DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PV: Pin quang điện, pin năng lượng mặt trời MPPT: Bám điểm công suất cực đại MPP: Điểm công suất cực đại INC: Thuật toán điện dẫn gia tăng P&O: thay đổi và quan
Trang 1i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận Văn này đã được cảm ơn và thông tin trích dẫn trong Luận Văn đã được chỉ rõ nguồn gốc
Trà Vinh, ngày … tháng … năm 20…
Học viên thực hiện Luận Văn
Lê Hoàng An
Trang 2LỜI CÁM ƠN
Nhân dịp hoàn thành luận văn thạc sỹ kỹ thuật, đầu tiên cho phép tôi bày tỏ lòng biết ơn đến Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Trà Vinh, quý thầy cô Khoa Kỹ Thuật Công Nghệ và Phòng Đào Tạo Sau Đại Học đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ và hướng dẫn tôi trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và hoàn thành luận văn
Em cũng xin gửi lời cám ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Minh Hòa, người đã tận tình giúp đỡ và hướng dẫn, dìu dắt tôi từng bước trong suốt quá trình học tập, qua thời gian thực hiện nghiên cứu, được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Nguyễn Minh
Hòa, em đã hoàn thành đề tài “Mô phỏng hệ thống bám điểm công suất cực đại cho
dàn pin quang điện bằng phương pháp P&O LAI”
Đề tài luận văn đã giúp em hiểu sâu sắc hơn về tầm quan trọng của nguồn năng lượng sạch và sự cần thiết trong việc tiết kiệm hay quản lý tối ưu hiệu quả sử dụng năng lượng, đồng thời cũng trang bị thêm cho bản thân những kiến thức bổ ích phục
vụ cho công việc Trong luận văn, mặc dù bản thân đã cố gắng nhưng chắc cũng không thể tránh khỏi những thiếu sót, do vậy rất mong được sự thông cảm và những ý kiến đóng góp quý báu của mọi người để các vấn đề nghiên cứu được hoàn thiện hơn Tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến toàn thể các bạn học viên lớp Cao học CH17KD_TV6_1 Trường Đại Học Trà Vinh khóa 2017-2019 đã động viên, khích lệ giúp đỡ tôi trong quá trình học tập và hoàn thành luận văn
Xin cám ơn gia đình, bạn bè đã luôn bên tôi, động viên giúp đỡ tôi
Trà Vinh, ngày … tháng … năm 20…
Học viên thực hiện Luận Văn
Lê Hoàng An
Trang 3iii
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU vi
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ix
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ x
TÓM TẮT……… 1
PHẦN MỞ ĐẦU 2
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 2
2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU 2
3 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2
4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN 3
5 TÓM TẮT NỘI DUNG 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN QUANG ĐIỆN 5
1.1 NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 5
1.1.1 Những khái niệm cơ bản 5
1.1.2 Hệ thống pin quang điện 5
1.2 BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC 8
1.3 BỘ BIẾN ĐỔI DC/AC 12
1.4 KHÁI NIỆM ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 13
1.5 HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN VỚI MPPT 14
CHƯƠNG 2: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) 17
2.1 GIẢI THUẬT THAY ĐỔI VÀ QUAN SÁT (P&O) 17
2.1.1 Giải thuật P&O dựa vào điện áp 17
2.1.2 Giải thuật p&o dựa vào chu kỳ [6] 19
Trang 42.2 GIẢI THUẬT ĐIỆN DẪN GIA TĂNG (INC) 23
2.2.1 Khái niệm về trôi điểm hoạt động .23
2.2.2 Giải thuật điện dẫn gia tăng (INC) 24
