo trình điện tử công suất

3 Nội dung thực hiện đề tài:

− Nghiên cứu các phương pháp dò điểm cực đại cho pin mặt trời và đề xuất cải

tiến giải thuật

− cải tiến bộ dò điểm công suất cực đại thành mô hình năng lượng mặt trời nối

bus DC

− Thi công và thực nghiệm các mô hình, giải thuật đã đề xuất

4 Sản phẩm:

Giải thuật và mô hình

ii

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

iii

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: MSSV:

Ngành:

Tên đề tài:

Họ và tên Giáo viên phản biện:

NHẬN XÉT 1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ: )

Xin cảm ơn thầy TS Trần Quang Thọ và phòng Thí nghiệm Năng lượng tái tạo

& Hệ thống điện đã tạo điều kiện về thiết bị giúp em hoàn chỉnh mô hình

Cảm ơn các Thầy cô khoa Điện – Điện tử và khoa Đào tạo chất lượng cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã hỗ trợ em rất nhiều trong quá trình học tập tại trường

Cuối cùng em xin cảm ơn cha mẹ, người thân đã luôn ở bên và động viên em trong suốt thời gian qua

Sinh viên

Lương Xuân Trường

v

TÓM TẮT

Nhu cầu năng lượng đang ngày càng tăng lên dưới tác động của việc gia tăng dân số và sự phát triển các hoạt động kinh tế Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày càng cạn kiệt Đồng thời, việc sử dụng quá nhiều nhiên liệu đốt gây

ra những vấn đề lớn về môi trường như hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm không khí… Thế giới đang có xu hướng khai thác các nguồn năng lượng tái tạo (NLMT, gió, địa nhiệt và sinh khối) do chúng thân thiện hơn với môi trường và không bị cạn kiệt Trong đó, NLMT được sử dụng phổ biến nhất vì ánh sáng mặt trời có sẵn mọi nơi Hệ thống điện mặt trời hiện nay có 2 dạng: sử dụng nhiệt mặt trời hoặc pin quang điện (PV) Các tấm pin mặt trời biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện dựa vào hiện tượng quang điện Trong điều kiện thực tế ở nước ta hiện nay, chi phí phát điện của các hệ thống này vẫn còn rất lớn so với năng lượng truyền thống, cho nên chúng chủ yếu được dùng độc lập với lưới điện quốc gia Các hệ thống này thường được cấu trúc thành một lưới điện độc lập hoặc phối hợp với các nguồn năng lượng khác như gió hay diesel

Nội trở của hệ thống pin có trị số lớn đáng kể và phụ thuộc vào điều kiện môi trường (chủ yếu là bức xạ và nhiệt độ) Vì vậy, công suất trên các tấm pin phụ thuộc vào sự tương quan giữa điện trở tải và nội trở nguồn Để đạt được công suất cực đại, các bộ biến đổi điện áp DC được ứng dụng với nhiều thuật toán khác nhau để dò ra điểm cực đại Trong luận văn này, một giải thuật mới được phát triển từ giải thuật P&O được đề xuất giúp tăng tốc độ dò điểm cực đại và giảm sự dao động điện áp trên tải

Để lưới điện mặt trời có thể hoạt động hiệu quả, các bus DC được sử dụng trong việc kết nối các hệ thống điện lại với nhau Bài toán đặt ra ở đây là làm sao để có thể vừa ổn định điện áp trên bus DC trong khi công suất phát hoặc tải thay đổi vừa có thể tận dụng được công suất cực đại lấy ra từ các tấm pin Đã có nhiều phương án được đề xuất Luận văn đề xuất kết hợp hệ thống với một nguồn dự phòng (acquy) qua một mạch biến đổi điện áp 2 chiều (Bidirectional)

