(Luận văn thạc sĩ hcmute) nghiên cứu giải thuật tìm điểm cực đại của pin năng lượng bằng pid

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ HỒNG HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI CỦA PIN NĂNG LƯỢNG BẰNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN SKC007508 Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/2017 Luan van BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ HỒNG HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI CỦA PIN NĂNG LƯỢNG BẰNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS LÊ CHÍ KIÊN Tp Hồ Chí Minh, tháng 10/ 2017 i Luan van QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI ii Luan van iii Luan van iv Luan van v Luan van vi Luan van vii Luan van viii Luan van LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC Họ & tên: NGUYỄN THỊ HỒNG HÀ Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 02-09-1979 Nơi sinh: THÁI BÌNH Quê quán: KIẾN XƯƠNG- THÁI BÌNH Dân tộc: Kinh Chức vụ, đơn vị công tác trước học tập, nghiên cứu: Phó trưởng phịng cơng tác học sinh- sinh viên- Trường Cao Đẳng nghề Kiên Giang Chỗ riêng địa liên lạc: 1028/55B Nguyễn Trung Trực An Hòa- Tp Rạch Giá – Tỉnh Kiên Giang Điện thoại quan: 077.928161 Điện thoại : 0919.722.575 Fax: E-mail: nthha@caodangnghekg.edu.vn II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO Đại học: Hệ đào tạo: vừa học, vừa làm Thời gian đào tạo từ 09/2011 đến 12/2013 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Nha Trang Ngành học: Công nghệ Điện – Điện tử Tên đồ án, luận án môn thi tốt nghiệp: Thi tốt nghiệp Thạc sĩ: Hệ đào tạo: quy Thời gian đào tạo từ 05/2016 đến 10/2017 Nơi học (trường, thành phố): Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp Hồ Chí Minh Ngành học: Kỹ Thuật Điện Tên luận văn: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm cực đại Pin lượng PID ix Luan van CHƯƠNG TÍNH TỐN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Xác định tính hiệu kinh tế hệ thống Pin lượng mặt trời cần phải nghiên cứu xem giá trị kinh tế, giá trị lợi ích yếu tố mơi trường việc cần tìm hiểu liệu sử dụng hệ thống điện mặt trời có mang lại lợi ích kinh tế khơng, hay đơn có lợi cho mơi trường Trên sở nghiên cứu mơ thử nghiệm sau: 5.1 Thực nghiệm mơ hình hệ thống Pin lượng mặt trời Bảng 5.1: Các thông số thiết kế mơ hình Thành Thơng số kỹ thuật phần Ghi Công suất: 100W Quang thông: 110-130Lm Điện áp đầu vào: 219 -223 V Nhiệt độ màu: Trắng :5500K~6500K Góc chiếu:120° Đèn đường LED Thông số sản Nhiệt độ làm việc:-30°C~+50°C Vật liệu vỏ: Nhơm màu bạc, kính chịu lực phẩm nhà sản xuất Nhiệt độ làm việc trời: ≤55° Tiêu chuẩn chống nước:IP65 Trọng lượng: 1,4 kg Kích thước: L682*W308*H110mm Tấm pin Công suất: Poly solar panel 110W/17.5V x mặt trời Độ bền: 20-25 năm Thông số sản phẩm nhà 69 Luan van Trọng lượng: 14,5 kg/tấm sản xuất Kích thước: 52x126x6 cm Pin chì dung dịch axit: 100AH/12V Ắc-quy chuyên dùng hệ thống NLMT Ắc - qui Độ bền: 3-5 năm Thông số sản phẩm nhà Kích thước: 35x20x25 cm sản xuất Trọng lượng: 36kg Tắt mở tự động, điều