2.3 GIẢI THUẬT TỈ LỆ ĐIỆN ÁP HỞ MẠCH (FOV) [8] 27
2.4 GIẢI THUẬT LAI (HYBRID) 28
2.4.1 Phương pháp Lai (HYBRID) 28
2.4.2 Thuật toán Lai (HYBRID) 28
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ĐỘC LẬP 30
3.1 HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ĐỘC LẬP 30
3.2 CÁC THÀNH PHẦN CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ĐỘC LẬP 31
3.2.1 Hệ thống các tấm pin quang điện: 31
3.2.2 Bộ chuyển đổi DC-DC (Buck): 32
3.2.3 Hệ thống mô phỏng tấm pin năng lượng mặt trời trong Simulink 32
3.2.4.Bộ điều khiển MPPT: FOV 33
3.2.5 Bộ điều khiển MPPT: INC 33
3.2.6 Bộ điều khiển MPPT: HB (HYBRID) 33
3.2.7 Bộ biến tần: 34
3.2.8 Tải 34
3.3 CÁC THÔNG SỐ CỦA GIẢI THUẬT 34
CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ĐỘC LẬP 36
4.1 SƠ ĐỒ BỨC XẠ MẶT TRỜI 36
4.2 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MPPT LAI (HB) 36
4.2.1 Đo thông số DC 36
4.2.2 Đo thông số AC 37
4.3 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MPPT FOV 38
Trang 5v
4.3.1 Đo thông số DC 38
4.3.2 Đo thông số AC 39
4.4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MPPT INC 40
4.4.1 Đo thông số DC 40
4.4.2 Đo thông số AC 41
4.5 SO SÁNH CÁC BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT 42
4.5.1 So sánh MPPT HYBRID và FOV 42
4.5.2 So sánh MPPT HYBRID và INC 46
4.5.3 So sánh MPPT FOV và INC 49
4.5.4 So sánh MPPT HYBRID, FOV, và INC 52
CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 56
5.1 KẾT QUẢ ĐÃ LÀM ĐƯỢC 56
5.2 HẠN CHẾ 56
5.3 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 56
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57
PHỤ LỤC……….1
Trang 6DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
P1: Công suất PV
Vref : Điện áp tham chiếu
T1 : Chu kỳ
Pmpp: Công suất cực đại
Vmpp: Điện áp cực đại
Ir0: Dòng bức xạ mặt trời
Vrms: Điện áp định mức
Hz: Tần số
Is: Dòng bảo hòa diode
N: Hệ số bức xạ
Ki: Dòng ngắn mạch của tế bào ở 250C và 1000W/m2 T: Nhiệt độ hoạt động k
Tn: Nhiệt độ danh nghĩa k
G: Chiếu xạ mặt trời W/m2
Q: Điện tích (C)
Voc: Điện áp hở mạch
n: Yếu tố lý tưởng của diode
Ego: Năng lượng khe hở của chất bán dẫn
Np: Số lượng các modul PV được kết nối song song
Io: Dòng điện bảo hòa
Irs: Dòng bảo hòa ngược
Trang 7vii
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU
Ish: Dòng điện qua điện trở shunt
Ipv: Dòng điện tấm pin
Isc: Dòng ngắn mạch
Iph: Dòng hiện tại
V: Điện áp
I: Dòng điện hiện tại
Rs: Điện trở nội của tấm pin
Rp: Điện trở song song
N: Số lượng cells được kết nối
Vt: Điện áp nhiệt diode
R: Điện trở
P&O: Perturb and Observe
INC: Incremental Conductance
FOV: Fractional Open Circuit Voltage
MPPT: Maximum Power Point Trackers
Trang 8DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
PV: Pin quang điện, (pin năng lượng mặt trời)
MPPT: Bám điểm công suất cực đại
MPP: Điểm công suất cực đại
INC: Thuật toán điện dẫn gia tăng
P&O: thay đổi và quan sát
DSP: Bộ xử lý tính hiệu số
SPV: Hệ thống pin quang điện độc lập
HYBRID: Thuật toán Lai (HB)
P&O: Giải thuật thay đổi và quan sát
FOV: Giải thuật tỉ lệ điện áp hở mạch (fractional open circuit voltage) INC: Giải thuật điện dẫn gia tăng
Buck: Bộ giảm áp DC-DC
Matlab Simulink: Chương trình mô phỏng Matlab 2015b
Trang 9ix
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Các thông số của hệ thống 32
Bảng 3.2: Thông số của tải 3 pha 34
