Thiết kế, mô hình hóa và điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời

Tên đề tài: THIẾT KẾ, MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI II.. Nhiệm vụ đề tài: + Đề xuất và thiết kế phần cứng các bộ biến đổi công

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYỄN MINH HUY

THIẾT KẾ, MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG

Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Minh Phương

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Vĩnh Hảo

Cán bộ chấm nhận xét 2: TS Nguyễn Đức Thành

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 31 tháng 12 năm 2014

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1 PGS.TS Nguyễn Thị Phương Hà – Chủ tịch hội đồng

2 TS Nguyễn Trọng Tài – Thư ký hội đồng

3 TS Nguyễn Vĩnh Hảo - Ủy viên hội đồng

4 TS Nguyễn Đức Thành – Ủy viên hội đồng

5 TS Trương Đình Châu – Ủy viên hội đồng

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ

Họ và tên học viên: NGUYỄN MINH HUY Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 20/9/1989 Nơi sinh: Đồng Tháp

I Tên đề tài:

THIẾT KẾ, MÔ HÌNH HÓA VÀ ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

II Nhiệm vụ đề tài:

+ Đề xuất và thiết kế phần cứng các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời dạng “micro grid” bao gồm bộ sạc, bộ nghịch lưu 1 pha, bộ nghịch lưu 3 pha hòa lưới

+ Mô hình hóa các bộ điều khiển và đề xuất giải thuật điều khiển cho từng bộ biến đổi công suất bao gồm:

Điều khiển bộ sạc sử dụng năng lượng mặt trời, kết hợp sạc dò tìm công suất cực đại (MPPT) và sạc 3 trạng thái sử dụng bộ điều khiển

mờ (Fuzzy logic)

Điều khiển bộ inverter 1 pha công suất từ 1 đến 2.5KW có thể ghép nối song song để tăng công suất và tăng tính linh hoạt

Mô hình hóa và điều khiển bộ biến đổi công suất năng lượng mặt trời

3 pha hòa lưới sử dụng bộ lọc thích nghi và ước lượng Kalman

+ Thực nghiệm mô hình, triển khai áp dụng thực tế mô hình bộ sạc, bộ inverter 1 pha, triển khai mô hình nghiên cứu bộ inverter 3 pha hòa lưới

III Ngày giao nhiệm vụ: 21/01/2013

IV Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/12/2013

V Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi đến thầy PGS TS Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc vì

đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tôi những lời khuyên bổ ích để hoàn thành luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô Bộ Môn Cung Cấp Điện, Phòng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn

Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt

là các Thầy Cô bộ môn Điều khiển tự động giảng dạy tận tình, cho tôi nhiều kiến thức mới bổ ích, bên cạnh đó tôi cũng được các bạn bè cùng khóa, cùng lớp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị Xin gởi đến các Thầy Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất

Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ và các anh chị em trong gia đình đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Tp Hồ Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2013

Nguyễn Minh Huy

2

TÓM TẮT LUẬN VĂN

Luận văn này nghiên cứu, thiết kế, điều khiển và triển khai mô hình các bộ biến đổi công suất ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời dạng micro grid sử dụng trong dân dụng bao gồm các bộ sạc thông minh, bộ inverter 1 pha 24VDC/220VAC công suất từ 1 đến 2.5KW, bộ inverter 3 pha hòa lưới

Bộ sạc có nhiệm vụ sử dụng kết hợp nguồn năng lượng từ pin mặt trời và từ lưới nhằm tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn bảo đảm acquy luôn trong trạng thái sẵn sàng sử dụng trong các ứng dụng cần nguồn điện liên tục Bộ sạc có cấu trúc bộ biến đổi DC/DC dạng Buck, điều khiển bằng vi điều khiển PIC 16F của microchip

Bộ inverter 1 pha ứng dụng trong dân dụng với điện áp có dạng sóng sin ở ngõ ra với chất lượng điện năng đáp ứng theo tiêu chuẩn sóng hài, cho phép thay đổi linh hoạt cấu hình chuyển đổi năng lượng và linh hoạt về công suất thiết kế Bộ inverter 1 pha có thể sử dụng như 1 bộ nguồn dự phòng (UPS) hoặc sử dụng kết hợp với bộ sạc và pin mặt trời để tạo thành hệ thống năng lượng mặt trời Bộ inverter được đề xuất sử dụng bộ điều khiển Fuzzy và VOC (voltage oriented control) để tăng tính linh động và tăng khả năng thay đổi công suất

Bộ inverter 3 pha kết nối lưới có tác dụng biến đổi công suất năng lượng mặt trời thành điện áp AC hòa lưới bao gồm bộ biến đổi công suất DC/DC dạng push pull và bộ DC/AC 3 pha 2 bậc Bộ inverter sử dụng bộ lọc thích nghi và bộ ước lượng kalman để cho đáp ứng tốt trong trường hợp lưới điện có sự mất cân bằng hoặc có sóng hài, ngoài ra bộ nghịch lưu còn có thể điều khiển công suất thực, công suất kháng trong trường hợp cần bù công suất phản kháng trên lưới

Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài, mô hình mô phỏng được xây dựng bằng hàm truyền, phương trình trạng thái mô hình hóa của hệ thống cũng như là mô phỏng

hệ thống thực sử dụng Sim Power system

Mô hình thực nghiệm được xây dựng sử dụng với card điều khiển DSP C2000 (TMS320F2812/TMS320F28069), được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử Công suất và 1 phần của mô hình đã được triển khai thực tế tại Ninh Thuận từ tháng 4/2013 đến nay

