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

I H C QU C GIA THÀNH PH H CHÍ MINH I H C BÁCH KHOA NGUY N MINH HUY THI T K CÁC B U KHI N BI I CÔNG SU T TRONG H TH NG NG M T TR I Chuyên ngành: T ng hóa Mã s chuyên ngành: 60.52.60 LU H TP H CHÍ MINH, Tháng 12 c hoàn thành t i: Cán b i h c Bách Khoa HCM ng d n khoa h c: Cán b ch m nh n xét 1: TS Nguy o Cán b ch m nh n xét 2: TS Nguy Lu c Thành c b o v t i h c Bá Thành ph n H m: PGS.TS Nguy n Th Ch t ch h TS Nguy n Tr ng Tài ng TS Nguy ng TS Nguy o - y viên h c Thành y viên h y viên h ng ng ng Xác nh n c a Ch t ch H ngành sau lu CH T CH H ng Khoa qu n lý chuyên c s a ch a (n u có) NG NG KHOA N NT I H C BÁCH KHOA C NG HÒA XÃ H I CH I H C QU C GIA TP HCM cl p T NHI M V LU Phái: Nam 20/9/1989 I H nh phúc CS H tên h c viên: NGUY N MINH HUY Chuyên ngành: T T NAM ng Tháp ng hóa MSHV: 12153174 tài: THI T K BI U KHI N CÁC B I CÔNG SU T TRONG H TH NG M T TR I II Nhi m v + tài: xu t thi t k ph n c ng b bi ng m t tr i d bao g m b s c, b ngh pha, b ngh i + Mơ hình hóa b t ng b bi i công su t h th ng u xu t gi i thu u n cho i công su t bao g m: u n b s c s d ng m t tr i, k t h p s c dị tìm cơng su t c i (MPPT) s c tr ng thái s d ng b u n m (Fuzzy logic) u n b inverter pha công su t t n 2.5KW có th ghép n t u n b bi i công su ng m t tr i i s d ng b l ng Kalman + Th c nghi m mơ hình, tri n khai áp d ng th c t mơ hình b s c, b inverter pha, tri n khai mơ hình nghiên c u b i III IV V CÁN B Ngày giao nhi m v : 21/01/2013 Ngày hoàn thành nhi m v : 20/12/2013 H tên cán b ng d n: PGS.TS NG D N N CN B MÔN QL CHUYÊN NGÀNH NT I H C BÁCH KHOA L IC Tôi xin g n th y PGS TS l i bi ng d n, t nh ng l i khuyên b c u ki n thu n l hồn thành lu Tơi xin chân thành c t c Th y Cô B Môn Cung C p n, Phịng Thí Nghi m Nghiên C n T Công Su t ng hành th i gian th c hi n lu Ngoài ra, su t th i gian h c t p t ng c Th y C Th y Cô b u n t n i h c Bách Khoa nt c bi t ng gi ng d y t n tình, cho tơi nhi u ki n th c m i b ích, bên c c b n bè khóa, l u có giá tr Xin g u ý ki Th y Cô b n l i c t Cu ng viên t n M anh ch u ki t qua nh t trình h c t p nghiên c u v a qua Tp H Chí Minh, ngày 01 tháng 12 Nguy n Minh Huy 2013 TÓM T T LU Lu bi u, thi t k , u n tri n khai mơ hình b i cơng su t ng d ng h th ng m t tr i d ng micro grid s d ng dân d ng bao g m b 24VDC/220VAC công su t t s c thông minh, b n 2.5KW, b i B s c có nhi m v s d ng k t h p ngu i nh m ti t ki nb ng t pin m t tr i t m acquy tr ng thái s n sàng s d ng ng d ng c n ngu i DC/DC d n liên t c B s c có c u trúc b bi n u n b u n PIC 16F c a microchip B inverter pha ng d ng dân d ng v ngõ v i ch inverter pha n áp có d ng sóng sin ng theo tiêu chu n sóng hài, cho phép t i linh ho t c u hình chuy ng linh ho t v công su t thi t k B inverter pha có th s d ngu n d phịng (UPS) ho c s d ng k t h p v i b s c pin m t tr c t o thành h th xu t s d ng b ng m t tr i B inverter u n Fuzzy VOC (voltage oriented control i công su t B inverter pha k t n tr n áp A i có tác d ng bi i bao g m b bi i công su ng m t i công su t DC/DC d ng push pull b DC/AC pha b c B inverter s d ng b l c thích nghi b ng t ng h ho c có sóng hài, ngồi b ngh su n có s m t cân b ng u n công su t th c, công ng h p c n bù công su t ph Lu ph c i d ng ph n m m Matlab/Simulink th c hi n mơ hình mơ ki m ch ng lý thuy t c hàm truy tài, mơ hình mơ ph ng thái mơ hình hóa