Hê thống điện năng lượng mặt trời

i PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN 1 Họ và tên sinh viên nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài LƯU VĂN NAM MSSV 14039731 VŨ QUANG THUẤN MSSV 14025541 2 Tên đề tài TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 3 Nội dung T m hiểu hệ thống điện năng lượng mặt trời T m hiểu về tấm pin năng lượng mặt trời Sủ dụng phương pháp điều khiển MPPT T m hiều về bộ chuyển đổi DC DC Xuất kết quả và nhận xét 4 Kết quả Kết quả chạy chương tr nh So sánh kết quả lý thuyết với mô phỏng trên matlab simulink Giảng viên hướng dẫ.

PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN Họ tên sinh viên - nhóm sinh viên đƣợc giao đề tài LƯU VĂN NAM MSSV : 14039731 VŨ QUANG THUẤN MSSV : 14025541 Tên đề tài TÌM HIỂU VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Nội dung - T m hiểu hệ thống điện lượng mặt trời - T m hiểu pin lượng mặt trời - Sủ dụng phương pháp điều khiển MPPT - T m hiều chuyển đổi DC-DC - Xuất kết nhận xét Kết - Kết chạy chương tr nh - So sánh kết lý thuyết với mô matlab simulink Giảng viên hướng dẫn Tp HCM, ngày tháng năm 20 Sinh viên Lƣu Văn Nam Nguyễn Hoài Phong Vũ Quang Thuấn i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii MỤC LỤC PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN i NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ii NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN iii MỤC LỤC .iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH vi CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÊ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI .1 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập 1.1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới 1.2 Cấu tạo hệ thống điện lượng mặt trời 1.3 Ưu, nhược điểm hệ thống lượng mặt trời 1.3.1 Ưu điểm: 1.3.2 Nhược điểm: 1.4 Ứng dụng hệ thống điện lượng mặt trời Việt Nam .6 CHƢƠNG 2:TÌM HIỂU TẤM PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MPPT .7 2.1 Pin lượng mặt trời .7 2.1.1 Giới thiệu pin NLMT 2.1.2 Mô h nh pin NLMT: 2.1.3 Ảnh hưởng xạ ánh sáng 11 2.1.4 Ảnh hưởng nhiệt độ 13 2.2 Maximum point power tracking – MPPT: .15 2.2.1 Giới thiệu chung: .15 2.2.2 Nguyên lí dung hợp tải 16 2.2.3 Bộ tăng áp Boost .17 2.3 Thuật tốn xác định điểm cơng suất cực đại 18 iv 2.3.1 Thuật toán nhiễm loạn quan sát P&O 19 2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 26 CHƢƠNG 3: BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC HALF BRIDGE 30 3.1 Giới thiệu chuyển đổi DC-DC 30 3.1.1 Các biến đổi DC-DC không cách ly thường dùng 30 3.1.2 Các biến đổi DC-DC có cách ly thường dùng .33 3.2 Thiết kế chuyển đổi DC-DC half-bridge 37 3.2.1 Thiết kế máy biến áp: 39 3.2.2 Thiết kế mạch lọc LC 40 3.2.3 Sử dụng ideal switch thay đổi tải để xem ổn định hệ thống 41 3.2.4 Sử dụng khối gain để phản hồi điện áp đầu 42 3.2.5 Sử dụng điều khiển PI 42 3.2.6 Sử dụng PWM điều chế độ rộng xung để đóng cắt mosfet .43 3.3 Mô chuyển đổi DC-DC half bridge matlab simulink 45 PHỤ LỤC .50 TÀI LIỆU THAM KHẢO 58 LỜI CẢM ƠN 59 v DANH SÁCH HÌNH ẢNH H nh 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống lượng mặt trời H nh 1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới .2 H nh 2.1 Tấm pin NLMT H nh 2.2 Sơ đồ tương đương pin mặt trời .8 H nh 2.3 Dòng điện modul pin 10 H nh 2.4 Mô h nh pin PV Matlab/Simulink 11 H nh 2.5 Đặc tuyến