4

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

TÓM TẮT LUẬN VĂN 2

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG BIỂU 10

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 11

1.1 Đặt vấn đề 11

1.2 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời: 11

1.3 Hệ thống năng lượng mặt trời đề xuất: 12

1.4 Phạm vi đề tài 14

1.5 Sản phẩm đạt được của đề tài: 14

CHƯƠNG 2 TỒNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 16

2.1 Hoạt động của Pin năng lượng mặt trời – PV cell 16

2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời 16

2.1.2 Mô hình toán pin năng lượng mặt trời: 17

2.2 Hệ Thống PV Độc Lập 21

2.3 Hệ thống PV kết nối lưới 22

2.4 Hệ thống PV kết hợp: 24

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25

3.1 Bộ sạc từ PV và bộ sạc từ lưới 25

3.2 Bộ inverter 1 pha 24V / 220V 37

3.2.1 Bộ chuyển đổi push pull 38

3.2.2 Mô hình hóa bộ biến đổi công suất DC/DC 41

3.3 Bộ nghịch lưu 1 pha 49

3.4 Inverter 3 pha hòa lưới 56

CHƯƠNG 4 : THIẾT KẾ PHẦN CỨNG 80

4.1 Thiết kế mạch sạc ắc quy 80

4.1.1 Mạch sạc Multimode 80

4.1.2 Mạch sạc ắc quy từ pin mặt trời 83

4.1.3 Thiết kế mạch hiển thị 87

4.1.4 Thiết kế nguồn phụ trợ 89

CHƯƠNG 5 : KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 110

5.1 Kết quả thực nghiệm bộ sạc và bộ inverter 1 pha 110

5.1.1 Kết quả thực nghiệm dò tìm MPPT 111

5.1.2 Khảo sát về hiệu suất của bộ inverter 114

5.1.3 Khảo sát khả năng đáp ứng của bộ nguồn 114

5.2 Inverter 3 pha 117

5.2.1 Kết quả bộ nghịch lưu 118

5.2.2 Kết quả hòa lưới 118

5.2.3 Phân tích dạng dòng nghịch lưu và áp lưới trên 1 pha 119

5.2.4 Chất lượng dòng hòa lưới 119

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN 122

TÀI LIỆU THAM KHẢO 123

PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 127

Hình 3.18 Bộ DC/DC converter kiểu Half-Bridge _ 39 Hình 3.19 Bộ DC/DC converter kiểu Full-Bridge _ 39 Hình 3.20 Sơ đồ tương đương của bộ push pull _ 41 Hình 3.21Mô phỏng bộ push pull trên matlab – simulink _ 42 Hình 3.22 Điện áp ngõ vào, điện áp trên tải và dòng tải của bộ push pull 42 Hình 3.23 Biểu đồ bode hệ trước khi hiệu chỉnh 44 Hình 3.24 Biểu đồ bode hệ sau hiệu chỉnh PI _ 44 Hình 3.25 Hàm liên thuộc ngõ vào _ 45 Hình 3.26 Hàm liên thuộc vi phân của ngõ vào _ 45 Hình 3.27Hàm liên thuộc ngõ ra _ 45 Hình 3.28 Mô phỏng bộ push pull sử dụng bộ điều khiển PI _ 46 Hình 3.29 Điện áp DC – link và dòng điện trên tải AC _ 47 Hình 3.30 Dòng điện trên bộ DC/DC 47 Hình 3.31Bộ push pull sử dụng bộ điều khiển Fuzzy logic _ 48 Hình 3.32 Điện áp DC – link và dòng điện trên tải AC (fuzzy logic) _ 48 Hình 3.33 Dòng điện trên bộ DC/DC (fuzzy logic) 49 Hình 3.34 Sơ đồ khối tổng quát bộ nghịch lưu 50 Hình 3.35 Sơ đồ bộ điều khiển nghịch lưu đồng bộ 51 Hình 3.36 Khối tạo điện áp trực giao _ 51 Hình 3.37 Đặc tuyến biên tần, pha tần khối tạo điện áp trực giao 52 Hình 3.38 Bộ biến đổi dq và bộ điều khiển _ 52 Hình 3.39 Bộ inverter hòa đồng bộ trên simulink 53 Hình 3.40 Bộ PLL 1 pha 54 Hình 3.41 Tín hiệu đồng bộ từ bộ PLL _ 54 Hình 3.42 Mô hình các inverter mắc song song _ 55 Hình 3.43 Dòng điện, điện áp trên các bộ inverter mắc song song 56 Hình 3.44 Mô hình nghịch lưu 3 pha hòa lưới 57 Hình 3.45 Bộ nghịch lưu 3 pha hòa lưới _ 58 Hình 3.46 Mô hình bộ PLL 3 pha _ 59 Hình 3.47 Mô hình bộ PLL 3 pha _ 60 Hình 3.48 Mô hình bộ lọc có bộ lọc IIR Schur lattice _ 61 Hình 3.49 Mô hình bộ PLL thích nghi trên máy tính 62 Hình 3.50 Biểu đồ bode của bộ lọc _ 63 Hình 3.51 Điện áp lưới (a), tần số lưới (50 Hz) trong trường hợp không có bộ lọc (b) và có bộ lọc (c) 64 Hình 3.52 Điện áp lưới (a), tần số lưới (50 Hz) trong trường hợp có mất cân bằng lưới β = γ = 5%, không có bộ