c a h th c xây d ng b ng ng h th ng th c s d ng Sim Power system Mơ hình th c nghi c xây d ng s d ng v u n DSP C2000 c th nghi m t i phịng thí nghi m Nghiên c Thu n t n t Công su t ph n c c tri n khai th c t t i Ninh n L I CAM K T Tôi xin cam k t n i dung lý thuy t trình bày lu tham kh o tài li u biên so n l i, t t c k t qu mô ph ng, th c nghi u b n thân tơi t làm ra, hồn tồn khơng ph i chép c a t b t k m t tài li u ho c cơng trình nghiên c u khác N u không th c hi trách nhi t nêu trên, tơi xin ch u hồn tồn c k lu t c c Nguy n Minh Huy M CL C L IC TÓM T T LU M C L C DANH M C HÌNH NH DANH M C B NG BI U 10 I THI tv TÀI 11 11 1.2 Các v n c a m t h th 1.3 H th 1.4 Ph ng m t tr ng m t tr i: 11 xu t: .12 tài 14 1.5 S n ph cc tài: 14 NG QUAN V CÁC H TH NG BI NG M T TR I 16 2.1 Ho ng c ng m t tr i 2.1.1 Gi i thi PV cell 16 ng m t tr i 16 ng m t tr i: .17 2.2 H Th c L p 21 2.3 H th ng PV k t n i .22 2.4 H th ng PV k t h p: .24 NG GI I THU BI I CÔNG SU 3.1 B s c t PV b s c t U KHI N VÀ MÔ PH NG CÁC B NG M T TR I 25 i 25 3.2 B inverter pha 24V / 220V 37 3.2.1 B chuy i push pull 38 3.2.2 Mơ hình hóa b bi 3.3 B ngh i công su t DC/DC 41 49 i .56 T K PH N C NG 80 4.1 Thi t k m ch s c c quy 80 4.1.1 M ch s c Multimode 80 4.1.2 M ch s c c quy t pin m t tr i 83 4.1.3 Thi t k m ch hi n th .87 4.1.4 Thi t k ngu n ph tr 89 T QU TH C NGHI M 110 5.1 K t qu th c nghi m b s c b inverter pha 110 5.1.1 K t qu th c nghi m dị tìm MPPT 111 5.1.2 Kh o sát v hi u su t c a b inverter 114 5.1.3 Kh o sát kh 5.2 ng c a b ngu n .114 Inverter pha 117 5.2.1 K t qu b ngh 5.2.2 K t qu 118 i 118 5.2.3 Phân tích d ng dịng ngh 5.2.4 Ch i pha 119 i 119 T LU N 122 TÀI LI U THAM KH O 123 PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG 127 O 127 Q TRÌNH CƠNG TÁC .127 DANH M C HÌNH NH xu t. 12 ng c a electron bán d n P-N _ 16 Hình 2.2 Mơ hình m t cell pin PV 17 c n I-V P-V c a pin m t tr i 18 c n P - V t i nhi khác _ 18 c n P-V c a pin công su t b c x c nh nhi i _ 19 c n m c cell pin n i ti p (bên trái) song song (bên ph i) 20 b o v cell pin _ 21 Hình 2.8 T m pin th c t g m nhi u cell pin ghép song song ho c n i ti p v i 21 Hình 2.9 H th c l p _ 22 Hình 2.10 Mơ hình h th ng PV k t n i _ 22 Hình 2.11 (a)Ki u Low Frequency Transformer (b) Ki u High Frequency Transformer _ 23 Hình 2.12 Ki u Transformerless 24 Hình 2.13 H th ng PV k t h Hình 3.1 B s c accu s d ng b bi 24 i công su t DC/DC _ 26 Hình 3.2 B s c accu ngõ vào 27 Hình 3.3 Gi i thu t th c hi n b s c 28 Hình 3.4 Gi i thu t MPPT gi i thu t s c tr ng thái 29 Hình 3.5 Hàm liên thu c cho bi n ngõ vào E 30 Hình 3.6 Hàm liên thu c cho bi n ngõ vào dE _ 31 Hình 3.7 Hàm liên thu c cho bi n ngõ vào Vref 31 c n P-V pin m t tr i 32 Hình 3.9 Mơ hình mơ ph ng gi i thu t MPPT _ 33 th b c x cho mô ph ng 34 Hình 3.11 Dị MPP 35 Hình 3.12 Vref Vpv _ 35 Hình th b c x _ 36 Hình 3.14 Fuzzy - dị MPP - mơ ph ng _ 36 Hình 3.15 Fuzzy - ng Vref, Vpv - mô ph ng _ 36 Hình 3.16 M c song song b t _ 38 Hình 3.17 B DC/DC converter ki u Push-Pull _ 39 nh t, s b ng th i gian cơng su t pin gi m, gi m m nh u t lúc 14h30 D th , ta kh o sát t i nh ng th l p nên b ng 5.2 B ng 5.2:Thông s c a h th ng pin ch y th c nghi m Th n áp m n 84.5V 83.4V 80.8V 81.5V 83.9V 1.85A 1.5A 1.13A 0.96A 0.57A Công su t 156W 125W 91W 78W 47.8W th hi n rõ s th ng nh t c a mơ hình th c nghi m lý thuy t, ta ti n hành mô