Luận án tiến sĩ kỹ thuật nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp dc dc trong hệ thống nguồn pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM VIỆC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC TRONG HỆ THỐNG NGUỒN PIN MẶT TRỜI Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9.52.02.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: PGS.TS ĐỖ NHƢ Ý PGS.TS TRỊNH TRỌNG CHƢỞNG HÀ NỘI - 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu độc lập Các số liệu, kết luận án trung thực chƣa đƣợc cơng bố cơng trình tác giả khác Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Đức Minh ii LỜI CẢM ƠN Luận án “Nghiên cứu nâng cao hiệu làm việc biến đổi tăng áp DC-DC hệ thống nguồn Pin Mặt trời” kết trình nghiên cứu, cố gắng không ngừng tác giả suốt thời gian làm nghiên cứu sinh với giúp đỡ tận tình thầy, giáo Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, nhà khoa học ngành Điện, ạn , đồng nghiệp ủng hộ từ gia đình Với tình cảm chân thành, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Điện, tập thể khoa học Bộ mơn Điện khí hóa quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ suốt trình học tập, cơng tác nghiên cứu NCS xin ày tỏ lịng kính trọng iết ơn sâu sắc tới tập thể hƣớng dẫn: PGS.TS Đỗ Nhƣ Ý, PGS.TS Trịnh Trọng Chƣởng, ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn khoa học dành thời gian, công sức để định hƣớng, giúp đỡ động viên tác giả suốt trình thực nghiên cứu hoàn thành luận án Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Đức Minh iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC HÌNH VẼ viii DANH MỤC BẢNG BIỂU xii MỞ ĐẦU CHƢƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .5 1.1 Khái quát chung nguồn Pin mặt trời 1.2 Đặc tính Pin mặt trời 1.3 Ảnh hƣởng điều kiện môi trƣờng đến đặc tính Pin mặt trời 1.4 Cấu trúc hệ thống Pin mặt trời 10 1.5 Tổng quan nghiên cứu nƣớc Pin mặt trời 11 1.5.1 Về toán thiết kế cấu trúc biến đổi DC-DC 11 1.5.2 Về toán lựa chọn cấu trúc ghép nối tăng áp DC-DC 15 1.5.3 Về ài tốn tìm điểm cơng suất cực đại 16 1.5.4 Hƣớng nghiên cứu thiết kế tăng áp DC-DC có tích hợp thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại MPPT 19 1.6 Cách tiếp cận 20 1.7 Đề xuất hƣớng giải 21 1.8 Kết luận chƣơng 22 CHƢƠNG ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI 23 2.1 Mơ hình hệ thống nguồn Pin mặt trời 23 2.1.1 Mơ hình Pin mặt trời 23 2.1.2 Mô hình tăng áp DC-DC .26 2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến biến đổi DC-DC 30 2.2.1 Ảnh hƣởng điều kiện môi trƣờng đến đặc tính PV Cell 30 iv 2.2.2 Ảnh hƣởng tƣợng bóng che phần .36 2.2.3 Ảnh hƣởng linh kiện điện tử công suất 40 2.2.4 Ảnh hƣởng tần số điều chế độ rộng xung đến hiệu suất biến đổi 42 2.2.5 Hiệu suất hệ PV với mạch boost truyền thống 46 2.2.6 Ảnh hƣởng tần số điều chế độ rộng xung tới hiệu suất mạch boost truyền thống 46 2.3 Kết luận chƣơng 49 CHƢƠNG XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI 50 3.1 Đặt vấn đề 50 3.2 Giá trị số phần tử mạch tăng áp DC-DC 50 3.3 Cấu trúc mạch Boost DC-DC 52 3.3.1 Đề xuất cấu trúc mạch DC-DC 52 3.3.2 Xác định tỷ số biến đổi điện áp tổn thất công suất mạch DC-DC 54 3.4 Mô đánh giá cấu trúc tăng áp DC-DC đề xuất 59 3.5 Mơ hình thực nghiệm cấu trúc mạch DC-DC đề xuất 