8

Hình 3.53 Điện áp lưới (a), tần số lưới (50 Hz) trong trường hợp có mất cân bằng lưới, có sóng hài, không có

bộ lọc (b) và có bộ lọc (c) 66 Hình 3.54 Điện áp lưới với tần số lưới (55 Hz) trong trường hợp không mất cân bằng lưới, đáp ứng tần số khi không có bộ lọc (a) và có bộ lọc (b) 67 Hình 3.55 Điện áp lưới với tần số lưới (55 Hz) trong trường hợp có mất cân bằng lưới, đáp ứng tần số khi không có bộ lọc (a) và có bộ lọc (b) 67 Hình 3.56 Điện áp lưới với tần số lưới (55 Hz) trong trường hợp mất cân bằng lưới, có sóng hài, đáp ứng tần

số khi không có bộ lọc (a) và có bộ lọc (b,c) 68 Hình 3.57 Mô hình nghịch lưu hòa lưới _ 69 Hình 3.58 Mô hình trạng thái bộ nghịch lưu hòa lưới 3 pha _ 70 Hình 3.59 Mô hình bộ inverter hòa lưới hoàn chỉnh _ 71 Hình 3.60 Mô hình bộ nghịch lưu hòa lưới trên simulink bao gồm PV, bộ DC/DC push pull, inverter 3 pha và bộ điều khiển 72 Hình 3.61 Bộ ước lượng Kalman _ 73 Hình 3.62 Biểu đồ bode (singular values) của hệ trước và sau khi hiệu chỉnh _ 75 Hình 3.63 Điện áp trên DC – Link (a) và dòng điện trên tải (b) trong trường hợp không có nhiễu _ 76 Hình 3.64 Điện áp trên DC – Link (a) và dòng điện trên tải (b) trong trường hợp có nhiễu, không sử dụng bộ lọc Kalman 77 Hình 3.65 Điện áp trên DC – Link (a) và dòng điện tải thực tế (b) _ 77 Hình 3.66 Điện áp lưới Vd, Vq (a) và dòng điện hòa lưới (b) _ 78 Hình 3.67 Điện áp lưới Vd, Vq (a) và dòng điện hòa lưới (b) trong trường hợp có sử dụng các bộ lọc thích nghi _ 79 Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ sạc ắc quy đa chế độ từ nguồn lưới và pin mặt trời _ 80 Hình 4.2 Sơ đồ layout và sơ đồ thi công mạch chuyển đổi 81 Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lý bộ sạc ắc quy từ lưới _ 82 Hình 4.4: Sơ đồ layout và sơ đồ thi công bộ sạc ắc quy từ lưới _ 83 Hình 4.5: Sơ đồ nguyên lý mạch sạc ắc quy từ pin mặt trời 84 Hình 4.6: Sơ đồ layout và sơ đồ thi công bộ sạc ắc quy pin mặt trời 85 Hình 4.7: Sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị LCD _ 87 Hình 4.8: Sơ đồ layout và sơ đồ thi công mạch hiển thị LCD _ 88 Hình 4.9: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng điện _ 88 Hình 4.10:Sơ đồ layout và sơ đồ thi công mạch cảm biến dòng điện 89 Hình 4.11: Sơ đồ nguyên lý mạch nguồn phụ trợ 15VDC cách ly 90 Hình 4.12: Sơ đồ layout và sơ đồ thi công mạch nguồn phụ trợ 15VDC 90 Hình 4.13: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển IC LM2576 91 Hình 4.14: Sơ đồ layout và sơ đồ thi công mạch điều khiển LM2576 91

Hình 4.15: Sơ đồ nguyên lý bộ DC/DC Push-Pull và DC/AC _ 92 Hình 4.16 : Sơ đồ nguyên lý mạch push pull. 93 Hình 4.17: Sơ đồ bộ nghịch lưu áp cầu một pha _ 96 Hình 4.18: Sơ đồ mạch lái bộ nghịch lưu áp cầu một pha _ 97 Hình 4.19: Sơ đồ nguyên lý phần công suất của bộ nguồn 98 Hình 4.20: Sơ đồ layout và sơ đồ thi công phần công suất của bộ nguồn _ 99 Hình 4.21: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bộ Push-Pull DC/DC 99 Hình 4.22: Sơ đồ layout và sơ đồ thi côngmạch điều khiển bộ Push-Pull DC/DC 100 Hình 4.23: Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển bộ nghịch lưu áp DC/AC 102 Hình 4.24: Sơ đồ layout và sơ đồ thi côngmạch điều khiển bộ nghịch lưu áp DC/AC. _ 102

Hình 4.25: Sơ đồ mạch đệm schmitt trigger 103

Hình 4.26: Sơ đồ nguyên lý cảm biến áp _ 105 Hình 4.27: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến dòng 107 Hình 4.28: Mạch thi công cảm biến áp và cảm biến dòng 107 Hình 4.29: Sơ đồ nguyên lý mạch kích IGBT _ 108 Hình 4.30: Mạch thi công inverter 109 Hình 5.1: Hình ảnh các bộ inverter sau khi thi công _ 110 Hình 5.2: Dòng và áp của pin khi chạy mô hình thực nghiệm _ 112 Hình 5.3: Công suất của pin khi chạy thực nghiệm _ 112 Hình 5.4: Kết quả mô phỏng U (V) với giả sử nhiệt độ trên bề mặt pin không đổi là 30 độ C 113 Hình 5.5: Giản đồ điên áp DC-link, điện áp tải, dòng điện tải _ 115 Hình 5.6:Giản đồ điên áp DC-link, điện áp tải, dòng điện tải _ 115 Hình 5.7:Giản đồ điên áp DC-link, dòng điện tải trong trường hợp công suất thay đổi. _ 116 Hình 5.8:Giản đồ điên áp DC-link, điện áp tải, dòng điện tải Phân tích phổ điện áp ngõ ra (thành phần hài cơ bản và THD) 116 Hình 5.9: Mô hình phần cứng bộ nghịch lưu hòa lưới _ 117 Hình 5.10: Dạng điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu 118 Hình 5.11: Dạng dòng điện trên 1 pha và áp 3 pha nghịch lưu hòa lưới 118 Hình 5.12: Công suất, hệ số công suất hòa lưới 119 Hình 5.13: Dạng dòng điện phân tích THD 119 Hình 5.14 a,b,c: Kết quả phân tích THD dòng điện _ 120 Hình 5.15: Nghịch lưu hòa lưới với các hệ số công suất điều khiển được _ 121

