Đồ án điện tử công suất năng lượng mặt trời MPPT và mô phỏng

ĐỀ TÀI HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ MPPT VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM (PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER SYSTEM WITH MPPT AND SIMULATION ON MATLAB) Mô phỏng sự thay đổi quang ánh xạ ảnh hưởng lên bộ MPPT của hệ thống quang năng lượng mặt trời. Đồng thời thiết kế bộ nghịch lưu nối lưới sử dụng PID khi tải thay đổi

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HCM KHOA ĐIỆN –ĐIỆN TỬ ĐỀ TÀI HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ MPPT VÀ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM (PHOTOVOLTAIC SOLAR POWER SYSTEM WITH MPPT AND SIMULATION) GVHD: Nguyễn Thới Tên Phan Minh Điền Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 12 năm 2021 MSSV 19151037 MỤC LỤC I Giới thiệu tổng quan .2 Đặt vấn đề 2 Điện mặt trời (PV) .3 II Điện mặt trời sử dụng MPPT .3 Nguyên lí hoạt động: Các yếu tố ảnh hưởng đến pin mặt trời .4 III Bộ chuyển đổi DC/DC Bộ chuyển đổi DC/DC .6 Bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) IV Maximum Power Poin Tracking (MPPT) MPPT gì? .7 Nguyên lí hoạt động MPPT Thuật toán xác định điểm có cơng suất cực đại (MPPT) MPPT nối lưới thực tế, ưu điểm MPPT 10 Kết mô 12 V Kết luận 14 Tài liệu tham khảo 15 I Giới thiệu tổng quan Đặt vấn đề Cùng với phát triển thị hóa nhanh chóng, vấn đề sử dụng lượng trở thành chủ đề nóng bàn luận, Việt Nam đứng trước nguy cân lĩnh vực lượng nguồn cung cầu Trong vấn đề ảnh hưởng q trình khai thác mơi trường, giá thành gia tăng nhu cầu,… chưa giải hiệu số giải pháp đề xuất có sử dụng lượng tái tạo, chúng nguồn lượng có sẵn tự nhiên, đảm bảo vấn đề môi trường giảm thiểu áp lực nhà máy điện Việc sử dụng nguồn lượng tái tạo dần trở nên phổ biến khuyến khích giá trị mà chúng mang lại Từ lợi ích từ kinh tế, mơi trường,… lượng tái tạo dần phát triển ứng dụng dân dụng công nghiệp Trong nguồn lượng tái tạo sử dụng gió, địa nhiệt, sóng biển… lượng mặt trời sử dụng hiệu phổ biến nhất, nguồn lượng ổn định dễ khai thác Với vị trí nằm gần khu vực xích đạo, tổng số nắng cường độ xạ thường xuyên mức cao Việt Nam thuộc nhóm nước có tiềm lớn khai thác sử dụng lượng từ mặt trời Năng lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống nối lưới độc lập Tấm pin mặt trời cấu tạo từ chất bán dẫn, có ánh nắng chiếu vào chuyển đổi thành điện hiệu ứng quang điện Các pin lượng mặt trời mắc nối tiếp song song, tùy theo nhu cầu lượng phụ tải Hiện nay, pin lượng mặt trời có cơng suất từ vài W đến 500W Công suất ngõ pin mặt trời thay đổi, phụ thuộc vào thời tiết, nhiệt độ, đặc biệt phụ thuộc vào xạ từ mặt trời Có thể nói, việc đầu tư vào lượng tái tạo, cụ thể lượng mặt trời, xu hướng mục tiêu phát triển cho tương lai Chính sử dụng chưa đủ, mà phải biết cải tiến nhằm sử dụng cách hiệu khai thác tối ưu lợi ích mà chúng mang lại Trong có việc ứng dụng MPPT giúp dị tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại hệ thống điện mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử biến đổi DC/DC Phương pháp MPPT sử dụng phổ biến hệ thống PV làm việc độc lập dần áp dụng hệ quang điện làm việc với lưới Điện mặt trời (PV) Điện mặt trời ( solar power), gọi quang điện hay quang (photovoltaics - PV) lĩnh vực nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện nhờ pin mặt trời Ngày nay, nhu cầu lượng ngày nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển nhanh chóng Minh hoạ hệ thống điện mặt trời II Điện mặt trời sử dụng MPPT Sơ đồ khối chuyển đổi tích hợp MPPT Nguyên lí hoạt động: Các pin lượng hấp thụ quang chuyển đổi thành dòng điện chiều (DC), đến biến đổi DC/DC, điều khiển thuật tốn biến đổi MPPT giúp tìm điểm công suất cực đại điều chỉnh nhằm thu nhiều điện Việc sử dụng MPPT để theo dõi dòng điện điện áp pin giúp tối ưu hiệu suất mang lại Sau đó, điện chuyển đến khối DC/AC để cung cấp cho tải, sạc cho nguồn dự phòng (Acquy) Các yếu tố ảnh hưởng đến pin mặt trời - Bụi bẩn, rác: Việc bụi bẩn tích tụ pin làm giảm tổng sản lượng điện Thông thường chúng đặt ngang hay nghiêng hướng lên Do có gió nên cát, bụi bẩn vật li ti dễ bám vào Đối với gắn theo chiều ngang tích tụ nhiều bụi mưa gió khơng đủ mạnh để rửa tàn dư khỏi bề mặt ngang Chính vậy, việc vệ sinh thường xuyên giúp tăng sản lượng điện thu - Ảnh hưởng nhiệt độ: Trái ngược với suy nghĩ nhiều người, pin mặt trời hoạt động hiệu nhiệt độ thấp, vào mùa hè nóng chúng không mang lại hiệu ngày mùa đông lạnh Ảnh hưởng nhiệt độ pin mặt trời - Góc đặt pin cường độ ánh sáng: Vì pin sử dụng ánh sáng mặt trời để chuyển hóa thành điện, lượng thu thời điểm khác Ảnh hưởng mùa chu kỳ ngày, đêm liên tục ảnh hưởng đến hiệu mang lại Tất nhiên, không thay đổi quy luật Nhưng giảm thiểu ảnh hưởng mùa cách chọn góc đặt để chúng thu nhiều lượng Vì thế, cần tìm cách để chọn góc để thu nhiều cường độ ánh sáng qua cung cấp điện hiệu Ảnh hưởng cường độ ánh sáng pin mặt trời III Bộ chuyển đổi DC/DC Bộ chuyển đổi DC/DC Bộ biến đổi DC-DC điều khiển dùng để chuyển đổi nguồn, dòng điện chiều (DC) từ mức điện áp sang mức điện áp khác, loại chuyển đổi lượng điện, mục đích đổi nguồn chiều khơng ổn định thành nuồn chiều điều khiển Trong hệ thống pin mặt trời, biến đổi DC-DC kết hợp chặt chẽ với thuật toán MPPT Thuật toán MPPT sử dụng biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi cung cấp điện áp lớn phù hợp với tải Có nhiều loại biến đổi DC-DC sử dụng phổ biến loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Cả loại DC-DC sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo chu kỳ tính tốn sẵn để đạt mục đích sử dụng Trong biến đổi DC-DC thường dùng hệ PV gồm: giảm áp (buck) tăng áp (boost) Nhưng chủ yếu biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter) dùng cuộn kháng hỗ cảm với hệ số biến đổi điện áp hiệu suất cao ( 90%-95%), phù hợp với hệ thống pin lượng mặt trời Bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) Mạch tăng áp sử dụng phổ biến với khả điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào (Vo>Vin) Nguồn áp chiều mắc nối tiếp với cuộn cảm có vai trị nguồn dịng Một khóa chuyển mạch mắc song song đóng mở theo chu kỳ tụ điện dùng để lọc điện áp đầu Mạch tăng áp làm việc luân phiên trạng thái khóa S đóng khóa S mở Dựa vào nguyên lý hoạt động dạng sóng điện áp dịng điện ta thiết lập mối liên hệ điện áp đầu vào điện áp đầu sau: Vout = Vin 1− D đó: - Vout điện áp đầu (V) - Vin điện áp đầu vào (V) - D độ rộng xung điều khiển IV Maximum Power Poin Tracking (MPPT) MPPT