Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH LÂM NGỌC TÂM NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250... THÀNH PHỐ HỒ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH LÂM NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 605250

S K C0 0 4 6 8 1

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH LÂM NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 605250

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ HUỲNH LÂM NGỌC TÂM

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 605250

Hướng dẫn khoa học:

TS TRƯƠNG ĐÌNH NHƠN

Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2015

LÝ LỊCH KHOA HỌC

I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:

Địa chỉ liên lạc: 36, YerSin, phường 4, thành phố Mỹ Tho, tỉnh Tiền Giang

II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:

1 Trung học chuyên nghiệp: Không

2 Đại học:

Hệ đào tạo: Chính quy; Thời gian đào tạo từ 10/1997 đến 05/2002

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Ngành học: Điện Khí hóa và Cung cấp điện

Luận án tốt nghiệp: Tính toán máy biến áp một pha công suất nhỏ bằng ngôn ngữ lập trình Matlab

Ngày & nơi bảo vệ luận án tốt nghiệp: 03/2002 tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Trọng Thắng

3 Thạc sĩ:

Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ: 10/2013 đến 10/2015

Nơi học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh

III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC:

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp Hồ Chí Minh, ngày 25 tháng 10 năm 2015

Huỳnh Lâm Ngọc Tâm

Xin chân thành cảm ơn Ban Giám hiệu, Quý Thầy – Cô, đặc biệt là thầy cô Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho tôi những kiến thức quý báo trong những năm học tập tại Trường

Xin cảm ơn tất cả bạn bè, đồng nghiệp đã đồng hành trong suốt quá trình nghiên cứu Xin chân thành cảm ơn gia đình và những người thân yêu đã luôn động viên giúp đỡ,

là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho tôi vượt qua những khó khăn trong thời gian học tập và nghiên cứu hoàn thành luận văn tốt nghiệp

Cuối cùng, xin cảm ơn Ban Lãnh đạo Sở Công Thương Tiền Giang, Trung tâm Khuyến công và Tư vấn phát triển công nghiệp đã tạo điều kiện cho tôi trong suốt thời gian học tập tại Trường

TÓM TẮT

Việc thiếu hụt nguồn năng lượng đang là vấn đề nghiêm trọng với nhiều quốc gia trên thế giới Để giải quyết vấn đề trên thì các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời đang được xem là nguồn năng lượng bổ sung Nhưng khó khăn chính của việc sử dụng nguồn năng lương mặt trời là chi phí đầu tư cao, hiệu suất thấp Trong luận văn này chỉ giải quyết vấn đề tối ưu về công suất Giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện được đề xuất trong luận văn này đó là giải thuật P&O Việc mô phỏng này được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink Có thể kết luận từ kết quả nghiên cứu rằng giải thuật đề xuất có thể làm tăng hiệu suất của bộ sạc trong hệ thống pin mặt trời

ABSTRACT

The lack of energy is a serious problem for many countries around the world To solve the above problem, renewable energy sources, especially solar energy is being considered as a additional energy source But the main difficulty of using solar energy is the high investment cost, low perfomance This thesis only solves the optimization problem of power P&O algorithm to find the maximum power point of the photovoltaic system is proposed

The simulation results were performed by using Matlab/Simulink software It can be concluded from the simulation results that the proposed algorithm can improve the efficient of the PV charger for the studied PV system