10

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Bảng luật mờ 32

Bảng 3.2 Các đặc trưng cơ bản của 3 bộ DC/DC 40

Bảng 4.1: Bảng thông số bộ sạc từ lưới 81

Bảng 4.2: Thông số bộ DC/DC Push Pull 92

Bảng 4.3: Bảng thông số bộ nghịch lưu Full-Bridge DC/AC 96

Bảng 4.4: Bảng thông số biến áp LEM LV 25P 104

Bảng 4.5: Bảng thông cảm biến dòng LEM HX 20P 106

Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật của các bộ nguồn thiết kế 111

Bảng 5.2:Thông số của hệ thống pin khi chạy thực nghiệm 113

Bảng 5.3: Hiệu suất của bộ nguồn 114

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI

1.1 Đặt vấn đề

Các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, … đang dần cạn kiệt và vấn đề bức thiết đặt ra cho các nhà khoa học trên toàn thế giới đó chính là tìm ra các nguồn năng lượng thay thế Trong nhiều nguồn năng lượng mới, năng lượng mặt trời đóng một vai trò quan trọng và được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học

Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn đề cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay

Thuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho nên nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú

Việt Nam có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa như

“nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những vùng này Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam còn mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng

Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay vẫn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng đó đòi hỏi phải có các nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo được các bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo thành nguồn điện có khả năng ứng dụng được trong dân dụng cũng như trong công nghiệp Các

bộ nghịch lưu này phải đảm bảo chất lượng điệp áp, tính ổn định và giá thành hợp lý

1.2 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời:

Đầu tiên, năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là năng lượng điện 1 chiều (DC), để sử dụng được (trong công nghiệp, dân dụng, hoà lưới điện), nó phải

được chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều AC Sự chuyển đổi đó được thực

12

Thông thường, điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời chưa đủ để đưa vào bộ DC-AC (hoặc do nhu cầu muốn tăng hiệu suất của các bộ biến đổi công suất), giữa pin mặt trời và tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm một bộ biến đổi công suất

dạng DC/DC, tăng hoặc giảm áp (Boost/Buck)

Tuy nhiên, công suất của pin mặt trời là một đại lượng biến thiên liên tục và phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,… khiến cho

ngõ ra thường không ổn định và không tận dụng được công suất tối đa Do đó, trong

bài toán năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực đại MPP (Max power point) là một vấn đề hết sức quan trọng Có rất nhiều kĩ thuật tối ưu điểm công suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát

triển

Nếu hệ thống năng lượng mặt trời phải thoả mãn yêu cầu nối lưới thì cần phải đồng bộ điện áp ngõ ra với điện áp lưới điện Việc đồng bộ này phải được thực hiện dựa trên việc đảm bảo tần số và góc pha Kĩ thuật nối lưới gọi là điều khiển vòng

khoá pha PLL

1.3 Hệ thống năng lượng mặt trời đề xuất:

Hệ thống năng lượng mặt trời đề xuất có cấu trúc như hình

Battery 2x12VDC

DC/DC

Push Pull DC/DC

=

DC/AC

220V,50Hz

AC Power 330VDC

Hình 1.1 Mô hình microgrid đề xuất

Hình 1.1 là hệ thống PV đề xuất bao gồm bộ sạc, bộ inverter 1 pha stand alone, bộ inverter hòa lưới được kết nối thành hệ thống “micro grid” Các tải sử dụng

bao gồm các tải nặng 3 pha và tải sinh hoạt 1 pha Hệ thống sẽ đảm bảo cung cấp năng lượng cho các tải theo thứ tự ưu tiên 1 cách liên tục trong trường hợp mất điện

áp lưới và cả trường hợp về đêm

Trong điều kiện vận hành bình thường, nguồn năng lượng từ pin mặt trời được dùng nạp accu lưu trữ qua bộ sạc, phần năng lượng thừa sẽ trả vào lưới qua bộ inverter hòa lưới, các tải vận hành bằng nguồn năng lượng kết hợp giúp tiết kiệm năng lượng tải từ hệ thống điện

Khi có sự cố mất lưới xảy ra, các tải nặng (3pha) được ngắt đi, bộ sạc, accu và inverter 1 pha kết hợp thành hệ thống năng lượng mặt trời 1 pha cung cấp cho các tải sinh hoạt hoặc các tải cần thiết, trong trường hợp mất lưới về đêm không có năng lượng mặt trời, năng lượng từ accu được sử dụng kết hợp với inverter 1 pha như là 1

Nếu chỉ sử dụng PV, bộ sạc kết hợp với accu ta có hệ thống năng lượng mặt trời đơn giản nhất cung cấp cho các tải DC

Sử dụng PV, bộ sạc, accu, và inverter 1 pha ta có hệ thống năng

lượng mặt trời stand alone cung cấp cho các tải sinh hoạt ở vùng

không có điện lưới

Sử dụng PV và bộ inverter 3 pha hòa lưới ta có hệ thống năng lượng mặt trời 3 pha kết nối lưới giúp tiết kiệm năng lượng

Nếu kết hợp tất cả các thiết bị trên ta có hệ thống năng lượng mặt trời micro grid cung cấp điện liên tục