67 3.5.1 Cấu trúc khối mơ hình thực nghiệm mạch tăng áp DC-DC .67 3.5.2 Giải thuật phần mềm 69 3.5.3 Kết mơ hình thực nghiệm 69 3.6 Kết luận chƣơng 76 CHƢƠNG XÂY DỰNG CẤU TRÚC LIÊN KẾT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI .77 4.1 Đặt vấn đề 77 4.2 Đặc tính Pin mặt trời làm việc điều kiện đồng 80 4.3 Đặc tính Pin mặt trời làm việc điều kiện không đồng 81 4.4 Cấu trúc liên kết đề xuất 83 4.5 Xây dựng giải thuật xác định điểm công suất cực đại 85 4.5.1 Phƣơng pháp tối ƣu ầy đàn PSO 85 4.5.2 Giải thuật đề xuất 89 v 4.6 Kết luận chƣơng 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 98 CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN 100 TÀI LIỆU THAM KHẢO .101 PHỤ LỤC 113 vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PV (Photovoltaic) Pin mặt trời MPP (Maximum Power Point) Điểm phát công suất cực đại GMPP (Global Maximum Power Point) Điểm phát cơng suất cực đại tồn cục GMPPT (Global Maximum Power Point Theo dõi điểm phát công suất cực đại Tracking) toàn cục LMPP (Local Maximum Power Point) Điểm phát công suất cực đại địa phƣơng PSC (Partial Shading Conditions) Bóng che phần MPPT (Maximum Power Point Tracking) Dị điểm cơng suất cực đại P&O (Perturb & Observe) Tạo nhiễu quan sát INC (Incremental Conductance) Điện dẫn gia tăng GA (genetic algorithm) Giải thuật di truyền PSO (particle swarm optimization) Tối ƣu ày đàn PWM (pulse width modulation) Điều chế độ rộng xung THD (total harmonic distortion) Độ méo hài toàn phần DSP (digital signal processor) Bộ xử lý tín hiệu số PLL (phase-locked loop) Vịng khóa pha SC (Serial Configuration) Cấu hình liên kết nối tiếp PC (Parallel Configuration) Cấu hình liên kết song song SPC (Serial-Parallel Configuration) Cấu hình liên kết nối tiếp – song song DC-DC Bộ biến đổi điện áp chiều DC-AC Bộ biến đổi điện áp xoay chiều NPC (Neutral Point Camped) Mạch nghịch lƣu kẹp trung điểm bán cầu DCM (Discontinuous conduction mode) Chế độ dẫn không liên tục CCM (Continuous conduction mode) Chế độ dẫn liên tục IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor có cực điều khiển cách ly GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Thyristor khóa cực điều khiển GTR (Giant Transistor) Transistor cỡ lớn vii MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field- Transistor hiệu ứng trƣờng Effect Transistor) PID (Proportional Integral Derivative) Cơ chế phản hồi vòng điều khiển (Tỉ lệ, tích phân đạo hàm) Boost Converter Bộ biến đổi tăng áp PSIM (Power Electronics Simulation) Phần mềm mô điện tử công suất truyền động điện viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo pin mặt trời Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động pin lƣợng mặt trời .5 Hình 1.3 Các đƣờng đặc tính ản module PV Hình 1.4 Đặc tính I-V theo xạ .7 Hình 1.5 Đặc tính P-V theo xạ Hình 1.6 Đặc tính I-V theo nhiệt độ Hình 1.7 Đặc tính P-V theo nhiệt độ .7 Hình 1.8 Minh họa tƣợng bóng che phần Hình 1.9 Vai trị diode bảo vệ dãy PV Hình 1.10 Đồ thị mối tƣơng quan P-V có tƣợng bóng che 10 Hình 1.11 Cấu trúc hệ Pin mặt trời nối lƣới 11 Hình 1.12 Mơ hình cấp chuyển đổi mơ hình hai cấp chuyển đổi 12 Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống 23 Hình 2.2 Mơ hình tốn tế quang điện 24 Hình 2.3 Mơ hình pin mặt trời lý tƣởng 25 Hình 