MỤC LỤC

Trang Quyết định giao đề tài

Xác nhận hoàn thành luận văn

Lý lịch khoa học i

Lời cam đoan iii

Lời cảm ơn iv

Tóm tắt v

Abstract vi

Mục lục vii

Danh mục các chữ viết tắt x

Danh mục các hình xi

Danh mục các bảng xiv

Chương 1: TỒNG QUAN 1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu 1

1.2 Lý do chọn đề tài 9

1.3 Mục đích của đề tài 9

1.4 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 10

1.5 Phương pháp nghiên cứu 10

1.6 Điểm mới của luận văn 10

1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn 11

1.8 Nội dung của luận văn 11

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Các loại quang điện 12

2.1.1 Pin quang điện bán dẫn Silic 12

2.1.1.1 Cấu tạo của pin quang điện Silic 13

2.1.1.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện Silic 14

2.1.3 Pin quang điện dạng keo nước 18

2.1.4 Mô hình toán của pin mặt trời 18

2.2 Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời 22

2.3 Hệ thống pin mặt trời 24

2.4 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời 26

2.4.1 Bộ biến đổi DC/DC 26

2.4.2 Các loại biến đổi DC/DC 27

2.4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 32

2.5 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 33

2.5.1 Giới thiệu chung 33

2.5.2 Nguyên lý dung hợp tải 35

2.5.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 36

2.5.4 Phương pháp điều khiển MPPT 38

2.5.4.1 Phương pháp điều khiển PI 39

2.5.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 39

2.5.4.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 40

2.5.5 Giới hạn của MPPT 41

2.6 Bộ lưu trữ năng lượng 42

2.6.1 Các loại ắc quy 42

2.6.1.1 Ắc quy chì – axít 42

2.6.1.1 Ắc quy kiềm 43

2.6.2 Các đặc tính ắc quy 43

2.6.2.1 Dung lượng 43

2.6.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất 43

2.6.2.3 Điện áp hở mạch 43

2.6.3 Chế độ làm việc của ắc quy (ắc quy chì – axít) 44

2.6.3.1 Nạp ắc quy 44

2.6.3.2 Ắc quy phóng 44

2.6.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy 44

2.6.4.1 Nạp với dòng không đổi 45

2.6.4.2 Nạp với áp không đổi 46

2.6.4.3 Nạp nổi 46

2.6.5 Các sự cố cần bảo vệ của ắc quy chì - axít 47

2.6.6 Các tiêu chí lựa chọn ắc quy 47

2.6.7 Các thông số đặc trưng của ắc quy 48

2.6.7.1 Đặc tính phóng 48

2.6.7.2 Các phương pháp nạp cho ắc quy 49

2.6.7.2.1 Nạp với dòng điện không đổi 50

2.6.7.2.2 Nạp với điện áp không đổi 51

2.6.7.2.3 Phương pháp nạp dòng áp 52

Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ KẾT QUẢ THUẬT TOÁN 3.1 Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời 54

3.2 Nghiên cứu Solar cell 54

3.2.1 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi 54

3.2.2 Khi Is thay đổi 56

3.2.3 Khi thay đổi nhiệt độ T 57

3.3 Phân tích giải thuật P&O 58

3.4 Mô hình hóa hệ thống pin năng lượng mặt trời 59

3.5 Kết quả mô phỏng 62

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Các vấn đề được thực hiện trong luận văn 65

4.2 Đề nghị và hướng phát triển của luận văn 65

Tài liệu tham khảo 66

Phụ lục 68

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

- PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng

- MPP (Maximum Power Point): Điểm công suất cực đại

- MPPT (Maximum Power Point Tracking): Dò tìm điểm công suất cực đại

- Hệ MPPT: Ứng dụng điều khiển cho pin quang điện photovoltaic (PV)

- P&O (Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi để đạt đến điểm cực đại), còn gọi là phương pháp “Hill climbing: Leo đồi”

- IncCond (Incremental Conductance): Thuật toán độ dẫn

- AC (Alternating Current): Dòng điện xoay chiều

- DC (Direct Current): Dòng điện một chiều

- CC (Constant Current): Giải thuật dòng điện không đổi

- CV (Constant Voltage): Giải thuật điện áp không đổi

- PD (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ vi phân

- PI (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân

- PID (Proportional Integral Derivative): Điều khiển tỉ lệ tích phân vi phân

- PWM (Pulse-width modulation): Điều chế độ rộng xung

- IR (Infrared): Tia hồng ngoại

- UV ( UltraViolet): Tia cực tím

- AM (Air Mass ratio): Tỷ số khối khí Phổ bức xạ

- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy

DANH MỤC CÁC HÌNH

Trang

Hình 1.1 Dự báo nhu cầu điện của Việt Nam 1995 – 2030 3

Hình 1.2 Bản đồ cường độ bức xạ mặt trời ở Việt Nam 5

Hình 2.1 Pin quang điện 12

Hình 2.2 Cấu tạo pin quang điện Silic 13

Hình 2.3 Sơ đồ cấu trúc của pin quang điện Silic 13

Hình 2.4 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện 14

Hình 2.5 Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC 15

Hình 2.6 Cấu tạo của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC 16

Hình 2.7 Nguyên lý hoạt động của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC 17