P(W)-U(V) PV nhiệt độ không đổi,bức xạ thay đổi 12 H nh 2.6 Đặc tuyến U(V) - I(A) PV nhiệt độ không đổi, xạ thay đổi .12 H nh 2.7 Đặc tuyến P(W)-U(V) PV nhiệt độ thay đổi,bức xạ không đổi 13 H nh 2.8 Đặc tuyến U(V)-I(A) PV xạ không đổi, nhiệt độ thay đổi 14 H nh 2.9 Bộ điều khiển MPPT 15 H nh 2.10 Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải trở thay đổi giá trị .15 H nh 2.11 Đặc tính làm việc I-V PV tải thay đổi 16 H nh 2.12 Sơ đồ nguyên lí mạch boost 17 H nh 2.13 Pin mặt trời kết nối với tải qua biến đổi DC/DC .18 H nh 2.14 Đường đặc tính P - V thuật toán P&O .19 H nh 2.15 Sơ đồ thuật toán P&O 20 H nh 2.16 Hệ thống điều khiển MPPT dàn pin PV sử dụng thuật toán P&0 21 H nh 2.17 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ D 22 H nh 2.18 Mối quan hệ tổng trở vào mạch Boost với chu kỳ D .22 H nh 2.19 Sơ đồ thuật toán P&O với phương pháp điều khiển trực tiếp 23 H nh 2.20 Chu k đóng cắt D 24 H nh 2.21 Công suất pin mặt trời 24 H nh 2.22 Công suất pin PV độ rọi G thay đổi .25 H nh 2.23 Công suất ngõ ( W ) 25 H nh 2.24 Đường đặc tính P - V thuật tốn INC 27 H nh 2.25 Sơ đồ thuật toán INC 28 H nh Mạch giảm áp buck .30 vi H nh Mạch tăng áp boost 31 H nh 3 Mạch buck-boost 32 H nh Mạch flyback 33 H nh mạch push-pull 34 H nh Mạch full-bridge 35 H nh Mạch half bridge 36 H nh Bộ chuyển đổi half bridge .37 H nh Biểu đồ hoạt động half bridge 38 H nh 10 Thông số máy biến áp 39 H nh 11 Mạch lọc LC 40 H nh 12 ideal switch 41 H nh 13 Cài đặt thời gian để đóng cắt ideal switch 41 H nh 14 Khối gain .42 H nh 15 điều khiển PI 42 H nh 16 Cài đặt thông số cho khâu hiệu chỉnh PI .43 H nh 17 Biểu đồ hoạt động PWM .44 H nh 18 Bộ nghich lưu 45 H nh 19 Máy biến áp,bộ chỉnh lưu lọc LC 46 H nh 20 Bộ ideal switch tải 46 H nh 21 Biểu đồ dòng điện điện áp chưa có điều khiển PID 47 H nh 22 Biểu đồ dòng điện điện áp có điều khiển PID 47 H nh 23 Biểu đồ dòng điện điện áp sử dụng ideal switch để thay đổi tải 48 H nh 24 biểu đồ bode 48 vii Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn CHƢƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HÊ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI 1.1 Giới thiệu chung Trong thái dương hệ mặt trời có nguồn lượng lớn Mặt trời cung cấp trực tiếp hoạt gián tiếp cho loài người dạng sống trái đất Mặt trời định khí hậu thời tiết khơng có mặt trời trái đất vùng đất chết đóng băng vĩnh cửu Điện lượng măt trời ý tưởng tuyệt vời Lấy lượng từ mặt trời chuyển thành điện cung cấp cho trang thiết bị mong ước chúng ta, khơng cịn hóa đơn tiền điện, khơng cịn phụ thuộc vào cơng ty điện lực bạn có nguồn lượng tái tạo, xanh bảo vệ môi trường Tạo lượng mặt trời nhờ vào ánh sáng mặt trời chiếu vào panel pin mặt trời tạo nguồn điện chiều DC qua biến tần chỉnh thành nguồn điện xoay chiều AC cung cấp cho thiết bị điện Panel mặt trời tạo điện hiệu ứng quang điện lớp bán dẫn, lớp thiếu electron Khi electron bị photon kích thích lám cho chúng chuyển từ lớp bán dẫn sang bán dẫn kia, nên tạo điện tích Các panel thường Si cắt thành mỏng xếp kết hợp vừa song song nối tiếp Nối tiếp th tăng hiệu suất pin, mắc song song th tăng áp cung cấp cho phụ tải Một hệ thống pin lượng mặt trời sử dụng lượng mặt trời bao gồm loại: Hệ pin mặt trời làm việc độc lập hệ pin mặt trời làm việc nối lưới Tùy theo điều kiện nhu cầu sử dụng vị trí lắp đặt mà hệ ứng dụng 1.1.1 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn H nh 1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống lượng mặt trời Nguyên lí hoạt động Từ giàn pin mặt trời, ánh sáng biến đổi thành điện năng, tạo dòng điện chiều (DC) Dòng điện dẫn tới điều khiển thiết bị điện tử có chức điều hoà tự động tr nh nạp điện vào ắc-quy phóng điện từ ắc-quy thiết bị điện chiều (DC) Trường hợp công suất giàn pin đủ lớn, mạch điện lắp thêm đổi điện để chuyển dòng chiều thành dòng xoay chiều (AC), chạy thêm nhiều thiết bị điện gia dụng (đèn, quạt, radio, TV ) 1.1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lƣới H nh 1.2 Hệ pin mặt trời làm việc nối lưới Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn Nguyên lí hoạt động: Điện thu từ pin ( Solar Panel) điện chiều, qua hòa lưới ( Grid Tie Inverter ) có chức đổi từ điện DC sang điện AC pha tần số với điện lưới hòa chung với điện lưới Khi cơng suất hịa lưới cơng suất tải th tải tiêu thụ điện hoàn toàn từ pin mặt trời Khi công suất tải tiêu thụ lớn công suất hòa lưới th tải lấy thêm lưới bù vào Khi công suất tải tiêu thụ nhỏ công suất hòa lưới th điện từ hòa lưới trả lưới Khi thiết kế hệ thống hòa lưới ( ) th thiết kế cho cơng suất hịa lưới ≤ cơng suất tải tiêu thụ 1.2 Cấu tạo hệ thống điện lƣợng mặt trời  Panel mặt trời Tấm pin Panel mặt trời (Solar Cells Panel) biến đổi quang hấp thụ từ mặt trời thành điện Một số thông tin pin mặt trời hiệu suất: từ 15%18%, Công suất từ 25Wp đến 175Wp, số cells pin:72 cells, kích thước cells: 5-7 inch Trong ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1Kw/m2 đến mặt trời (khi mặt trời quang mây đứng bóng, mực nước biển) Công suất điện áp hệ thống phụ thuộc vào cách ghép nối pin với Các pin Panel mặt trời lắp đặt ngồi trời để hứng ánh nắng tốt từ mặt trời nên thiết kế với tính chất liệu đặc biệt, chịu đựng khắc nghiệt thời tiết, khí hậu, nhiệt độ  Bộ điều khiển sạc Là thiết bị thực chức điều tiết sạc cho ắc-quy, bảo vệ cho ắc-quy chống nạp tải xả sâu nhằm nâng cao tuổi thọ b nh ắc-quy, giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu lâu dài Bộ điều khiển cho biết t nh trạng nạp điện Panel mặt trời vào ắc- quy giúp cho người sử dụng kiểm soát phụ tải Bộ điều khiển thực việc bảo vệ nạp điện (>13,8V) điện Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn 1.10 Mô chuyển đổi DC-DC half bridge matlab simulink Bộ nghich lưu H nh 18 Bộ nghich lưu 45 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn Máy biến áp,bộ chỉnh lưu lọc LC H nh 19 Máy biến áp,bộ chỉnh lưu lọc LC Bộ ideal switch thay đổi tải H nh 20 Bộ ideal switch tải 46 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn Biểu đồ dòng điện điện áp chưa có điều khiển PID H nh 21 Biểu đồ dòng điện điện áp chưa có điều khiển PID Nhận xét: nh n vào biểu đồ ta thấy điện áp đầu không đáp ứng yêu cầu 350v Biểu đồ dòng điện điện áp có điều khiển PID H nh 22 Biểu đồ dòng điện điện áp có điều khiển PID Hệ thống hoạt động ổn định với Vo = 350v 47 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn Biểu đồ dòng điện điện áp sử dụng ideal switch để thay đổi tải H nh 23 Biểu đồ dòng điện điện áp sử dụng ideal switch để thay đổi tải Nhận xét : đóng ideal switch tải thay đổi, dòng điện sụt giảm, điện áp ngõ ổn định, hệ thống hoạt động b nh thường Biểu đồ bode H nh 24 biểu đồ bode 48 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn Dựa vào biểu đồ bode ta thấy : Độ dự trữ biên: GM= ∞ Độ dự trữ pha: ΦM=180o+ Φ(ωc) = 180o+151o= 331o V : GM > ΦM >0 nên hệ thống ổn định Kết luận: Sau lập mô cho chuyển đổi điện áp DC-DC HALF BRIDGE, tính tốn điều khiển sử dụng phần mềm matlab simulink khảo sát kết ta thấy biến đổi có đáp ứng tốt, hệ thống hoạt động ổn định Phần mềm mô đưa kết so với lý thuyết 49 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn PHỤ LỤC Code chạy chƣơng trình pin PV: function Ipv = PV(G,t,Vpv) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Photovoltaic Model based on Solartech SPM080P % % % % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % % SPM080P Features % Voc = 21.9 V % Isc = 5.1 A % Pmax = 80w % Current Temperature Coefficient 0.06%/K (+-0.01%) % 25oC, 1000W/m2 % %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Panel Parameters Ns_cell = 36; % No of cells series in panel Np_cell = 1; % No of cells paralel in panel q = 1.6e-19; k = 1.38e-23; % 1.38e-23 A = 1.5; % Diode quality constant Rs = 5e-3; K0 = 0.06/100; % current temperature coefficient 0.065 Vg = 1.12; T = t + 273; T_norm = 298; Voc_module = 21.42; Isc_module = 3.11; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Cell Parameters K0_cell = K0/Np_cell; Voc_cell = Voc_module/Ns_cell; Isc_cell = Isc_module/Np_cell; IL_norm = Isc_cell; Vpv_cell = Vpv/Ns_cell; %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Other Parameter Calculation I0_norm = Isc_cell/(exp(q/(A*k*T_norm)*Voc_cell) - 1); I0 = I0_norm*(T/T_norm)^(3/A)*exp(-Vg*q/A/k*(1/T - 1/T_norm)); IL = G*IL_norm; IL = IL*(1 + K0_cell*(T - T_norm)); %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% % Newton-Ralphson method I = [0 0 0]; I(1) = IL/5; for i=1:5 50 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn f = I(i) + I0*(exp(q/A/k/T*(Vpv_cell + Rs*I(i))) - 1); J = + I0*q/A/k/T*Rs*exp(q/A/k/T*(Vpv_cell + Rs*I(i))); epsilon = (IL - f)/J; I(i) = I(i) + epsilon; end; Ipv = I(5)*Np_cell; Code chạy chƣơng trình điều khiển MPPT: function D = PO(V,I,T) persistent Pm Pm1 Pm2 Pmb P2 d1 d2; if isempty(Tb) Tb=0; end if isempty(stp) stp=0; end if isempty(V) V=0; end if isempty(V1) V1=0; end if isempty(dV) dV=0; end if isempty(I) I=0; end if isempty(Pm) Pm=0; end if isempty(Pm1) Pm1=0; end if isempty(Pm2) Pm2=0; end if isempty(Pmb) Pmb=0; end if isempty(P2) P2=0; end if isempty(P1) P1=0; end if isempty(P22) P22=0; end if isempty(P11) P11=0; end if isempty(dP) dP=0; end if isempty(d) d=0.1; P1 P22 P11 51 dP d dd n n1 dV V1 stp Tb c cP Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn end if isempty(dd) dd=0; end if isempty(n) n=1; end if isempty(n1) n1=1; end if isempty(c) c=0; end if isempty(cP) cP=0; end if isempty(d1) d1=0; end if isempty(d2) d2=0; end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% if ( T==1.1) stp=0; cP=0; end if ( T>0.1) if ( T > n1*0.001) P1=V*I; if (abs(P2-P1)=10) if (stp==0 && Pmb-P1>1 && Pmb~=0) if (cP==1) Pm2=Pmb d2=dd cP=1; stp=1; %chuyen step1 end if (cP==0) Pm1=Pmb cP=1; d1=dd end end dd=d; Pmb=P1; c=0; end if (stp>0 && c>=5) dd=d; 52 Khóa luận tốt nghiệp SV: Lưu Văn Nam – Vũ Quang Thuấn Pmb=P1; c=0; end n1=n1+1; end if (stp==0 && T-Tb > 0.05) n=n+1 ; d=d+0.05; Tb=T; end if (stp==1) if (Pm1>Pm2) d=d1; else d=d2; end stp=2; Tb=T; end if (stp==2 && T-Tb > 0.05) Tb=T; P22=Pmb; dP=P22-P11; P11=P22; %dV=V-V1; %V1=V; if dP>=0.001 if dV==1 d=d+0.01; dV=1; else d=d-0.01 ; dV=0; end elseif dP