khiển ánh sáng, điều khiển tay Bảo vệ pin, tự ngắt sạc Bộ sạc cảm biến Khi Pin sạc, hệ thống điều chỉnh điến áp vào tự sạc Nguyên lý ánh sáng Chức xả lượng tự động tự sạc pin 12V/10A Chức điều chỉnh nhiệt độ thiết kế Ngăn chặn sạc pin sử dụng pin mặt trời Chống tắt tự động tải Áp vào 12 – 18VDC Inverter Điện áp ngõ 12 – 15VAC Nguyên lý thiết kế Dạng sóng: sin chuẩn Điện áp/ dòng điện sơ cấp 12VAC/10A Biến áp Điện áp/ dòng điện thứ cấp 215 – 223V/2A Nguyên lý thiết kế Chiều cao cột: 5,5m , có tay vươn đèn Cột đèn thép Gía đỡ pin Năng lượng mặt trời Thiết kế theo yêu cầu Cáp điện lõi tròn 3,5mm Thời gian làm việc 8-12 giờ/ngày, sạc đầy lượng, Bình Ắc quy sạc đầy điện, sử dụng 2-3 ngày mưa 70 Luan van Dự kiến thực nghiệm 5.1.1 Sơ đồ thiết kế Hình 5.1: Sơ đồ thiết kế mơ hình 5.1.2 Mạch Inverter Bộ nghịch lưu (Inverter) Là biến đổi từ điện chiều (DC) thành điện xoay chiều (AC) - 220V/50Hz Với công nghệ Switching tiên tiến Nguồn chiều thường từ Ắc - quy 12V, 24V, 48V… Có hai dịng sản phẩm với nhiều mức cơng suất theo u cầu sử dụng: - Dạng sóng Sin mô (modified sine wave): Với đặc điểm giá rẻ, nhỏ gọn Thường dùng cho thiết bị như: Máy vi tính, đèn compact, TV, đầu máy DVD, CD, MP3… nhiên không dùng với thiết bị có tính cảm kháng quạt, motor… - Dạng sóng Sin thực(True/Pure sine wave): Với đặc điểm dạng sóng hồn tồn giống điện lưới Dịng sản phẩm cho phép sử dụng tốt với tất thiết bị điện.Tuy nhiên giá thành cao so với dạng Sin mô Sơ đồ nguyên lý mạch Inverter 71 Luan van Hình 5.2 : Sơ đồ nguyên lý mạch Inverter Linh kiện mạch:  IC PIC16F684, IC 4081, IC IR2101,  Transitor hiệu ứng trường (mosfet) IRF3205  Đi ốt 1N4007  Điện trở: 100 Ohm  Tụ khơng phân cực 225/400VAC  Tụ hóa 10u/35VDC  Biến áp 8VAC/220VAC công suất 200W 72 Luan van 5.1.3 Hình ảnh mơ mạch Inverter (hình 3D) Hình 5.3: Hình ảnh mơ mạch inverter 5.1.4 Mạch sạc Ắc - quy cảm biến ánh sáng Hình 5.4: Sơ đồ nguyên lý mạch nạp ắc-qui cảm biến ánh sáng 73 Luan van Khi trời sáng LDR dẫn làm cho Q1 dẫn kép áp phân cực Q2 xuống mức thấp làm Q2 ngưng dẫn, lúc relay RL1 khơng hút tiếp điểm thường đóng RL1 cấp nguồn cho mạch sạc Khi trời tối LDR ngưng dẫn làm Q1 ngưng, Q2 phân cực thuận dẫn làm RL1 hút tiếp điểm cấp nguồn cho mạch sạt ngắt tiếp điểm cấp nguồn điều khiển Inverter đóng lại Nguyên lý hoạt động: dược cấp nguồn cho mạch PIC 12F857 dò áp Ắc - quy qua cầu phân áp gồm điện trở 47K 8K2, áp Ắc - quy 20V, PIC12F857 phát mức cao làm Q3 dẫn, lúc Relay đóng lại dẫn nuồn nạp từ Pin vào Ắc - quy Do điện áp từ pin NLMT khơng ổn định nên có điều khiển PID điều khiển cho dò áp MPP áp sau đóng relay điện áp chênh lệch nhỏ 1V relay ngắt, áp lệch lớn 1V IC giữ cố định relay để tận dụng dòng nạp tối đa Khi Ắc - quy đầy, IC dò áp dao động khoảng 21 V relay RL1 ngắt trình nạp Các đèn led D2,D3,D4 hiển thị trạng thái Ắc – quy, D1 sáng báo Ắc - quy cạn, D2 sáng báo Ắc - quy mức trung bình cho phép tải sử dụng nạp tiếp D3 sáng báo Ắc - quy đầy, ngưng nạp 74 Luan van Hình ảnh mơ mạch (hình 3D) Hình 5.5: Mạch sạc ắc-qui cảm biến ánh sáng 5.1.5 Tải đèn