Hình 2.8 Mô phỏng Pin quang điện lá nhân tạo 18

Hình 2.9 Mạch điện tương đương của pin mặt trời 18

Hình 2.10 Mô hình pin mặt trời lý tưởng 20

Hình 2.11 Mô đun pin mặt trời 20

Hình 2.12 Đặc tuyến I-V với bức xạ khác nhau 21

Hình 2.13 Đặc tuyến P-V với bức xạ khác nhau 22

Hình 2.14 Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 22

Hình 2.15 Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi 23

Hình 2.16 Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập 24

Hình 2.17 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 27

Hình 2.18 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 28

Hình 2.19 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 30

Hình 2.20 Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 30

Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 31

Hình 2.22 Mạch vòng điều khiển điện áp 32

Hình 2.23 Mạch vòng dòng điện phản hồi 33

Hình 2.24 Tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị

điện trở được 34

Hình 2.25 Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được 34

Hình 2.26 Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D 36

Hình 2.27 Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ 36

Hình 2.28 Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ 37

Hình 2.29 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 37

Hình 2.30 Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O 39

Hình 2.31 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 40

Hình 2.32 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 40

Hình 2.33 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D 45

Hình 2.34 Các chế độ nạp ắc quy 48

Hình 2.35 Đặc tính phóng của ắc quy 50

Hình 2.36 Sơ đồ đặc tính nạp với dòng điện không đổi 51

Hình 3.1 Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời 54

Hình 3.2 Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs 55

Hình 3.3 Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi 56

Hình 3.4 Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi 57

Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật P&O 58

Hình 3.5 Mô hình MPPT phương pháp P&O điều khiển sạc trong hệ thống pin năng lượng mặt trời 59

Hình 3.6 Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời 60

Hình 3.7 Sơ đồ tổng quát thuật toán P&O và mạch tăng giảm điện áp 60

Hình 3.8 Mô phỏng mạch Buck - Boost 60

Hình 3.9 Mô phỏng mạch sạc ắc quy lưu trữ 61

Hình 3.10 Mô phỏng mạch Boost điện áp 61

Hình 3.11 Mô phỏng mạch Boost điện áp 61

Hình 3.12 Độ rọi thay đổi ngẫu nhiên trong thời gian 4 giây 62

Hình 3.13 Điện áp ra của pin mặt trời khi chưa có thuật toán MPPT 62

Hình 3.14 Sơ đồ bộ điều khiển MPPT sử dụng thuật toán P&O 62

Hình 3.15 Điện áp ra của pin mặt trời khi sử dụng thuật toán P&O 63

Hình 3.16 So sánh điện áp ra của pin mặt trời 63

Hình 3.17 Dòng điện nạp vào của ắc quy 64

Hình 3.18 Đặc tính V_I của ắc quy 64

DANH MỤC CÁC BẢNG

Trang

Bảng 1.1 Dự báo nhu cầu năng lượng điện 2015 - 2030 4

Bảng 1.2 Lượng tổng xạ bức xạ mặt trời trung bình ngày của các tháng trong năm ở một số địa phương của nước ta 5

Bảng 3.1 Giá trị Vm, Pm khi Rs thay đổi 55

Bảng 3.2 Giá trị Vm, Pm khi Is thay đổi 56

Bảng 3.3 Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi 58

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan lĩnh vực nghiên cứu

Năng lượng có vai trò đặc biệt quan trọng trong việc duy trì mức tăng trưởng kinh tế cao, cải thiện đời sống nhân dân, góp phần đảm bảo an ninh chính trị, an ninh năng lượng và phát triển bền vững của mỗi quốc gia