14

1.4 Phạm vi đề tài

Bài toán xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời với yêu cầu tận dụng tối ưu nguồn năng lượng này, đạt hệ số công suất cao, khả năng hoà lưới, hoạt động ổn định và giảm giá thành sản xuất là một bài toán phức tạp và cho đến nay vẫn còn

được tiếp tục nghiên cứu

Phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu, giải quyết các vấn đề sau:

+ Đề xuất phướng án thiết lập hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời theo hướng micro-inverter

+ Ứng dụng thuật toán MPPT để dò tìm điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời, điều khiển hệ thống nghịch lưu năng lượng mặt trời 1 pha và 3 pha hòa lưới bằng các bộ điều khiển thích hợp, phân tích ưu, nhược điểm từng bộ

điều khiển

+ Mô phỏng hệ thống với các giải thuật khác nhau

+ Thiết kế các bộ biến đổi công suất năng lượng mặt trời thử nghiệm tại phòng thí nghiệm và thử nghiệm trong điều kiện thực tế

1.5 Sản phẩm đạt được của đề tài:

1 Mô hình thí nghiệm bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời 3 pha kết nối lưới và giải thuật điều khiển kết nối lưới trên DSP TMS320F2812

2 Mô hình triển khai thử nghiệm và áp dụng thực tế bộ sạc, bộ inverter 1 pha

trong dự án “Hệ thống tưới phun mưa sử dụng năng lượng mặt trời áp dụng tại Ninh Thuận” tại Ninh Thuận từ tháng 4/2013 đến nay

3 06 Bài báo khoa học đăng trong tạp chí, kỷ yếu hội nghị trong nước hoặc quốc tế:

- 01 bài báo khoa học được nhận đăng trên Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 16,

số K3-2013:“Design an uninterruptible power supplies based on high efficiency Push–Pull converter”

- 02 bài báo được đăng tại hội nghị The 2013 International Symposium On

Electrical – Electronics Engineering (ISEE 2013): “The New Space Vector Pulse Width Modulation for Unbalanced Voltage Sources For Five-Level Diode Clamped Converter” pp 300 - 305, và “Applying Fuzzy-logic Control for Tracking

MPP of a PV System Based on Push-pull DC/DC Converter” , pp 332 – 340,

ISBN: 978 - 604 - 73 - 2039 - 4

- 01 bài báo đƣợc đăng tại hội nghị International Conference on Green

Technology and Sustainable Development (GDST- 2012): “A Three-Phase Connected Photovoltaic System with Power Factor Regulation”

Grid 02 bài báo đƣợc đăng tại hội nghị APSAEM 2012: “A three-phase

grid-connected Photovoltaic (PV) System based on DSP Control” pp 398-403 và

“An Experimental Grid-tie Inverter using DSP C2000 digital power

framework” pp 404-407, ISBN 978-4-931455-20-7.

16

CHƯƠNG 2 TỒNG QUAN VỀ CÁC HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

2.1 Hoạt động của Pin năng lượng mặt trời – PV cell

2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời – Photovoltaic hay thường được gọi là PV, được cấu tạo

từ các lớp bán dẫn P-N, khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào, các electron có mức năng lượng ở dãy cấm (vùng hóa trị) nhận năng lượng từ photon (E) để chuyển lên

mức năng lượng dãy dẫn và trở thành electron tự do

Hình 2.1 Phân vùng năng lượng của electron trong bán dẫn P-N

Trong hình trên Ec, Ev lần lượt là năng lượng các electron ở dãy dẫn và dãy cấm

Eg là năng lượng cần thiết để một electron chuyển từ dãy cấm lên dãy dẫn Eg tùy

thuộc vào từng loại bán dẫn

2.1.2 Mô hình toán pin năng lượng mặt trời:

Do 1 cell PV được cấu tạo từ bán dẫn P-N,nên ta có thể tương đương thành 1

diode mắc song song với 1 nguồn dòng có điện trở nội

Hình 2.2 Mô hình một cell pin PV

Ta có dòng điện ra khỏi một cell pin mặt trời:

Áp dụng công thức Shockley cho diode ta có:

(2.3) Trong đó:

thay đổi theo nhiệt độ theo phương trình: ) (2.4)

Cùng 1 nhiệt độ, thay đổi theo bức xạ:

(2.5)

(2.8)

18

Từ các phân tích trên, pin mặt trời sẽ có các đặc tuyến dòng-áp và công suất-điện

áp như trong hình dưới đây Từ đặc tuyến của pin, ta có thể thấy rằng, chỉ có duy nhất một điểm làm việc mà tại đó công suất của pin sẽ đạt giá trị cực đại

Điểm này được gọi là MPP – Maximum Power Point, tức là điểm có công suất cực đại

Hình 2.3 Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời

Tuy nhiên đặc tuyến I-V của pin còn phụ thuộc vào thông số nhiệt độ môi trường

và công suất bức xạ của mặt trời

Hình 2.4 Đặc tuyến P - V tại các nhiệt độ khác nhau

Hình 2.4 mô tả sự thay đổi các đặc tuyến của pin khi nhiệt độ môi trường là cố định còn bức xạ thay đổi, hình 2.5 biểu diễn các đặc tuyến của pin khi bức xạ giữ cố định là 1000[W/m2] còn nhiệt độ thay đổi với các giá trị khác nhau

Hình 2.5 Đặc tuyến P-V của pin khi công suất bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi

Điện áp ngõ ra từ mỗi cell pin thường rất nhỏ, do đó tấm pin thực tế được ghép nối từ nhiều cell, bao gồm ghép nối tiếp và song song để đạt được công suất và điện

