Thiết kế mô phỏng lắp đặt bộ tăng áp dc dc của pin mặt trời cho tải một chiều

Ngày nay khi các vấn đề ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người nhiên liệu hóa thạch than dầu … ngày càng cạn kiệt đòi hỏi chúng ta phải thay đổi hướng phát triển và tìm cách khai thác tối đa nguồn năng lượng tái tạo mặt trời gió … Với những ưu điểm nổi bật như vô tận sạch có sẵn năng lượng tái tạo càng được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các nước trên thế giới Tuy nhiên bên cạnh những ưu điểm kể trên chúng cũng có nhiều hạn chế về hiệu suất làm việc và chịu ảnh hưởng nhiều bởi các điều kiện thời tiết bức xạ nhiệt độ… Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công suất cần được tích hợp kèm theo phương pháp điều khiển Một số bộ chuyển đổi DC DC không thể đảm bảo khả năng hoạt động liên tục để cung cấp năng lượng cho phụ tải điển hình là bộ giảm áp DC DC Khi điện áp đầu vào thấp hơn mong muốn ở đầu ra thì bộ chuyển đổi này không thể hoạt động nếu như tải một chiều yêu cầu điện áp cao hơn mức có thể biến đổi có thể thấy rõ nhất là khi ánh sáng yếu buổi tối pin bị che khuất nhiều Do đó cần có một bộ chuyển đổi DC DC trong mọi điệu kiện ánh sáng và vẫn phải đảm bảo độ ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các tải 1 chiều Do hạn chế về mặt thời gian luận văn này mô hình hóa mạch tăng áp DC DC trên phần mềm Matlab Simulink thiết kế bộ điều khiển PI để đảm bảo sự ổn định cho điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi Từ kết quả mô phỏng thu được một mô hình thực tế mạch tăng áp DC DC kết hợp phương pháp điều khiển được lắp đặt với mục đích kiểm chứng khả năng hoạt động thực tế so với lý thuyết Kết quả đạt được cho thấy mạch thực tế hoạt động rất ổn định điện áp đầu ra thu được đáp ứng nhanh với yêu cầu và gần giống với quá trình mô phỏng

i

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS DƯƠNG MINH QUÂN

Đà Nẵng – Năm 2018

ii LỜI CAM ĐOAN

Tác giả luận văn

Phạm Thành Trung

iv

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TĂNG ÁP DC/DC 26

2.1 Giới thiệu chung về bộ chuyển đổi DC/DC 26

26

26

2.2 Mạch điều khiển cho bộ chuyển đổi DC/DC 34

34

36

2.3 Thiết kế, tính toán bộ tăng áp DC/DC 40

40

41

44

2.4 Kết luận: 46

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ TĂNG ÁP 47

3.1 Mô phỏng mạch tăng áp DC/DC và phân tích ảnh hưởng của các thông số phần tử trong mạch 47

47

48

3.2 Mô phỏng mạch tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI 48

3.3 Kết quả mô phỏng và phân tích 50

3.4 Kết luận 51

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT MẠCH TĂNG ÁP DC/DC THỰC TẾ 52

4.1 Thông số mạch thực tế và lắp đặt mạch thực tế 52

52

53

4.2 Kết quả đo thực tế 55

4.3 Kết Luận và hạn chế của đề tài 56

PHỤ LỤC 60

vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC/AC Alternating Current/ Alternating Current

DC/AC Direct Current/ Alternating Current

DC/DC Direct Current/ Direct Current

IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor

MOSFET Metal – Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor MPP Maximum Power Point- Điểm công suất cực đại

MPPT Maximum Power Point Tracking- Bắt điểm công suất cực đại

OP Operational amplifier- Khuếch đại thuật toán

PID Proportional Integral Derivative

PV Photovoltaic System- Pin quang điện

PWM Pulse – Width – Modulation- Điều rộng xung

ix

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Phân tích lượng bức xạ mặt trời chuyển tới Trái Đất 3 1.2 Bức xạ mặt trời trung bình tại Việt Nam trong một ngày 5

1.4 Năng lượng mặt trời dạng lắp mái tại trường Đại học Bách khoa Đà

1.5 Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời 7

1.7 Sơ đồ nguyên lí hệ thống nhà máy nhiệt điện mặt trời 8

1.10 Sơ đồ mạch điện tương đương của PV theo mô hình một đi-ốt 13 1.11 Mô hình mô phỏng dàn PV khi nhiệt độ, cường độ bức xạ thay đổi 14 1.12 Minh họa đặc tính tương quan của PV khi bức xạ mặt trời thay đổi 15 1.13 Minh họa đặc tính tương quan của PV khi nhiệt độ thay đổi 16 1.14 Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở với