hình hóa gi i thu t MPPT b ng ph n m m Matlab Simulink v i gi thi t nhi i b ng 300C, k t qu b m c trình bày hình 5.4 Hình 5.4: K t qu mô ph ng U (V) v i gi s nhi b m i C Qua k t qu c nghi m t i nh ng th nh k t qu mô ph ng, công su t pin cung c p cho t i công su t l n nh t ng v u ki ng t i th i u ch ng t , gi i thu t tìm MPPT tích h p v n hành mơ hình th c nghi m hoàn toàn phù h p v i lý thuy t th hi i t pin m i th m 113 c hi u qu c công su t c c 5.1.2 Kh o sát v hi u su t c a b inverter S d ng thi t b t 345 PQ clamp meter c th ng u vào công su it n giá tr nh m c T k t qu u thay ng tính tốn hi u su t c a h th vào b ng 5.3 B ng 5.3: Hi u su t c a b ngu n Pin (W) Vin (V) Iin(A) Po(W) Efficiency(%) 146 24.6 14.6 117 78.2 275 24.3 27.6 238 85.5 403 24 34.5 352 87.3 646 23.6 44.4 575 89.0 886 23.2 52.3 801 90.3 1125 22.8 58.6 1027 91.2 5.1.3 Kh o sát kh ng c a b ngu n S d ng thi t b ic Tektronix TDS2024B Fluke 345 PQ theo dõi s n áp DC- n ngõ t i Tồn b k t qu c trình bày hình 4.5 - 4.7 ng h p 1: Kh ng ngu n không t t=0.2s 114 i b ng t nh m c t i th m Hình 5.5: Gi ng h p 2: Kh m c t i th - n áp t ng ngu n v i t i b ng 1/4 t n t i nh m i b ng t nh m t=0.2s Hình 5.6: Gi ng h p 3: Kh ng ngu n áp t i t i l 60%, 80%, 60%, 40%, 10% Gi n t i m t 10%, 40%, n DC cho th y nh 115 n áp DC n Hình 5.7: Gi -link, nt i ng h p công su i l Hình 5.8: Gi - n áp t i, dịng ngõ (thành ph n t i Phân tích ph n áp n THD) Nh n xét - T k t qu th c nghi m cho th y hi u qu c a gi i thu c tích h p mơ hình 116 m cơng su t c i - Hi u su t c a c b inverter c i t th ng hi n s n xu t theo công ngh m s n ph m s d ng bi n áp AC (68%-73%) - i s n ph m có ng th t xa B inverter có th làm vi c hi u qu tin c y toàn d i t c bi méo d ng toàn ph n THD nh nh m c, m u so v i tiêu chu n 5.2 Inverter pha Hình 5.9: Các mơ hình ph n c ng b ngh 117 i c hi n n 5.2.1 K t qu b ngh 1) K t qu ngh n áp DC 50V, t n s sóng sin ngõ 50Hz, ngh Hình 5.10: D 5.2.2 K t qu t 18Khz, t n s ng t t, gai nhi u n áp ngõ b ngh i D m bi u ki n DC 150V, dịng pha 1.5A Hình 5.11: D ng dòng n pha áp pha ngh ch 118 i hình 5.11 n áp, thành ph n l i n, b u u u: dòng áp i 1.5A Kh o sát d ng dịng, áp, cơng su ampe k m Fluke345: 5.2.3 Phân tích d ng dịng ngh i pha Hình 5.12: Cơng su t, h s cơng su 5.2.4 Ch i i: Hình 5.13: D n phân tích THD 119 i ng (a) (b) (c) Hình 5.14 a,b,c: K t qu n 120 Hình 5.15: Ngh i v i h s công su 121 u c K T LU N Qua trình nghiên c u ng d ng, s n ph cc tài bao g m mơ hình thí nghi m, mơ hình th c nghi m th c t báo cáo khoa h c bao g m Mơ hình thí nghi m b ngh gi i thu u n k t n ng m t tr i pha k t n i i DSP TMS320F2812 Mơ hình tri n khai th nghi m áp d ng th c t b s c, b inverter pha d Ninh Thu n H th d i Ninh Thu n t 06 Bài báo khoa h ng m t tr i áp d ng t i n p chí, k y u h i ngh c ho c qu c t : 01 báo khoa h c nh p chí Phát tri n KH&CN, t p 16, s K3-2013: Design an uninterruptible power supplies based on high efficiency Push Pull converter i h i ngh The 2013 International Symposium On Electrical Electronics Engineering (ISEE 2013): The New Space Vector Pulse Width Modulation for Unbalanced Voltage Sources For Five-Level pp 300 Applying Fuzzy-logic Control for Tracking MPP of a PV System Based on Push, pp 332 340, ISBN: 978 - 604 - 73 - 2039 - i h i ngh International Conference on Green Technology and Sustainable Development (GDST- 2012): A