áp mong muốn

Các cell pin khi mắc nối tiếp sẽ làm tăng áp hở mạch của bộ pin và tương tự, mắc

song song sẽ làm tăng dòng ngắn mạch của bộ pin

20

Hình 2.6 Đặc tuyến khi mắc các cell pin nối tiếp (bên trái) và song song (bên phải)

Nếu các cell pin khi mắc nối tiếp không được chiếu sáng đồng đều, thì sẽ có một

số cell pin xuất hiện dòng ngược, dẫn đến đảo cực tính của các cell pin đó, điều này

sẽ làm hỏng cell pin do dòng dương từ các cell pin được chiếu sáng.Vì vậy, ta cần có diode bypass để bảo vệ cell pin không được chiếu sáng

Hình 2.7 Diode bypass để bảo vệ các cell pin

Hình 2.8 Tấm pin thực tế gồm nhiều cell pin ghép song song hoặc nối tiếp với nhau

2.2 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

22

Hình 2.9 Hệ thống PV độc lập

2.3 Hệ thống PV kết nối lưới.

Hình 2.10 Mô hình 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 Có hai nhóm cấu hình chính sử dụng trong việc kết nối lưới hệ thống PV là cách ly và không cách ly

Dạng biến đổi có cách ly: Có thể sử dụng dạng nâng áp DC – DC sử dụng

Transformer tần số cao, nghịch lưu và lọc đầu ra LC sau đó kết nối với lưới điện Hoặc sử dụng nghịch lưu điện áp thấp rồi dùng Transformer tần số thấp nâng mức

điện áp bằng với điện áp hệ thống và kết nối vào lưới điện

Hình 2.11 (a)Kiểu Low Frequency Transformer (b) Kiểu High Frequency

Transformer

Trong phương pháp “Low Frequency Transformer”, năng lượng điện lấy ra từ Solar Panel dưới dạng điện áp một chiều được đưa qua bộ ngịch lưu (Inverter) và bộ lọc điện dung để biến đổi thành điện xoay chiều áp thấp Điện áp này được chuyển đưa qua máy biến áp lõi thép để nâng mức điện áp lên 220V để cung cấp cho tải AC Cấu hình “High Frequency Transformer” cần thêm 1 tầng biến đổi dạng DC/DC

có sử dụng biến áp xung, đóng cắt ở tần số cao với các phương pháp như Flyback, Halfbridge, Fullbridge… nhằm nâng điện áp thấp từ pin Mặt Trời thành điện áp DC

đủ cao để phục vụ cho việc nghịch lưu trực tiếp 220/380 đưa vào tải

Dạng biến đổi không cách ly bằng máy biến áp – Transformerless: Là biến đổi

24

bộ nâng áp DC không cách ly Hầu hết những phát triển quan trọng của dạng Transformerless với mục đích là hiệu suất cao hơn, đầu tư hệ thống ít và đơn giản hơn ở qui mô lớn Kiểu Transformerless có thể có hiệu suất tối đa lên đến 98% trong khi cấu hình cách ly dùng Transformer cả tần số thấp lẫn tần số cao chỉ đạt hiệu suất tối đa là 95% - 96%

Hình 2.12 Kiểu Transformerless

2.4 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 2.13 Hệ thống PV kết hợp máy phát điện và accu lưu trữ

CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ PHỎNG CÁC

BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chương 3 tập trung đưa ra mô hình toán và giải thuật điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời Các mô hình và giải thuật điều khiển được mô phỏng trên matlab – Simulink trong các trường hợp khác nhau

3.1 Bộ sạc từ PV và bộ sạc từ lưới

Bộ sạc có cấu hình của 1 bộ DC/DC có thể điều chỉnh được điện áp đầu ra dùng để sạc accu chì – thiết bị lưu trữ hay dùng trong bộ biến đổi công suất năng lượng mặt trời Tùy theo các thông số đầu vào mà bộ sạc có cấu hình của bộ tăng áp (boost) hay giảm áp (buck) Do bộ pin năng lượng mặt trời gồm các tấm pin được ghép song song hoặc nối tiếp với nhau để đạt được tầm điện áp và công suất mong muốn của hệ thống Giá trị điện áp ngõ ra của bộ pin không phải là một giá trị cố định Đặc tuyến của pin thay đổi phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ Do đó, ứng với đặc tuyến tại một thời điểm nhất định, tuỳ thuộc vào dòng tải tiêu thụ, giá trị điện áp sau bộ pin sẽ khác nhau Bộ sạc lấy các thông tin bao gồm dòng điện từ PV, điện áp, dòng điện từ accu và được điều khiển theo giải thuật dò tìm công suất cực đại Thuật toán MPPT sẽ điều khiển tỷ số đóng cắt của các khoá bán dẫn, tương đương với việc thay đổi tải, nên thay đổi được điểm làm việc của hệ thống, đưa hệ thống tới điểm MPP Song song với tìm công suất cực đại cũng cần phải quan tâm đến độ bền của accu Giải thuật sạc 3 trạng thái được áp dụng kèm với giải thuật dò tìm công cuất cực đại nhằm bảo đảm năng lượng thu được từ PV là lớn nhất và tuổi thọ accu là tốt nhất

26

Hình 3.1 Bộ sạc accu sử dụng bộ biến đổi công suất DC/DC

Hình 3.2 mô tả bộ sạc ắc quy đa chế độ hoạt động đồng thời với hai nguồn

cung cấp từ lưới và pin mặt trời Trong đó, ắc quy sử dụng là 2 ắc quy chì kín khí, 12V 100AH được mắc nối tiếp nhau.Trong bộ sạc từ lưới, bộ AC/DC converter biến đổi điện áp AC từ 150 đến 220V thành điện áp DC ổn định 40V Bộ sạc từ pin mặt trời có cấu hình bộ Buck đồngbộ điều khiển quá trình sạc ắc quy với giải thuật dò tìm công suất cực đại và chế độ sạc 3 trạng thái