1.16 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu

1.17 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 21

2.3 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng 27 2.4 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở 28 2.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu kỳ 28

2.7 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S đóng 30 2.8 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S mở 30 2.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu kỳ 31

2.11 Trạng thái làm việc của mạch đảo dấu điện áp khi khóa S đóng 33 2.12 Trạng thái làm việc của mạch đảo dấu điện áp khi khóa S mở 33

Một số bộ chuyển đổi DC/DC không thể đảm bảo khả năng hoạt động liên tục để cung cấp năng lượng cho phụ tải, điển hình là bộ giảm áp DC/DC Khi điện áp đầu vào thấp hơn mong muốn ở đầu ra, thì bộ chuyển đổi này không thể hoạt động nếu như tải một chiều yêu cầu điện áp cao hơn mức có thể biến đổi, có thể thấy rõ nhất là khi ánh sáng yếu (buổi tối, pin bị che khuất nhiều) Do đó cần có một bộ chuyển đổi DC/DC trong mọi điệu kiện ánh sáng và vẫn phải đảm bảo độ ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các tải 1 chiều

Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế, mô phỏng, lắp đặt bộ tăng

áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một chiều

Nội dung luận văn tập trung thiết kế tìm ra các thông số của mạch tăng áp, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink Từ đó, bộ điều khiển PI được thiết kế để điều khiển và đảm bảo sự ổn định điện áp đầu ra của mạch tăng áp DC/DC Một mô hình mạch tăng áp DC/DC được lắp đặt cho thấy khả năng hoạt động thực tế

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tính toán lựa chọn các thông số phù hợp cho mạch tăng áp DC/DC Thiết kế bộ điều khiển Phân tích kết quả thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC thực tế

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1.Đối tượng nghiên cứu

- Cách chọn lựa thông số của mạch tăng áp DC/DC;

- Sơ lược thuật toán bắt điểm công suất cực đại của pin mặt trời;

- Bộ điều khiển mạch tăng áp;

- Lắp mạch thực tế

3.2.Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại của pin mặt trời

- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PI;

- Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC;

5

điều này là do chi phí đầu tư xây dựng, lắp đặt các thiết bị công nghệ kèm theo cũng như hệ thống pin năng lượng mặt trời khá đắt đỏ Bên cạnh đó, trình tự, thủ tục xin cấp phép xây dựng, bổ sung dự án điện mặt trời vào quy hoạch điện lực của Quốc gia và từng địa phương còn nhiều vướng mắc rườm rà Do đó, muốn năng lượng mặt trời có thể phát triển mạnh mẽ và đạt mục tiêu đề ra, đòi hỏi phải có nhiều sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền

Hình 1.2: Bức xạ mặt trời trung bình tại Việt Nam trong 1 ngày

11 1.2 Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay còn gọi là pin quang điện-PV) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện tử khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật chất), chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng trong đó tế bào quang điện là phần tử cơ bản nhất trong hệ thống pin mặt trời

Hình 1.8: Cấu tạo của một tế bào pin mặt trời Bản chất vật lý của PV tương tự như diode với cấu tạo từ các lớp tiếp giáp P-N theo nguyên lý điện tử-lỗ trống Khi năng lượng được hấp thụ từ các photons, các điện tích tự do sẽ di chuyển từ lớp N sẽ di chuyển để lấp đầy các lỗ trống ở lớp cực P Điện trường sẽ được tạo ra từ các điện tử ở lớp tiếp giáp, điều này cho phép các tế bào

51

Hình 3.8: Các điện áp thu được

Điện áp đầu ra thông qua quá trình mô phỏng thu được rất ổn định và luôn đạt được mức khoảng 60V cho dù có sự biến đổi thất thường của điện áp đầu vào Tuy nhiên có thể thấy vẫn tồn tại các giao động của điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào có

sự nhiễu động Ở giây 0,5 khi điện áp PV giảm đột ngột xuống mức 20V làm cho điện

áp đầu ra giảm khoảng 3V sau đó trở về lại giá trị 60V Tương tự như thế ở thời gian 1 giây và 1,5 giây, điện áp đầu vào tăng dần lên, điện áp đầu ra gặp hiện tượng quá áp nhưng rất nhở chỉ ở khoảng 2-3V rồi sau đó cũng phụ hồi nhanh chóng Có thể thấy, với bộ điều khiển kết hợp phương pháp điều khiển PI, hệ số đóng cắt van bán dẫn thay đổi liên tục (hình 3.6 và 3.7) giữ cho đáp ứng đầu ra luôn ổn định ở mức 60 Nhưng do không thể tác động tức thời nên sẽ có một số hiện tượng nhiễu động điện áp đầu ra khi