Three-Phase Grid 02 bà i h i ngh A three-phase gridconnected Photovoltaic (PV) System based on DSP Control -403 An Experimental Grid-tie Inverter using DSP C2000 digital power framework -407, ISBN 978-4-931455-20-7 122 TÀI LI U THAM KH O [1] M Kamil (07/2010) Grid-Connected Solar Microinverter Reference Design Using a dsPIC® Digital Signal Controller Microchip Technology Application Note, AN1338 Modeling and Control Design of a Bidirectional PWM Converter for Single-phase Energy Systems , Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, 2009 [3] J S Kumari and Ch Sai Babu Mathematical Modeling and Simulation of Photovoltaic Cell using Matlab-Simulink Environment International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE).Vol 2, No 1, February 2012, pp 2634 [4] K.Kachhiya MATLAB/Simulink Model of Solar PV Module and MPPT Algorithm Proc National Conference on Recent Trends in Engineering & Technology, India, May 2011 [5] Z Chen, X Zhang, And J Pan (2007) An integrated inverter for a single-phase single-stage grid-connected PV system based on Z-source Bulletin of the polish academy of sciences technical sciences, Vol 55, No 3, 2007 [6] A Chaouachi, R.M Kamel, K Nagasaka MPPT Operation for PV Gridconnected System using RBFNN and Fuzzy Classification World Academy of Science, Engineering and Technology, 41, pp 97-105, 2010 [7] L Wuidart Topologies for switched mode Power supplies STMicoroelectronics Application note, AN513/0393 [8] Larry Nelson Jr., Eric Ruscitti 2A06 -DC Converter, Project #SJB Worcester Polytechnic Institute, Apr 2007 [9] L Rozenblat Switching mode power supply (smps) topologies Overview, comparison and selection guide http://www.smps.us/topologies.html , 2012 [10] R.S.R Babu, J Henry A Comparative Analysis of DC-DC Converters for Renewable Energy System Proc IMECS, Vol II, Mar 2012 123 [11] Ramesh Kankanala Full-Bridge Quarter Brick DC/DC Converter Reference Design Using a dsPIC Microchip Technology Application Note, AN1369 [12] Mutlu uslu nalysis, design, and implementation of a kw zero voltage switching phase-shifted full-bridge dc/dc converter based power supply for arc welding machines M.A Thesis, middle east technical university, Nov 2006 [13] J David Paolucci pull converter ovel current-fed boundary-mode parallel-resonant pushFaculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo, Jun 2009 [14] Hèctor Beltran Review of the Islanding Phenomenon Problem for Connection of Renewable Energy Systems Proc ICREPQ, 2006 , C28x Foundation Software, retrieved Nov 2011 [16] H Lu, Y Gu, H YuU, W.Li An Experimental System of Power Grid including Photovoltaic System based on TMS320F28027 , in Proceedings of 2nd AIMSEC International Conference, pp 3728-3731, China, Aug 2011 [17] F Ishengoma, S Schimpf, L Norum, DSP-controlled Photovoltaic Inverter for Universal Application in Research and Education PowerTech, 2011 IEEE Trondheim pp 1-6, June 2011 [18] Roberto González et al (2007) Transformerless Inverter for Single-Phase Photovoltaic Systems IEEE transactions on power electronics, vol 22, no 2, Mar 2007 [19] Eftichios Koutroulis, Kostas Kalaitzakis, Nicholas C Voulgaris (2001) -Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System , vol 16, no 1, Jan 2001 [20] Joung-Hu Park, Jun-Youn Ahn, Bo-Hyung Cho, Gwon-Jong Yu - Module-Based Maximum Power