Bảng 3.3: Các thông số tối ưu trong quá trình mô phỏng giải thuật 34
Bảng 4.1: So sánh kết quả của 3 giải thuật 55
Trang 10DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 1.1: Hình ảnh một tế bào quang điện thông dụng 7
Hình 1.2: Sơ đồ khối một hệ PV độc lập 8
Hình 1.3: Sơ đồ nguyên lý mạch boost 9
Hình 1.4: Mạch điện khi S đóng 10
Hình 1.5: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng 10
Hình 1.6: Mạch điện khi S mở 11
Hình 1.7: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở 11
Hình 1.8: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nữa cầu 12
Hình 1.9: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng hình cầu 123
Hình 1.10: Tải không phù hợp và MPP 14
Hình 1.11: Sơ đồ khối của hệ thống SPV dựa trên MPPT 14
Hình 1.12: Sơ đồ khối của hệ thống PV dựa trên MPPT 16
Hình 2.1: Cơ chế thuật toán P&O 18
Hình 2.2: Sơ đồ của thuật toán P&O 19
Hình 2.3: Điện áp thực nghiệm biến đổi I và P đối với chu kỳ nhiệm vụ 20
Hình 2.4: Khái niệm về thuật toán P&O dựa trên đường cong P-D 21
Hình 2.5: Thuật toán P&O dựa vào chu kỳ 22
Hình 2.6: Cơ chế trôi dạc trong quá trình theo dõi MPP 24
Hình 2.7: Cơ chế tiếp theo trong phương pháp theo dõi điện dẫn gia tăng 25
Hình 2.8: Thuật toán của phương pháp điện dẫn gia tăng 26
Hình 2.9: Sơ đồ cho thuật toán lai 29
Hình 3.1: Sơ đồ khối một hệ PV độc lập 31
Hình 3.2: Sơ đồ khối tổng thể hệ thống pin quang điện độc lập 33
Hình 4.1: Sơ đồ bức xạ mặt trời 36
Trang 11xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ
Hình 4.2: Kết quả đo thông số DC của HB 37
Hình 4.3: Kết quả đo thông số AC của HB 38
Hình 4.4: Kết quả đo thông số DC của FOV 39
Hình 4.5: Kết quả đo thông số AC của FOV 40
Hình 4.6: Kết quả đo thông số DC của INC 41
Hình 4.7: Kết quả đo thông số DC của INC 42
Hình 4.8: Điện áp giữa HB với FOV 43
Hình 4.9: Dòng điện giữa HB với FOV 44
Hình 4.10: Công suất giữa HB với FOV 45
Hình 4.11: Điện áp giữa HB với INC 46
Hình 4.12: Dòng điện giữa HB với INC 47
Hình 4.13: Công suất giữa HB với INC 48
Hình 4.14: Điện áp giữa FOV với INC 49
Hình 4.15: Dòng điện giữa FOV với INC 50
Hình 4.16: Công suất giữa FOV với INC 51
Hình 4.17: Điện áp giữa HB - FOVvà INC 52
Hình 4.18: Dòng điện giữa HB - FOVvà INC 53
Hình 4.19: Công suất giữa HB - FOVvà INC 54
Trang 12TÓM TẮT
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và hầu như vô tận, có nhiều ưu điểm Vấn đề này đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống - sản xuất của chúng ta bây giờ.[1]
Tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống điện năng lượng mặt trời là rất cần thiết để nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống Có nhiều yếu tố có thể ảnh hưởng đến công suất của hệ thống pin quang điện như lượng bức xạ mà nó thu được từ mặt trời, thời tiết, nhiệt độ, khí hậu, mùa, thời gian… làm ảnh hưởng đến điểm làm việc trên đường đặc tuyến công suất
Cho nên, làm thế nào để đảm bảo cho pin năng lượng mặt trời luôn làm việc ở điểm công suất cực đại nhất, tối ưu nhất Vấn đề này đang được rất nhiều người quan tâm kể cả trong và ngoài nước
Nghiên cứu này ứng dụng một giải thuật để thực hiện mục tiêu đó là dựa trên chương trình chạy mô phỏng của Matlab Simulink 2015b Từ kết quả chạy mô phỏng của các giải thuật có trước, kết hợp và so sánh với kết quả giải thuật đề xuất để thấy được sự cải tiến trong giải thuật mới