có sự bất ổn định điện áp đầu vào

Tất cả kết quả thu được đảm bảo tốt các chỉ tiêu mong muốn nhưng chỉ ở đang được kiểm chứng ở mức độ lý thuyết dựa trên kiến thức nền và quá trình mô hình hóa tác giả đề xuất Vì thế, điều này cần được kiểm chứng thực tế thông qua việc lắp đặt một mô hình mạch thực

3.4 Kết luận

Trong chương 3, tác giải đã mô hình hóa mạch tăng áp DC/DC kết hợp phương pháp điều khiển PI Từ kết quả mô phỏng cho thấy, mạch hoạt động đạt theo các yêu cầu đề ra khi điện áp đầu ra được giữ cố định trong khi điện áp đầu vào thay đổi do ảnh hưởng thời tiết Từ đó, các linh kiện được chọn lựa và xây dựng giống với phần tử

sử dụng trong mô phỏng để xây dựng mạch thực tế với mục đích kiểm nghiệm kết quả hoạt động của mạch tăng áp DC/DC

Khi lắp đặt mạch thực tế, nhằm bảo đảm độ thực tiễn và sự chính xác, các thông

số phần tử được lựa chọn dựa trên mô hình hóa và kết quả mô phỏng Giá trị của cuộn cảm và tụ được giữ nguyên như phần mô phỏng với L = 1mH và C =100 µF

Nguồn đầu vào mạch tăng áp được cung cấp bởi hệ thống pin mặt trời bao gồm 4 tấm pin với công suất mỗi tấm pin: Pmax = 22W đấu nối gồm 2 mảng PV mắc song song, mỗi mảng được cấu thành từ 2 tấm PV mắc nối tiếp Với các thông số mỗi tấm pin: VMPP = 17,46 V, IMPP = 1,27 A, Voc = 21,64 V, Isc = 1,35A Trong trạng thái cực đại, và các điều kiện lý tưởng, hệ thống có điện áp đầu ra đạt 43,28V khi hở mạch, và dòng cực đại lên đến 2,7A

Hình 4.1: Hệ thống pin mặt trời cung cấp nguồn cho mạch tăng áp

Đối với van bán dẫn, việc lựa chọn van phải dựa vào nguồn điện từ PV và tầng số băm xung Dựa vào giá trị điện áp và dòng điện ra cực đại của pin, ta có thể chọn sơ

bộ được van bán dẫn Nhưng nếu van bán dẫn được lựa chọn có tần số băm xung nhỏ hơn tần số yêu cầu, van sẽ rất nhanh phát nhiệt khi hoạt động và có thể gây ra hư hỏng cho mạch Với các thông số đã có ở trên, ta chọn MOSFET IRFP250N có thông số định mức như sau:

54

Như đã trình bày ở các phần trên, các phần tử mạch động lực được lắp đặt với các thông số như đã lựa chọn Ta sử dụng 2 MOSFET IRFP250N cho để đóng mở trong 2 nửa chu kì xung từ mạch điều khiển đảm bảo độ chính xác cũng như giảm tổn hao trên các van bán dẫn Các MOSFET và diode được gắn nhôm tản nhiệt để tránh tình trạng phát nóng khi làm việc ở dòng điện lớn Đầu vào của mạch tăng áp được lắp một tụ lọc giữ điện áp vào phẳng hơn, đảm bảo sự ổn định cho mạch hoạt động

Ngoài các phần tử chính, mạch động lực còn có các module đo dòng điện ACS72

có thể đo được dòng điện lên đến 5A và cầu phân áp để phản hồi các giá trị điện áp và dòng điện của mạch tăng áp, phục vụ cho việc tính toán của mạch điều khiển để đảm bảo đáp ứng đầu ra đúng như yêu cầu

Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của vi điều khiển và tín hiệu số, việc thực hiện các thuật toán trở nên dễ dàng hơn bao giờ hết Các thuật toán được đưa vào các

bộ vi xử lí dưới dạng các dòng lệnh (Code) được viết trên các phần mềm máy tính Các bộ vi điều khiển giúp cho việc thực thi các thuật toán chính xác hơn, giảm được nhiễu tín hiệu do tác nhân bên ngoài