đường (tải AC) Nghiên cứu chọn đèn đường led để sử dụng hệ thống vì: - Đèn led đáp ứng nhanh, khơng có q trình độ - Tiết kiệm điện 70%-80% - Tuổi thọ cao đến 50,000h sử dụng (nếu chiếu sáng liên tục 8h/ngày, đèn dùng đến 17 năm…tùy điều kiện sử dụng cho hiệu khác nhau) - Có thể phát sáng điều kiện nhiệt độ lạnh - Chất lượng ánh sáng tốt, hiệu suất phát sáng cao - Mẫu mã đẹp, trang trọng - Bảo vệ môi trường 75 Luan van 5.1.6 Nguyên lý vận hành hệ thống Hệ thống chiếu sáng dùng lượng mặt trời sử dụng điều khiển tự động tay Khi ánh sáng vừa đủ để pin lượng tạo điện áp dòng điện phù hợp (lớn ngưỡng điều chỉnh mạch nạp) Mạch nạp tư động đóng rơle cấp điện áp từ pin xuống nạp đầy cho Ắc - quy, Ắc - quy đầy điện áp cao giá trị cài đặt IC mạch, mạch nạp điều khiển không cho nạp thêm tránh hư hỏng Ắc - quy Khi hết ánh sáng mặt trời (chiều, tối) cảm biến ánh sáng (CDS) nhận biết thơng báo lệnh kích hoạt cho mạch Inverter hoạt động lấy nguồn chiều từ Ắc - quy nghịch lưu để tạo áp xoay chiều 24V Dòng điện đưa vào máy biến áp với thứ cấp 220V cấp vào tải đèn đường Led 100W, mạch hoạt động ổn định đến trời sáng, trình nạp Ắc - quy tiếp tục Hệ thống dự phịng chế độ điều khiển tay (khơng tự động), người sử dụng bật - tắt mạch nạp Ắc - quy hay đèn (tải) công tắc thiết kế mạch Tuy nhiên, không nên lạm dụng chế độ ép Ắc - quy nạp q đầy làm cạn kiệt Ắc - quy đèn hoạt động lâu dẫn tới hư hỏng Ắc - quy hệ thống chế độ điều khiển tay sử dụng trường hơp cần ép buộc đèn sáng để tham quan, đo kiểm tra, học tập học sinh sinh viên Công tắc OFF Công tắc ON Hình 5.5: Các nút nhấn điều khiển tay mạch 76 Luan van 5.2 So sánh điện NLMT điện lưới Bảng 5.2: So sánh điện NLMT điện lưới STT Nội dung HT điện NLMT độc lập HT điện lưới Thành phần hệ Tấm pin NLMT- Bộ sạc; Nhà máy điện, lưới thống Ắc quy; Bộ nghịch lưu điện, trạm biến áp… Hiệu tiết Cao, khơng sử dụng nguồn kiệm lượng bên ngồi Chi phí cao Ắc Quy Giá thành đầu tư giới hạn tải tiêu thụ Phải cân điện sản xuất điện nưng tiêu thụ Chi phí thấp Không giới hạn tải tiêu thụ Thấp nguồn điện bị hạn chế công suất Ắc4 Hiệu kinh tế quy có giá thành cao ½ hệ Phải trả tiền điện thống phải thay hàng tháng sau năm, nhiên đầu tư lần Thời gian hồn vốn Dài – thấp Thích hợp cho nơi, Ứng dụng thuận tiện cho vùng chưa có điện lưới 10 Dự phịng cố điện Khơng lo cố điện Chi phí bảo trì- bảo Cao - Ắc quy mau hỏng dưỡng khơng nạp đầy Tính ổn định An tồn Khơng có Thích hợp cho thuận tiện vị trí địa lý Thấp Trung bình Bộ điều khiển PID Cao An tồn điện cao Có nhiều cố 77 Luan van 5.3 Tính chọn cơng suất mạch Inverter Ắc - quy phù hợp với tải Khi chọn chuyển điện Ắc - quy sử dụng cho hệ thống điện lượng mặt trời (hoặc hệ thống lưu điện dự phòng), bạn cần phải cân nhắc kỹ yếu tố sau đây: dung lượng Ắc - quy, thời gian cần sử dụng tổng công suất tồn tải Các bước cơng thức tính thường sử dụng để tính tốn sau: Bước 1: Tính tổng cơng suất sử dụng thực tế, bạn tham khảo bảng tham khảo cơng suất sơ thiết bị thơng dụng gia đình bảng Bước 2: Tính cơng suất chuyển điện, thiêt bị sử dụng gồm