Bộ sạc ắc quy có thể làm việc ở 3 chế độ: Chế độ sạc từ lưới, sạc từ pin mặt

trời, và sạc kết hợp cả 2 chế độ trên Hoạt động của bộ sạc được trình bày ở hình dưới đây, trong đó khóa SW 1 và SW 2 có nhiệm vụ chuyển đổi giữa các chế độ sạc

Bộ chuyển mạch có thể điều khiển bằng tay và chế độ tự động Ở chế độ tự động bộ chuyển đổi sẽ tự động dùng nguồn năng lượng mặt trời để nạp acquy khi không có năng lượng mặt trời sẽ tự động dùng nguồn lưới nạp acquy để dự phòng mất điện Ở chế độ bằng tay, ta có thể chọn nạp điện cho acquy bằng 1 trong 2 nguồn

PV MPPT+

DC/DC

=

AC/DC 220VAC-40VDC

Max 100VDC

SW1

SW2

Multi-mode Charger

Battery 2x12VDC

Hình 3.2 Bộ sạc accu 2 ngõ vào

Ở chế độ sạc từ lưới (SW1 on, SW 2 off)

Ở chế độ sạc từ lưới, hệ thống hệ thống PV được tách ra khỏi bộ sạc, lúc này điện áp đầu vào của bộ sạc ổn định ở 40V Bộ sạc sạc theo quá trình 3 trạng thái giám sát điện áp và dòng điện trên accu để có quyết định sạc thích hợp

Nếu điện áp trên Accu bé hơn 12.2V, accu đã xả hết năng lượng, bộ sạc sạc accu ở chế độ ổn dòng 20A (dòng cho phép sạc accu 100Ah là từ 5A đến 25A) Trong quá trình sạc này, điện áp trên accu tăng dần đến khi đạt 13.8V, accu đã được nạp ~ 80% năng lượng, bộ sạc chuyển sang trạng thái sạc thứ 2

Ở trạng thái thứ 2, accu được sạc ổn áp ở 13.8V, quá trình sạc tiếp tục cho đến khi dòng sạc nhỏ hơn 5A, accu đã đạt 100% dung lượng, bộ sạc duy trì dòng sạc < 5A để bù lại hiện tượng tự xả điện của accu, accu đã sẵn sàng sử dụng

Chế độ sạc từ PV:

Chế độ sạc từ PV SW1 off và SW2 on, bộ biến đổi AC/DC ở chế độ không tải PV sử dụng các tấm panel pin mặt trời mắc nối tiếp nhau Điện áp trên PV đạt lớn nhất là 100VDC.Ở chế độ này, trong giai đoạn 1 bộ sạc sẽ ưu tiên dò tìm công suất cực đại để sạc ắc quytrong khoảng thời gian ngắn nhất Ở chế độ 2, bộ sạc ưu tiên giữ ổn định điện áp trên ắc quy.Ở chế độ 3, bộ sạc giới hạn dòng sạc nhỏ hơn 5A

để bảo vệ ắc quy

Chế độ sạc kết hợp (SW1 và SW2 đều on)

Chế độ sạc kết hợp cho sự cân bằng tốt nhất giữa mục tiêu cân đối thời gian sạc và mục tiêu tiết kiệm năng lượng Ở chế độ này cả SW1 và SW2 đều on, nguồn dòng của pin mặt trời và nguồn áp của bộ AC/DC từ lưới mắc song song với nhau

Bộ sạc ưu tiên sạc ở chế độ 3 trạng thái trên ắc quy

Trong chế độ sạc thứ 1, dòng điện được lấy từ pin mặt trời, phần còn thiếu sẽ lấy từ lưới để đảm bảo dòng sạc đủ 20A

28

động ngắt xung, chỉ còn PV duy trì dòng sạc cho accu Trong trường hợp công suất trên PV nhỏ hơn công suất cần nạp cho accu, điện áp trên đầu pin nhỏ hơn 40V, bộ sạc từ lưới hoạt động trở lại để duy trì điện áp 40V, bảo đảm cung cấp đủ công suất cho bộ sạc.Ở chế độ sạc thứ 3 dòng sạc vẫn được duy trì nhỏ hơn 5A

Giải thuật điều khiển bộ sạc MPPT kết hợp sạc 3 trạng thái:

READ U accu , I accu ,

U input

START

Charge mode 1_Grid ?

Charge mode 2_PV ?

3 State Charge

Hình 3.3 Giải thuật thực hiện bộ sạc

READ Uaccu, Iaccu START

U > 24.8V

N Y

I < 5A CV charge V* = 27.6V

Y N

READ Uaccu, Iaccu

P(k) = U(k) * I(k)

P(k) - P(k-1) = 0

P(k) - P(k-1) > 0

I(k) - I(k-1) > 0 I(k) - I(k-1) > 0

Y N

Hình 3.4 Giải thuật MPPT và giải thuật sạc 3 trạng thái

3.1.1 Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT

Ứng dụng thuật toán điều khiển Logic Mờ vào việc dò tìm điểm công suất cực đại đang dần phát triển trong khoảng một thập kỷ gần đây, do những ưu điểm của phương pháp này thể hiện trong các hệ thống với các ngõ vào không tiên đoán được (imprecise), không cần thiết lập mô hình toán chính xác, và có thể điều khiển được

hệ phi tuyến [22]