Mạch điều khiển được lắp đặt chủ yếu hoạt động dựa trên vi xử lí Arduino Nano được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt Thuật toán PI được lập trình trên máy tính và nạp vào Arduino Nano dưới dạng Code thông qua dây cáp nạp

Hình 4.3: Vi xử lí Arduino Nano Các tín hiệu đo lường điện áp và dòng điện được phản hồi từ các module đo lường

ở mạch động lực về Arduino để xử lí Arduino sau khi thực hiện tính toán vòng lặp PI

sẽ đưa ra góc mở D hợp lý dưới dạng tín hiệu số với độ phân giải 12bit IC MCP4921

có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (Digital – Analog Converter), truyền đến IC tạo xung SG3525 để tạo ra xung PWM cho các MOSFET

Nguồn điện cung cấp cho Arduino và các IC được lấy từ pin mặt trời và đưa qua 2 module ổn áp nguồn LM2596S, tạo ra điện áp 12V cho SG3525 và 5V cho Arduino, MCP4921

55

Màn hình LCD 20x4 có tác dụng hiển thị các giá trị điện áp và công suất được in

ra từ Arduino, giúp ta có thể quan sát được đáp ứng đầu ra của mạch tăng áp, từ đó kịp thời kiểm soát và điều chỉnh khi mạch có sự cố hoặc mất ổn định

4.2 Kết quả đo thực tế

Hoạt động của mô hình mạch được kiểm tra và theo dõi dựa trên các phản hồi điện

áp đầu vào và điện áp đầu ra Quá trình này được đo trực tiếp và xuất ra từ vi xử lý với

độ chính xác cao Thông qua các công cụ hỗ trợ, các giá trị đo thục tế được xuất ra dưới dạng đồ thị bằng phần mềm matlab

Hình 4.4: Kết quả đo điện áp thực tế

Với mô hình mạch, giá trị điện áp tham chiếu Vref = 60V và điện áp đầu vào thay đổi từ 20-42V tương tự như trong mô phỏng để đảm bảo tính thực tiễn và chính xác Điện áp đầu vào được thay đổi ngẫu nhiên bằng cách che bớt tấm pin mặt trời để mô phỏng theo các trường hợp ngoài thực tế: nắng gắt và nắng yếu do các yếu tố thời tiết bất định gây ra (hiện tượng che khuất, mây mù) Lúc nắng gắt, độ bức xạ cao, điện áp tấm pin vào khoảng 42V (đường đáp ứng VPV) Khi các tấm pin bị che đi, điện áp thu được từ tấm pin giảm đột ngột và dao động trong khoảng 20V Đường đồ thị cho thấy rằng điện áp vào luôn có sự nhiễu động (khoảng 1-2V) Với điện áp thay đổi đột ngột như vậy, nhiệm vụ của mạch là phải giữ điện áp đầu ra luôn ở mức điện áp mong muốn, đảm bảo sự ổn định cho các phụ tải một chiều được kết nối với mạch Do vậy

mà các phương pháp điều khiển mà ở đây là phương pháp PI trở nên cần thiết

Kết quả thực tế có thể thấy, điện áp đầu ra của mạch luôn bám mức 60V Tuy nhiên khi có sự biến động điện áp đầu vào, khi giảm từ 42V xuống mức 20V, đáp ứng đầu ra thu được cũng bị ảnh hưởng (giảm khoảng 7V) nhưng sau đó phục hồi lại mức cài đặt gần như ngay lập tức (lần lượt ở các giây thực 5,15 và 20) Đánh giá chung, có thể thấy điện áp đầu ra đáp ứng rất tốt, bám gần trùng với điện áp đặt Vref và có độ dao

60

PHỤ LỤC Toàn bộ chương trình điều khiển PI kết hợp PWM

double Power, Power_old, dP, delta = 0, dV, U_pvold ;

double U_pv, I_pv , U_out, I_out;

double fold_vin = 0, fold_iin = 0, K1, K2;

double MPPT_STEP = 1, k = 0, i = 0;

float Sample, V1 = 0, V2 = 0, I1 = 0, I2 = 0 ;

float t2, j, Vinref, Vinrefold,t3=0;

double Setpoint, Input, Output, Settime=20;

double Kp=0.02 , Ki=0.5 , Kd=0 , Input_old , Output_old ; PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT); void setup()

{

Setpoint=60; Input; Output; Settime=20;

Kp = 20; Ki = 80; Kd = 0; Input_old = 0; Output_old = 0; myPID.SetOutputLimits(800, 2500);

65

66

67

68

69

70

71

72

73