vi

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

LỜI CẢM ƠN iv

TÓM TẮT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG, BIỂU ĐỒ ix

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

1.1.Giới thiệu 1

1.2 Các nghiên cứu liên quan 3

1.2.1 Dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời 3

1.2.2 Nâng cao hiệu quả nối lưới của pin năng lượng mặt trời 4

1.2.3 Tăng hiệu suất sử dụng bằng nguồn hybrid 5

1.3 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu 5

1.4 Phương pháp nghiên cứu 6

1.5 Điểm mới của luận văn 6

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 8

2.1.1 Cấu tạo 8

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 9

2.1.3 Phân loại pin mặt trời 10

2.1.4 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 10

2.2 Bộ chuyển đổi DC-DC Converter 15

2.2.1 Mạch buck 15

2.2.2 Mạch boost 18

2.2.3 Mạch Buck – Boost: 19

2.3 Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời MPP 20

2.4 Các phương pháp phổ biến dò tìm điểm công suất cực đại pin mặt trời 21

2.4.1 Phương pháp điện áp hằng số 21

2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 22

vii

2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance) 24

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TRÌNH TOÁN 26

3.1 Cải tiến giải thuật P&O 26

3.2 Cấu hình bus DC 28

3.2.1 Đề xuất mô hình 28

3.2.2 Điều khiển ổn áp 29

3.2.3 Đề xuất giải thuật điều khiển bus DC 30

3.3 Xác định yêu cầu thiết kế 30

3.3.1 Thông số kỹ thuật 31

3.3.2 Dòng điện lớn nhất trên khóa điện 31

3.3.3 Cuộn cảm 31

3.3.4 Chọn diode chỉnh lưu 32

3.3.5 Chọn tụ điện 32

3.3.6 Mạch kích cho bộ Boost DC 33

3.3.7 Mạch kích cho bộ Bi – Directional 34

3.3.8 Thiết kế mạch đo lường 35

3.3.9 Mạch lọc thông thấp 36

CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 37

4.1 Bộ mô phỏng pin năng lượng mặt trời 37

4.2 Mạch Boost DC 38

4.3 Bộ biến đổi điện áp 2 hướng 39

4.4 Module giảm áp DC – DC 39

4.5 Cảm biến dòng điện ACS712 20A 40

4.5 IC giải mã 74HC238 40

4.6 Bộ điều khiển trung tâm 41

4.7 Phụ tải 41

4.8 Thi công mạch in 41

CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 43

5.1 Kết quả mô phỏng 43

5.1.1 Kết quả mô phỏng MPPT 43

5.1.2 Kết quả mô phỏng Bus DC 50

viii

5.2 Kết quả thực nghiệm 51

5.2.1 Dạng sóng điện áp trên các linh kiện: 51

5.2.2 Khảo sát hiệu suất của mạch: 53

5.2.3 Khảo sát hiệu suất dò MPPT: 53

5.2.4 Khảo sát mô hình bus DC: 54

CHƯƠNG 6 : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54

6.1 Kết luận 54

6.2 Hướng phát triển 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO

PHỤ LỤC: chương trình arduino

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

PV: Photovoltalic

MPP: Maximum Power Point

MPPT: Maximum Power Point Tracking

DC: Direct Current

AC: Alternate Current

P&O: Perturb and Observe

INC: Incremental Conductance

PID: Proportional-Integral-Derivative

MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG, BIỂU ĐỒ

Hình 1 1: Mạng lưới pin bị bóng che (a) và đặc tuyến P - V của mỗi dãy (b) 2

Hình 1 2: Điểm công suất cực đại của pin mặt trời 4

Hình 1 3: Một hệ thống nối lưới tiêu biểu 4

Hình 1 4: Cấu hình một hệ thống điện Hybrid 5

Hình 2 2: Bức xạ mặt trời trong ngày 11/2017 7

Hình 2 1: Tổng số giờ nắng 5/2015 7

Hình 2 3: Cấu tạo của tế bào quang điện 8

Hình 2 4: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 9

Hình 2 5: Hiện tượng quang điện 9

Hình 2 6: Điện áp hở mạch của tấm pin 10

Hình 2 7: Dòng điện ngắn mạch của tấm pin 11

Hình 2 8: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 11

Hình 2 9: Mô đun pin mặt trời 12

Hình 2 10: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ 13

Hình 2 11: Đặc tuyến P - V 13

Hình 2 12: Đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin 14

Hình 2 13: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 14

Hình 2 14: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 16

Hình 2 15: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 16

Hình 2 16: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 18

Hình 2 17: Dạng sóng dòng điện và điện áp của mạch Boost 18

Hình 2 18: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 19

Hình 2 19: Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 20

Hình 2 20: Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 21

Hình 2 21: Đường đặc tính P-V và giải thuật P&O 22

Hình 2 22: Lưu đồ giải thuật P&O 23

Hình 2 23: Độ dốc (dP/dV) của PV 24

Hình 2 24: Giải thuật INC 25

Hình 3 1: Lưu đồ giải thuật đề xuất 27

Hình 3 2: Cấu hình hệ thống Bus DC 28

Hình 3 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Bi - directional 28

Hình 3 4: Bộ điều khiển PID 29