gì? MPPT cụm từ quen thuộc ngành điện mặt trời, viết tắt từ Maximum Power Point Tracking hay cịn gọi theo dõi điểm cơng suất tối đa Đây tính tích hợp tất biến tần (inverter) lượng mặt trời Nói cách đơn giản, chúng chuyển đổi điện áp DC đến giá trị phù hợp, giúp tối ưu hóa lượng điện tạo từ pin mặt trời suốt trình hoạt động Ngun lí hoạt động MPPT Hình minh họa hệ thống điện mặt trời sử dụng MPPT Nguyên tắc MPPT khai thác cơng suất tối đa có sẵn từ PV (tấm pin mặt trời), cách làm cho chúng hoạt động điện áp hiệu (hay cịn gọi điểm cơng suất tối đa) Điều có nghĩa là: Với hầu hết Inverter tích hợp MPPT, có tác dụng kiểm tra đầu PV so sánh với điện áp pin, sau xác định cơng suất tốt mà PV tạo để sạc pin chuyển đổi thành điện áp tốt Từ tạo dịng điện tối đa chuyển vào pin dự trữ Nó cung cấp điện tải chiều, kết nối trực tiếp với pin Theo chuyên gia MPPT thiết bị dễ dàng tối ưu hóa sản lượng điện từ hệ thống lượng mặt trời Tuy nhiên, nguồn điện đầu từ MPPT thay đổi liên tục tùy vào điều kiện xạ, nhiệt độ mơi trường xung quanh MPPT hoạt động hiệu điều kiện sau: ◆ Trong điều kiện thời tiết lạnh, nhiều mây mù ánh sáng, pin lượng mặt trời nhận lượng MPPT giúp hệ thống vận hành hiệu cho phép pin dự trữ sạc đầy ◆ Còn điều kiện pin cạn kiệt: MPPT kích dịng điện lên để pin đạt tiêu chuẩn ◆ Trong trường hợp sử dụng dây dẫn cách 100 feet điện áp lượng điện giảm sút Với hỗ trợ MPPT giúp cho mức điện tiêu thụ điện áp chuyển đổi toàn diện, phù hợp với pin mặt trời Thuật toán xác định điểm có cơng suất cực đại (MPPT) Vị trí điểm MPP đường đặc tính I–V khơng biết trước ln thay đổi phụ thuộc vào điều kiện xạ nhiệt độ Chẳng hạn, hình sau trình bày đặc tính I – V pin mặt trời giữ nhiệt độ cố định 25°C xạ mặt trời thay đổi Do đó, cần có thuật tốn để theo dõi đểm MPP, thuật tốn trái tim điều khiển MPPT Có nhiều thuật tốn nghiên cứu ứng dụng thực tế, phổ biến thuật toán P&O (Perturb and Observer) Thuật toán P&O, phương pháp “leo đồi” sử dụng phổ biến thực tế tính đơn giản thuật tốn dễ dàng thực Hình sau cho thấy công suất pin mặt trời hàm dịng điện Trong thuật tốn dòng điện hoạt động pin mặt trời bị nhiễu gia số nhỏ ΔI kết làm thay đổi công suất, ΔP quan sát (observer) Nguyên lý hoạt động thuật tốn P&O Hình mơ tả ngun lý hoạt động thuật tốn P&O, từ suy phương thức hoạt động thuật toán sau: ⚫ Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP < ΔV < 0) cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP ⚫ Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP > ΔV > 0) cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP ⚫ Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP > ΔV < 0) cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP ⚫ Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP < ΔV > 0) cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP Lưu đồ thuật toán P&O (Perturb and Observer) MPPT nối lưới thực tế, ưu điểm MPPT 10 Hiện nay, có loại công nghệ MPPT phổ biến sử dụng biến tần hòa lưới Inverter MPPT Inverter MPPT Chúng ta hiểu cách đơn giả với hệ thống lắp chuỗi pin lượng mặt trời trở lên sử dụng Inverter MPPT hiệu MPPT Thuộc tính kết nối vào Inverter MPPT MPPT Cho phép kết nối pin với góc phương vị khác Khơng Có Cho phép kết nối pin với góc nghiêng khác Khơng Có Cho phép