Bộ điều khiển mờ gồm ba giai đoạn: mờ hoá, hệ suy diễn và giải mờ Khâu

mờ hoá có nhiệm vụ chuyển giá trị số “rõ” ở ngõ vào thành các biến ngôn ngữ (“mờ”), dựa trên các hàm thành viên

Xây dựng bộ điều khiển Logic mờ dò tìm MPP:

 Biến ngõ vào được chọn là sai số E=∆P/∆V và đạo hàm của sai số E theo thời gian (hay tốc độ thay đổi sai số) ∆E

Ngay tại điểm công suất cực đại MPP, E sẽ có giá trị bằng 0

Biểu thức E và ∆E đã được dẫn ở phần trên:

30

 Giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ: là mức độ thay đổi trong tín hiệu điện

áp đặt của DC Link, ∆Vref

 Biến ngôn ngữ:

NB (Negative Big – âm nhiều)

NM (Negative Medium – Âm vừa)

NS (Negative Small – Âm ít)

ZE (Zero - không), PS (Positive Small – Dương ít)

PM (Positive Medium – Dương vừa)

PB (Positive Big – dương nhiều)

 Hàm liên thuộc:

Đối với ngõ vào E, tầm giá trị được chọn là từ -100 tới +100 ứng với giá trị

lớn nhất của |∆P/∆V|=100W/V Tại điểm MPP thì E=0 do đó hàm ZE chỉ có giá trị

bằng 0

Hình 3.5 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào E

Đối với ngõ vào dE (∆E), tầm giá trị được chọn là từ -30 tới +30 ứng với giá

trị lớn nhất của |dE|=30W/(V.s) Hàm ZE cũng chỉ có giá trị duy nhất bằng 0

Hình 3.6 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào dE

Đối với ngõ ra dU (∆Vref): tầm giá trị được chọn là từ -6 tới +6 ứng với giá trị

lớn nhất của |dU|=6 (V) Hàm ZE cũng chỉ có giá trị duy nhất bằng 0 Khi đã hệ thống đã đạt tới điểm MPP thì không thay đổi Vref nữa, loại bỏ được trường hợp dao động quanh giá trị MPP

Hình 3.7 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào ∆Vref

 Bộ luật mờ:

Một cách tổng quát, khi điểm làm việc hiện tại của hệ thống đang ở xa về phía bên phải của điểm MPP, E có giá trị âm nhiều, ứng với biến ngôn ngữ NB, đồng thời

nếu lúc này ∆E có giá trị bằng 0, ứng với biến ngôn ngữ ZE Như vậy, để tiến nhanh

tới điểm MPP, điện áp đặt cho bộ DC/DC cần phải được giảm xuống nhanh, do đó

∆V phải là NB (âm nhiều)

Hình 3.8 Đặc tuyến P-V pin mặt trời

Biến ngõ vào E và ∆E đều có 7 giá trị ngôn ngữ, nhƣ vậy ta sẽ có tất cả 49

luật suy diễn mờ, đƣợc thể hiện bằng cấu trúc “If-then”

Các luật suy diễn đƣợc cụ thể hoá nhƣ sau:

o If (E is ZE) and (∆E is NB), then (∆ Vref is NB)

o If (E is ZE) and (∆E is NM), then (∆ Vref is NM)

o If (E is ZE) and (∆E is NS), then (∆ Vref is NS)

o If (E is ZE) and (∆E is ZE), then (∆ Vref is ZE)

o If (E is ZE) and (∆E is PS), then (∆ Vref is PS)

o If (E is ZE) and (∆E is PM), then (∆ Vref is PM)

o If (E is ZE) and (∆E is PB), then (∆ Vref is PB)

3.1.2 Kết quả mô phỏng

Mô phỏng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại MPP với bộ điều khiển

Fuzzy

Hình 3.9 Mô hình mô phỏng giải thuật MPPT

Trong đó khối MPPT có giải thuật điều khiển là Fuzzy Ngõ ra bộ MPPT là giá trị Vref, tức là giá trị mà bộ điều khiển tầng DC/DC sử dụng để thiết lập cho pin mặt trời làm việc tại giá trị điện áp này

Đó cũng là giá trị điện áp tối ưu của hệ thống ứng với điểm công suất cực đại

mà thuật toán MPPT có thể tìm được

Để chứng minh giải thuật MPPT theo Logic mờ có kết quả đáp ứng tốt hơn khi điều kiện môi trường thay đổi đột ngột (thay đổi về bức xạ, nhiệt độ theo hàm nấc), ta thực hiện các mô phỏng:

Như vậy sự thay đổi bức xạ giữa các bước không thay đổi quá nhiều

Kết quả dò tìm MPPT của giải thuật như sau:

Hình 3.11 Dò MPP

Hình 3.12 Vref và Vpv

Mô phỏng 2: Trong mô phỏng 2, đáp ứng của bức xạ đƣợc cho là hàm thay đổi đột ngột theo thời gian:

36

Hình 3.13 Đồ thị bức xạ 2

Hình 3.14 Fuzzy - dò MPP - mô phỏng 2

Hình 3.15 Fuzzy - đáp ứng Vref, Vpv - mô phỏng 2

Nhận xét: Bộ Fuzy điều khiển bộ DC/DC dò tìm và bắt đƣợc điểm công suất cực đại trong các điều kiện thay đổi về bức xạ và nhiệt độ Cấu trúc bộ điều khiển không phụ thuộc nhiều vào thông số hệ thống nên có thể áp dụng cho các hệ thống

có cấu hình DC/DC khác nhau mà không cần thay đổi bộ điều khiển quá nhiều