Ngày nay, do sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, các ngành công nghiệp sử dụng các dạng năng lượng tăng mạnh (phụ tải tăng) Cùng với sự biến đổi khí hậu diễn biến phức tạp nên việc sử dụng năng lượng ngày càng tăng, nguồn năng lượng thiên nhiên khai thác tăng nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng trên toàn cầu, nguồn năng lượng hóa thạch thì có hạn, con người khai thác đến một lúc nào đó sẽ hết, sẽ dần cạn kiệt, hơn nữa việc khai thác và sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch, thủy điện,…đã để lại cho con người những hậu quả về tác động môi trường là vô cùng lớn Cụ thể, khi sử dụng nguồn nguyên liệu này thải ra môi trường các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí quyển từ đó làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đến cuộc sống của con người trong hiện nay và trong tương lai

Ngày nay, khi tiềm năng thủy điện được khai thác gần hết, còn nguyên liệu như than đá, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và sẽ cạn kiệt trong tương lai, còn năng lượng nguyên tử chứa đựng nhiều yếu tố nguy hiểm do sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới và sạch đã trở thành yêu cầu cấp thiết của nhiều quốc gia, đặc biệt là các nước đang phát triển và đã đạt được nhiều thành công nhất định như sự ra đời của các nhà máy phát điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn MW Tuy nhiên các nguồn năng lượng này tương đối phụ thuộc vào tự nhiên Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta triển khai khá mạnh mẽ bởi tính ưu việc của nó như luôn có sẵn, siêu sạch và gần

Chính vì vậy, việc tập trung chỉ đạo, đầu tư cho phát triển nguồn năng lượng luôn được Đảng và Nhà nước ta chú trọng, đặc biệt là nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, năng lượng sinh khối, gió, thủy điện

Hiện nay, năng lượng gió tạo ra trên thế giới hàng năm tăng 20% với sản lượng điện năng năm 2011 đạt 238.000 MW và tổng sản lượng năng lượng mặt trời trên toàn thế giới đã đạt 67.000 MW Trên thực tế, hệ thống năng lượng mặt trời với công suất lớn có thể cung cấp tin cậy một phần năng lượng trên toàn thế giới

Trong khi đó ở Việt Nam, theo chiến lược phát triển năng lượng quốc gia giai đoạn từ năm 2011 đến năm 2020 và tầm nhìn đến năm 2030 đã được Thủ tướng chính phủ phê duyệt, lượng năng lượng tái tạo và năng lượng mới sẽ đạt mức 5,6% tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020 và tăng trưởng đến mức 9,4% vào năm

2030 Vì nguồn năng lượng này có nhiều ưu điểm như chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt nguồn tài nguyên này vô cùng phong phú

Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần đường xích đạo nên chúng ta có nguồn năng lượng tái tạo vô cùng lớn, đặc biệt năng lượng mặt trời có cường độ bức xạ tương đối cao, với bức xạ trung bình đạt 4 đến 5 kWh/m2 mỗi ngày Các khu vực có cường độ ánh sáng cao phải kể đến khu vực phía Nam có những khu vực cường độ ánh sáng lên đến 5 kWh/m2 thời gian nắng lên đến 7000 h/năm Như vậy có thể nói

ở khu vực phía Nam là nơi thuận lợi để khai thác tiềm năng năng lượng mặt trời Các khu vực còn lại như ở phía Bắc do điều kiện khí hậu 4 mùa thay đổi do đó thời gian có năng ở khu vực này không cao, cường độ ánh sáng trung bình thấp, chỉ có một vài tháng hè có cường độ ánh sáng cao nhưng tính thời gian trung bình có nắng trong năm lại thấp do đó ở các khu vực này khó sử dụng pin mặt trời hơn, nếu sử dụng thì sản lượng điện thu được cũng không cao do đó tính hiệu quả kinh tế sẽ thấp

Kinh tế Việt Nam đã có bước phát triển khá nhanh trong những năm gần đây Mức sống của người dân đặc biệt là khu đô thị ngày một nâng cao do đó nhu cầu sử dụng điện năng với chất lượng cao cũng tăng Theo các tính toán dự báo thì các