toàn thiêt bị điện tử có dịng khởi động nhỏ hình LCD, máy tính, TV, đèn, quạt cơng suất chuyển điện nên lớn 1,5 lần tổng cơng suất thực tế tính bước Nếu thiết bị có dịng khởi động lớn máy lạnh, tủ lạnh, máy in Laser, máy bơm cơng suất Inverter tối thiểu phải gấp lần tổng công suất, số lượng thiết bị loại nhiều cần gấp 2,5 lần tổng công suất Bước 3: Xác định thời gian sử dụng hệ thống, nên tính tốn thời gian sử dụng thật hợp lý chi phí đầu tư cho 1Kwh sử dụng điện ngày cho hệ thống điện lượng mặt trời khơng nhỏ Bước 4: Áp dụng cơng thức để tính tốn cơng thức sau: * Tổng Công suất tiêu thụ hệ thống (W) * Hiệu điện mạch nạp bình Ắc - quy (V) * Dung lượng bình Ắc - quy (AH) * Thời gian cần có điện hệ thống (T) * Hệ số suất kích điện (pf): thường 0,7 0,8 AH = (T * W)/(V * pf) Dùng cơng thức để tính tổng dung lượng Ắc - quy (AH) xác định trước thời gian sử dụng hệ thống T, tổng công suất Inverter W, điện nạp V, pf = 0.7 0.8 tuỳ vào loại Inverter T = (AH * V * pf)/W 78 Luan van Dùng công thức để tính thời gian hoạt động T hệ thống biết tổng dung lượng Ắc - quy AH, tổng công suất Inverter W, điện nạp V, pf = 0.7 0.8 tuỳ vào loại Inverter Những thông tin giúp bạn tham khảo Inverter hay Ắc quy phù hợp với hệ thống Trên thực tế, bạn đặt mua hệ thống điện mặt trời chọn loại phù hợp với công suất hệ thống Bảng 5.3: Tham khảo cơng suất số thiết bị thông dụng 79 Luan van CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận: - Luận văn thực sử dụng điều khiển PID điều khiển dị tìm giá trị cực đại Pin lượng mặt trời - Ứng dụng điều khiển PID tính chọn thiết kế mơ hình thực nghiệm hệ thống Pin mặt trời làm việc độc lập, kết mô với trợ giúp phần mềm Matlap cho thấy: trình thực điều khiển sử dụng giải thuật PID có tính ổn định hệ thống cao phù hợp để áp dụng việc tìm điểm MPP - Các kết qủa mơ kết qủa thực tế mơ hình hệ thống điều khiển cho thấy sử dụng PID điều khiển có tính ổn định cao, đáp ứng theo tốc độ độ vọt lố thấp, đảm bảo tính ổn định hệ thống tốt với điều kiện đầu vào biến thiên 6.2 Hướng phát triển đề tài Trên sở lý thuyết kiểm chứng sau ứng dụng luận văn đề nghị tiếp tục giải vấn đề sau: - Bộ điều khiển PID ln gặp khó khăn việc xác định tham số điều khiển Kp; Kd; Ki Vì ta cần phải xây dựng thêm điều khiển tự động xác định điều chỉnh tham số Kp; Kd; Ki cho phù hợp với loại điều kiện định - Bộ điều khiển PID điều khiển sử dụng phổ biến không phỉa điều khiển tốt cho đối tượng, sử dụng PID tùy thuộc vào đối tượng cụ thể, Hiện số lý thuyết điều khiển đại lý thuyết mờ mạng nơ rơn đời áp dụng tốtvà điều khiển PID cần phải kết hợp với phương pháp PID mờ, PID- nơ ron nhằm cải thiện ngày tốt trình điều khiển đối tượng 80 Luan van TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện tử cơng suất 1, Nhà xuất ĐHQG, 2002 Năng lượng mặt trời_ PGS.TS Nguyễn Bốn, TS Hoàng Dương Hùng Matlab Simulink -Thầy Nguyễn Phùng Quang Lê Chí Kiên, Trịnh Văn Phương, … “Khảo sát đặc tính làm việc Pin nhiên liệu”, luận văn tốt nghiệp thạc sỹ năm 2010 Lê Chí Kiên, Nguyễn Hoài Bảo, … “Nghiên cứu xây dựng nhà máy