Kết quả của giải thuật đề xuất đã chứng minh được điện áp, dòng điện và công suất đầu ra của hệ thống được cải thiện rõ rệt và tối ưu hơn về giá trị và chất lượng điện so với các giải thuật khác
Trang 132
PHẦN MỞ ĐẦU
1 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Việt Nam là một trong những nước thuộc khu vực Đông Nam Á, cũng là nước nằm trong khu vực có cường độ ánh sáng mặt trời trung bình tương đối lớn Chính vì thế rất thuận lợi và có nhiều lợi thế để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời này, để dần thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt.[2]
Nguồn năng lượng mặt trời, đây là một nguồn năng lượng lượng sạch, thân thiện
và thân thiện với môi trường và đặc biệt là con người Nguồn năng lượng mặt trời còn
là nguồn năng lượng tái tạo gần như vô tận, có nhiều ưu điểm như: không tốn chi phí mua nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, không bị cạn kiệt theo thời gian, công tác bảo trì ít, và không gây ồn như các nguồn năng lượng khác Tuy nhiên đã và đang được nghiên cứu ứng dụng trong nhiều lĩnh vực của đời sống - sản xuất của chúng ta bây giờ
Hiện nay năng lượng mặt trời có thể được sử dụng trực tiếp ở dạng nhiệt hoặc là chuyển đổi thành năng lượng điện nhờ vào pin quang điện Tuy nhiên, mặc dù có nhiều ưu điểm nhưng dàn pin quang điện lại phụ thuộc nhiều vào cường độ ánh sáng mặt trời và nhiệt độ môi trường, khí hậu, mùa, thời gian trong ngày… do đó phần năng lượng chuyển đổi bởi dàn pin quang điện không phải lúc nào cũng đạt cực đại
Vì vậy, vấn đề để đảm bảo cho dàn pin quang điện luôn luôn làm việc ở điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) đang được nhiều người quan tâm đến hiện nay nhằm khai thác sử dụng triệt để nguồn công suất này nên
"Thiết kế hệ thống điều khiển tối ưu nhất, sao cho hệ thống pin quang điện luôn luôn làm việc ở điểm cực đại, tối ưu hóa”
2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là: Thiết kế và mô phỏng hệ Thống Điều Khiển Bám Điểm Công Suất Cực Đại (MPPT) Cho Dàn Pin quang điện độc lập công suất thấp
Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mô phỏng điều khiển MPPT sử dụng phần mềm Matlab Simulink nhằm kiểm chứng thuật toán điều khiển, chất lượng của
bộ điều khiển rồi so sánh với các thuật toán trước đó
Trang 14Khảo sát tổng quan tài liệu từ các giải thuật truyền thống trước đó và các công trình nghiên cứu liên quan đến MPPT nhằm đưa ra một giải thuật tối ưu hơn và hiệu quả hơn
Xây dựng mô hình hệ thống pin quang điện độc lập có công suất tương đối thấp rồi tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink và đánh giá kết quả, so sánh hiệu quả của các giải thuật MPPT đề suất và trước đó
4 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỂN
Vấn đề ở đây là làm thế nào để thiết kế mạch điều khiển bám điểm công suất cực đại cho dàn pin quang điện (MPPT) được coi là vấn đề cấp thiết và được xem là một vấn đề không thể thiếu trong hệ thống điện mặt trời, được áp dụng để nâng cao hiệu quả khi sử dụng dàn pin quang điện
Các thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) dành cho các nguồn pin quang điện (PV) đang ngày càng hoàn thiện và được ứng dụng rộng rãi Trong số các thuật toán MPPT như phương pháp cải tiến thuật toán điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance Algorithm, INC) đồng thời kết hợp với phương pháp Điện áp không đổi (Constant Voltage tracking, CVT) [3], thuật toán thay đổi và quan sát (P&O) [4] Ngoài ra còn có phương pháp xây dựng