kết nối chuỗi pin với độ dài khác Khơng Có Cho phép kết nối với chuỗi pin loại khác Khơng Có Cho phép kết nối chuỗi pin mà khơng cần sử dụng optimizer Khơng Có Cung cấp điện tối ưu Khơng Có Từ bảng so sánh bên trên, ta thấy với hệ thống lắp đặt MPPT kép cho phép người lắp đặt sử dụng linh hoạt hơn, tiết kiệm chi phí mà sản lượng điện đạt hiệu cao Nếu sử dụng Inverter MPPT việc hạn chế góc phương vị, góc nghiêng, độ dài chuỗi chủng loại, khơng khơng lại hiệu mà cịn vi phạm tiêu chuẩn an toàn hệ thống vận hành Nếu trước việc lắp đặt pin lượng mặt trời hướng góc nghiêng khác xem việc khó khăn khiến cho chi phí lắp đặt cao Nhưng với đời MPPT kép giúp cho kỹ thuật viên lắp đặt dễ dàng tiết kiệm nhiều chi phí hơn.Từ chức ta tóm tắt lại ưu điểm MPPT sau: • Giúp tối ưu hóa sản lượng điện đầu cho pin lượng mặt trời Làm giảm hao phí chịu ảnh hưởng từ tác động điều kiện tự nhiên tần suất khúc xạ mặt trời, điều kiện thời tiết… • Phù hợp với dự án lượng tái tạo hệ thống lượng điện mặt trời lượng điện từ tuabin gió, • Đơn giản hóa hệ thống cải thiện nguồn điện đáng kể 11 • Giúp đơn giản hóa việc lắp đặt pin mặt trời chọn góc phương vị tiết kiệm chi phí Kết mơ Mơ hệ thống lượng mặt trời nối lưới sử dụng giải thuật P&O Matlabsimulink Giải thuật P&O 12 Sự thay đổi điện áp, dòng điện giàn Pin giá trị điều khiển D xạ môi trường thay đổi Sự thay đổi công suất trước sau ngõ tăng áp dùng MPPT 13 Đồ thị điện áp dịng điện lưới cơng suất có mạch V Kết luận Thơng qua q trình tìm hiểu, tham khảo nhóm em thực “Đề tài HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ MPPT” thực số việc sau: - Giới thiệu, định nghĩa khái niệm hệ thống điện mặt trời - Tìm hiểu cấu tạo, ngun lí hoạt động, so sánh chọn điểm hoạt động hiệu cho hệ thống điện mặt trời có MPPT - Nghiên cứu, xây dựng thuật tốn P&O để tìm điểm cơng suất cực đại - Mô hệ thống pin mặt trời nhỏ Vì đề tài cịn lạ, nên kiến thức chúng em hạn chế chưa thể hồn chỉnh làm Một số phần đề cập mắc sai sót, mong có thêm góp ý thầy bạn để hồn thiện đề tài Em xin chân thành cảm ơn! 14 Tài liệu tham khảo Bài tư vấn “Điều tác động đến hiệu pin mặt trời đèn pha” https://givasolar.com/dieu-gi-tac-dong-den-hieu-qua-tam-pin-mat-troicua-den-pha/ Báo cáo “Simulation and Hardware Implementation of a MPPT Charge Controller for a Photovoltaic Systems” tác giả Venkataraghavan Karunamuthy Kumaraswamy, Tariq Iqbal “NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG MATLAB/SIMULINK MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI” tác giả Nguyễn Ngọc Tiến , Nguyễn Bá Phú, Đỗ Thế Tân, Nguyễn Văn Hùng https://khcn.haui.edu.vn/media/30/uffile-upload-no-title30306.pdf 15 ... lượng từ mặt trời Năng lượng mặt trời sử dụng cho hệ thống nối lưới độc lập Tấm pin mặt trời cấu tạo từ chất bán dẫn, có ánh nắng chiếu vào chuyển đổi thành điện hiệu ứng quang điện Các pin lượng. .. tiếp thành điện nhờ pin mặt trời Ngày nay, nhu cầu lượng ngày nhiều nên ngành sản xuất pin mặt trời phát triển nhanh chóng Minh hoạ hệ thống điện mặt trời II Điện mặt trời sử dụng MPPT Sơ đồ khối... pin lượng mặt trời mắc nối tiếp song song, tùy theo nhu cầu lượng phụ tải Hiện nay, pin lượng mặt trời có cơng suất từ vài W đến 500W Công suất ngõ pin mặt trời thay đổi, phụ thuộc vào thời tiết,