Pin lượng mặt trời tỉnh Ninh Thuận”, luận văn tốt nghiệp thạc sỹ năm 2013 Pin mặt trời ứng dụng – Nhà xuất khoa học kỹ thuật- PGS.TS Đặng Đình Thống Tạp chí Quốc tế Công nghệ Kỹ thuật nâng cao Website: www.ijetae.com (ISSN 2250-2459, ISO 9001: 2008 chứng nhận Journal, Tập 3, Số 9, tháng năm 2013) Tốn học Mơ hình hóa mơ kỹ thuật số PV Solar Panel sử dụng phần mềm MATLAB Hội nghị quốc tế ứng dụng Vật lý Kỹ thuật công nghiệp năm 2012 Nghiên cứu Matlab / Simulink-Dựa Maximum Power Point Tracking quang điện hệ 10 Hội nghị PV châu Á Thái Bình Dương 2012 nghiên cứu nhiệt độ phụ thuộc quang điện (PV) Hiệu hiệu ứng PV sản xuất giới TIẾNG NƯỚC NGOÀI 11 P, PD, PI, PID CONTROLLERS P, PD, PI, Sena TEMEL Semih YAĞLI Semih Goren Middle East Technical University 12 Al, D.S.e., Improved MPPT algorithms for rapidly changing eviromental conditions 2006 13 “http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_cell” 81 Luan van 14 Antje Wörner, “Fuel Cells and Hydrogen for Airborne Applications” NWV – 7th National Hydrogen & Fuel Cell Conference December 10, 2009 15 FuelCellToday, The leading authority on fuel cells, “The Industry Review 2011”; www.fuelcelltoday.com 16 Walker, Geoff R “Evaluating MPPT converter toP&Ologies using a MATLAB PV model” Australasian Universities P&Ower Engineering Conference, AUPEC “00, Brisbane, 2000 17 Energy Efficiency and Renewable Energy (EERE), “Comparison of Fuel Cell Technologies”, February 2011 18 Enslin, John H., Mario S.Wolf, Daniel B.Snyman, & Wernher Swiegers, Integrated Photovoltaic Maximum P&Ower P&Oint Tracking Converter, IEEE Transactions on Industrial Electronics, Vol.44, No6 December 1997 19 Hydrogenics, “Power Backup”; www.hydrogenics.com 20 Roger Taylor; “Renewable Hybrid System Applications around the World”, National Renewable Energy Laboratory, August 21-22, 2001 21 Martin Howley, Emer Dennehy, Mary Holland and Dr Brian Ĩ Gallachóir, Energy Policy Statistical Support Unit “2011 Report for Energy in Ireland 1990 – 2010”; Sustainable Energy Authority of Ireland, December 2011 22 Dr Robert J Remick, NREL Center Director Hydrogen Technologies and Systems Center “Many Pathways to Renewable Hydrogen”, National Renewable Energy Laboratory, USA, February 19-21, 2008 23 “http://thefutureofthings.com/news/6700/new-catalyst-makes-efficient-fuelcells-feasible.html” 24 A photovoltaic panel model n MATLAB/SIMULINK 82 Luan van S K L 0 Luan van ... ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ NGUYỄN THỊ HỒNG HÀ NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CỰC ĐẠI CỦA PIN NĂNG LƯỢNG BẰNG PID NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202... văn nghiên cứu việc tìm giải thuật Pin lượng phương pháp điều khiển PID Bộ dò điểm cực đại Pin lượng điều khiển giải thuật thông qua điều khiển PID nhằm tăng thời gian đáp ứng dò so với giải thuật. .. tiết thay đổi Nội dung luận văn trình bày vấn đề: - Nghiên cứu sở lý thuyết lượng mặt trời biến đổi lượng - Nghiên cứu giải thuật PID tìm điểm cực đại PID - Nghiên cứu mô - Thực nghiệm từ mơ hình