Hình 3 5: Lưu đồ điều khiển bus DC 30

Hình 3 6: Mạch kích MOSFET cho bộ Boost DC 34

Hình 3 7: Mạch kích MOSFET cho bộ Bi - directional 35

x

Hình 3 8: Sơ đồ nguyên lý đo điện áp 35

Hình 3 9: Sơ đồ nguyên lý đo dòng điện 36

Hình 4 1: Bộ mô phỏng pin mặt trời Chroma 62050H 37

Hình 4 2: Giao diện phần mềm Chroma Array Simulation 38

Hình 4 3: Sơ đồ nguyên lý bộ Boost DC MPPT 38

Hình 4 4: Sơ đồ bộ biến đổi Bi - Directional 39

Hình 4 5: Bộ giảm áp DC dùng LM2596 39

Hình 4 6: Cảm biến dòng ACS712 40

Hình 4 7: Arduino Uno R3 41

Hình 4 8: Phụ tải dùng trong mô hình 41

Hình 4 9: Vùng chuyển mạch trong mạch biến đổi điện áp 42

Hình 4 10: Sản phẩm hoàn chỉnh 42

Hình 5 1: Mạch boost mô phỏng dò MPPT trên PSIM 43

Hình 5 2: Đồ thị công suất và độ rộng xung với giải thuật đề xuất 44

Hình 5 3: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên tấm pin 45

Hình 5 4: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên tải 46

Hình 5 5: Dạng sóng công suất và sự thay đổi độ rộng xung 47

Hình 5 6: Dạng sóng điện áp và dòng điện với P&O thường 48

Hình 5 7: Điện áp và dòng điện trên tải 49

Hình 5 8: Dạng sóng mô phỏng bus DC 50

Hình 5 9: Dạng sóng điện áp trên cực G của MOSFET 51

Hình 5 10: Dạng sóng điện áp VDS 52

Hình 5 11: Dạng sóng điện áp ra 52

Hình 5 12: Hiệu suất của bộ Boost MPPT 53

Hình 5 13: Thực nghiệm quá trình dò MPPT 53

Hình 5 14: Kết quả thực nghiệm bus DC 54

Bảng 4 1: Bảng trạng thái điều khiển Bi - Directional 40

Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu

Trong bối cảnh khủng hoảng hiện nay, ứng dụng năng lượng tái tạo đang được quan tâm và phát triển tại nhiều nước trên thế giới Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời được cho là ổn định và dồi dào nhất Với rất nhiều lợi thế về mặt tự nhiên,Việt Nam sở hữu tiềm năng rất lớn trong việc khai thác nguồn năng lượng này: là một trong những nước nhận bức xạ trung bình nhiều nhất trên bản đồ thế giới, với dường bờ biển dài hơn 3.000km, và hàng nghìn đảo có cư dân sinh sống

Hiện nay, có thêm nhiều dự án điện mặt trời đã và đang được xây dựng trên phạm vi cả nước đây là tiền đề quan trọng góp phần giải quyết bài toán năng lượng trong tượng lai, làm đa dạng hóa thành phần lưới điện quốc gia đáp ứng nhu cầu cung cấp điện cho nhiều hộ dân cư, đặc biệt là ở các vùng sâu vùng xa, biên giới hải đảo, những nơi mà việc cấp điện lưới gặp nhiều khó khăn về chi phí

Vài năm trở lại đây, khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: xăng, dầu, than đá, đang có dấu hiệu bị cạn kiệt đi, kèm theo đó là giá cả leo thang, ô nhiễm môi trường kèm theo biến đổi khí hậu, người dân đã ý thức được tầm quan trọng và tính kinh tế của những nguồn năng lượng tái tạo Do đó pin mặt trời dần đưa vào gần với cuộc sống của người dân Từ những thiết bị công suất nhỏ như: quạt, đèn, tivi…đến những thiết bị như: động cơ, máy bơm nước… được cung cấp từ những tấm pin mặt trời Chính vì thế, vấn đề công suất của tấm pin mặt trời quyết định tính hiệu suất

và hiệu quả của chúng trong cuộc sống

Tuy nhiên, các nguồn năng lượng tái tạo đều mang chung một nhược điểm là tính linh hoạt không cao và công suất ra hoàn toàn phụ thuộc vào điều kiện môi trường Chính vì vậy, vấn đề đặt ra là phải làm sao để điều khiển hệ thống sao cho có thể thu được năng lượng cao nhất và hiệu quả nhất Bài viết [1] đã phân tích bản chất của các bài toán dò điểm công suất cực đại chính là phối hợp tổng trở giữa tải

và nguồn đồng thời phân tích biến đổi tổng trở tương đương của các mạch biến đổi điện áp DC thường dùng hiện nay, tuy nhiên mô hình được đề cập phân tích mạch

Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh

2 giải thuật P&O và INC đã được mô phỏng lại trên phần mềm PSIM Một giải thuật P&O mới với độ ổn định cao hơn P&O truyền thống được trình bày trong [5] Các nghiên cứu trên đóng vai trò rất quan trọng trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời hiện nay

Khi kết nối một hệ thống nguồn pin mặt trời lớn, sẽ có nhiều tấm pin mắc song song và nối tiếp với nhau Khi đó, nếu một hoặc vài phần tử nhận bức xạ thấp hơn

do bóng che, đặc tuyến của hệ thống không chỉ tồn tại một mà là nhiều cực trị với công suất cực đại khác nhau như hình 1.1 Với các giải thuật leo dốc truyền thống

ta chỉ có thể dò ra được một cực trị nên cần có một giải thuật mới hơn để giải quyết tình trạng này Một bài viết tổng quan giới thiệu một số giải thuật hiện đại được thiết kế để tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất đã được nêu ra trong [6] Các giải thuật này đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống có quy mô lớn

Hình 1 1: Mạng lưới pin bị bóng che (a) và đặc tuyến P - V của mỗi dãy (b)