mô hình mô phỏng bám sát điểm công suất cực đại của dàn pin quang điện dựa trên điều khiển mờ [5], thuật toán Fuzzy P&O MPPT thích nghi được khẳng định qua mô phỏng trên MATLAB với hệ PV 150-W [6] Phương pháp mới đề xuất phân chia vùng làm việc trên đường đặc tuyến của pin mặt trời thành ba vùng chính, gồm vùng bên trái điểm cực đại (MPP), vùng cực đại và vùng bên phải điểm MPP Bằng việc xác định điểm làm việc của pin quang điện đang ở vùng nào đều có thể nhanh chóng đưa pin vào làm việc ở điểm cực đại thông qua việc điều chỉnh độ rộng xung của mạch boost , …
Nhìn nhận được tầm quan trọng của năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng, hiện nay nhiều quốc gia trên thế giới đang cố gắn hổ trợ về mặt tài chính, nhân lực vào việc nghiên cứu và đưa vào thực tiển cuộc sống năng lượng tái tạo
để cải thiện môi trường sống nói chung và cải thiện sự cần thiết về năng lượng ở các nước ta nói riêng
Trang 154
5 TÓM TẮT NỘI DUNG
Trong nghiên cứu, yêu cầu đặt ra là xây dựng mô hình điều khiển sao cho luôn bám điểm công suất cực đại, mô phỏng và đánh giá kết quả thực tế Theo đó cấu trúc của luận văn chia như sau:
PHẦN MỞ ĐẦU
Chương 1: TỔNG QUAN VỀ PIN QUANG ĐIỆN
Chương 2: CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT)
Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ĐỘC LẬP
Chương 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ĐỘC LẬP Chương 5: KẾT LUẬN NGHIÊN CỨU
Trang 16DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
Danh mục tài liệu Tiếng Việt
[1] Ánh, Hồ Phạm Huy, (2013) Kỹ thuật hệ thống năng lượng tái tạo (Tú, Phạm Anh,
Ed.) Hồ Chí Minh, Việt Nam: Đại học quốc gia Thành Phố Hồ Chí Minh
[2] Bảo, Nguyễn Thế (2017) Giáo trình năng lượng tái tạo và sự phát triển bền vững
(Huệ, Lê Thị Minh, Ed.) Hồ Chí Minh, Việt Nam: Đại học quốc gia Thành Phố
Hồ Chí Minh
[3] Lực, Đỗ Vũ, & Jin-song, K (2016, June) Cải tiến thuật toán INC trong điều khiển
bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập Tạp chí KH Nông nghiệp Việt Nam, tập 14, số 5, 785-798
[4] Ngư, Nguyễn Viết; Tâm, Lê Thị Minh; Thường, Trần Thị, & Trường, Nguyễn
Xuân (2015, Nov) So sánh hai thuật toán INC và P&O trong điều khiển bám
điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập Tạp chí Khoa học và Phát triển, tập 13, số 8, 1452-1463
[5] Ngư, Nguyễn Viết; Hong-hua, Wang; Trường, Nguyễn Xuân; Nam, Võ Văn, &
Tâm, Lê Thị Minh (2011, Mar) Mô phỏng bám sát điểm công suất cực đại dàn
pin năng lượng mặt trời dựa trên điều khiển mờ Tạp chí Khoa học và Phát triển , Tập 9, số 2, 278 - 285
[6] Phương, Hà Thị Thu; Thư, Nguyễn, Tiến Thu; Ánh, Hồ Phạm Huy; & Kiên, Cao
Văn (2016, Nov) Tối Ưu Công Suất MPPT Nguồn Quang Năng PV Dùng Thuật Toán P&O Mờ Thích Nghi Hội nghị toàn quốc lần thứ 8 về Cơ Điện Tử
- VCM - 2016
[7] Hoàn, Thân Ngọc (2009, June) Năng lượng điện mặt trời và những phương pháp
nâng cao chất lượng và hiệu suất Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, 18 [8] Hào, Nguyễn Thanh, & Bích, Nguyễn Huy (2015) Giáo trình kỹ thuật năng lượng
tái tạo (Dao, Bùi Trần Ca, Ed.) Hồ Chí Minh, Việt Nam: Đại học quốc gia
Thành Phố Hồ Chí Minh