Point Tracking Control of Photovoltaic Systems IEEE transactions on industrial electronics, vol 53, no 4, Aug 2006 124 [21] Weidong Xiao, Nathan Ozog, William G Dunford Topology Study of Photovoltaic Interface for Maximum Power Point Tracking IEEE transactions on industrial electronics, vol 54, no 3, Jun 2007 [22] David Sanz Morales Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Applications Aalto University, School of Science and Technology, Dec 2010 [23] Hong Hee Lee et al using ANN- , in Proc IEEE Region 10 Annual International Conference, Proceedings/TENCON, pp 2179-2184, 2010 [24] D Peftitsis, G Adamidis, A Balouktsis (2006) An investigation of new control method for MPPT in PV array using DC -DC buck boost converter [25] T Esram, et al.(2006) Dynamic Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Arrays Using Ripple Correlation Control [26] T.Esram, P.L Chapman (2006) Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques [27] Stéphan Astier (2011) PV System and Application Course Materials at Viet Nam 2011 [28] Cape & Islands Self-Reliance (?) A Guide to Grid-Connected Photovoltaic Systems [29] David L King, Sigifredo Gonzalez, Gary M Galbraith, and William E Boyson (2007) Performance Model for Grid-Connected Photovoltaic Inverters [30] Andreas Theocharis, Thomas Zacharias, Dimitrios Tsanakas, John ilias-Argitis, University of Patras, Patras, Greece (2009) Modeling of a grid connected photovoltaic system using a geometrial transformer model [31] (2008) Simulation of fuzzy logic controlled grid interactive inverter [32] C Liu, B Wu and R Cheung (2004) Advanced algorithm for mppt control of photovoltaic systems 125 [33] Michael E Ropp, Member, IEEE, Sigifredo Gonzalez, Member, IEEE (2007) Development of a MATLAB/Simulink Model of a Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic System [34] Sachin Jain and Vivek Agarwal, Senior Member, IEEE (2007) A Single-Stage Grid Connected Inverter Topology for Solar PV Systems With Maximum Power Point Tracking [35] Yang Chen and Keyue Ma Smedley, Senior Member, IEEE (2004).A CostEffective Single-Stage Inverter With Maximum Power Point Tracking [36] Fran González-Espín, Emilio Figueres and Gabriel Garcerá An Adaptive Synchronous-Reference-Frame Phase-Locked Loop for Power Quality Improvement in a Polluted Utility Grid, IEEE ELECTRONICS, VOL 59, NO 6, JUNE 20 126 TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL PH N LÝ L CH TRÍCH NGANG H tên: Nguy n Minh Huy -09-1989 ng Tháp a ch liên l c: B môn Cung C Khoa Tp H n ng Ki nt i h c Bách ng 14, qu n 10, H Chí Minh O 2007-2012: H ih u n t n nt ih c Bách Khoa Tp H Chí Minh 2012-2013: H c Cao h c, ngành T n nt i h c Bách Khoa Tp H Chí Minh Q TRÌNH CƠNG TÁC 2012-nay: NCV B mơn Cung C n Tp H Chí Minh 127 nt i h c Bách Khoa ... ngu ng t PV Hình 2.13 H th ng PV k t h 24 XÂY D NG GI I THU T B BI U KHI N VÀ MÔ PH NG CÁC I CÔNG SU T NG M T TR I i thu bi i công su t h th gi i thu u u n b ng m t tr i Các mơ hình c mơ ph... hình 3.23, 3.24 43 Bi bode c a h u c Hình 3.23 Bi Hình 3.24 Bi bode h c hi u ch nh bode h sau hi u ch nh PI 44 Hình 3.25 Hàm liên thu c ngõ vào Hình 3.26 Hàm liên thu c vi phân c a ngõ vào Hình. .. 116 Hình 5.9: Mơ hình ph n c ng b ngh ch Hình 5.10: D n áp ngõ b ngh Hình 5.11: D Hình 5.14 a,b,c: K t qu Hình 5.15: Ngh 118 n pha áp pha ngh Hình 5.12: Cơng