2.4 Dịng điện modul pin 26 Hình 2.5 Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC truyền thống 27 Hình 2.6 Hệ thống PV định hƣớng theo vị trí mặt trời hệ thống PV cố định 31 Hình 2.7 (a) Sản xuất điện ( ) cải thiện lƣợng điện tăng điện vào ngày nắng 32 Hình 2.8 (a) Sản xuất điện (b) cải thiện lƣợng điện tăng điện vào ngày nhiều mây 32 Hình 2.9 (a) Sản xuất điện (b) cải thiện cải thiện lƣợng điện tăng điện vào ngày mƣa 33 Hình 2.10 So sánh tác động thời tiết tới hệ thống PV cố định có điều chỉnh theo hƣớng nắng .34 Hình 2.11 Đặc tính I-V với xạ khác 35 Hình 2.12 Đặc tính P-V với xạ khác 35 ix Hình 2.13 Đƣờng đặc tính I-V xạ1000W/m2 nhiệt độ pin thay đổi 35 Hình 2.14 Đƣờng đặc tính P-V xạ 1000W/m2 nhiệt độ pin thay đổi 36 Hình 2.15 Nguồn phát điện PV tƣợng bóng mờ phần 37 Hình 2.16 Đặc tính I-V P-V ba pin PV mơi trƣờng đồng 38 Hình 2.17 Đặc tính bóng che phần với xạ 1000W/m2, 700W/m2, 300W/m2 39 Hình 2.18 Đặc tính P-V I-V chuỗi PV điều kiện chiếu sáng không đồng nhất: a) mơ đun khơng ị bóng che b) mơ đun ị bóng che với 400W/m2 .39 Hình 2.19 Công suất đầu chuỗi PV với điện áp đầu mơ đun khơng ị bóng che điện áp đầu mơ đun ị bóng che 40 Hình 2.20 Đặc trƣng chuỗi PV điều kiện bị che phần a) Cấu hình chuỗi PV ) Đặc tính I-V P-V 40 Hình 2.21 Sơ đồ mô PV 44 Hình 2.22 Đặc tính I-V phụ thuộc nhiệt độ cƣờng độ sáng 1kW/m2 45 Hình 2.23 Đặc tính P-V phụ thuộc nhiệt độ cƣờng độ sáng 1kW/m2 45 Hình 2.24 Đặc tính I-V theo cƣờng độ ánh sáng nhiệt độ 250C 45 Hình 2.25 Đặc tính P-V phụ thuộc cƣờng độ sáng nhiệt độ 250C 45 Hình 2.26 Đáp ứng điện áp DC khâu 45 Hình 2.27 Đặc tính dòng điện vào/ra khâu DC-DC .45 Hình 2.28 Hiệu suất hệ thống 46 Hình 2.29 Hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào tần số độ rộng xung ăm áp .49 Hình 3.1 Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC đề xuất 52 Hình 3.2 Dịng lƣợng tầng dƣơng G1 dẫn 54 Hình 3.3 Dịng lƣợng mạch G1 mở 54 Hình 3.4 Thơng số kỹ thuật Pin mặt trời 60 Hình 3.5 Đặc tính I-V P-V Pin 60 Hình 3.6 Sơ đồ mơ Matlab 61 Hình 3.7 Đáp ứng điện áp đầu vào mạch (Vin = 74V) 62 Hình 3.8 Đáp ứng điện áp phía tải 62 Hình 3.9 Đáp ứng hiệu suất mạch .62 flag_boost=0; v_ref=50; i=0; /* USER CODE END */ /* Infinite loop */ /* USER CODE BEGIN WHILE */ while (1) { /* USER CODE END WHILE */ /* USER CODE BEGIN */ x1=ADC_value[0]; x2=ADC_value[1]; x3=ADC_value[2]; HAL_UART_Transmit(&huart3, Rx3Data, Rx3Length, 0x00fff); TIM1->RCR=1; //lua chon thoi diem cap nhat du lieu HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); // HAL_TIMEx_PWMN_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2); HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_3); /* if(x2>600) { flag_boost = 1; } if(x2CCR3 = u0; } else { TIM1->CCR3 = 0; }*/ HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_14); if(iSR & TIM_SR_UIF) // if UIF flag is set { TIM1->SR &= ~TIM_SR_UIF; // clear UIF flag if(angle < 121) { if(angleCCR2 = 0; TIM1->CCR1 = sinetable[angle]; } else { TIM1->CCR1 = 0; TIM1->CCR2 = sinetable[angle-60]; } angle=angle+1; } if(angle==121) { angle=0; } } HAL_TIM_IRQHandler(&htim1); } c) Điều khiển PID cho Boost void TIM2_IRQHandler(void) { /* USER CODE BEGIN TIM2_IRQn */ // HAL_GPIO_TogglePin(GPIOC,GPIO_PIN_14); /* USER CODE END TIM2_IRQn */ HAL_TIM_IRQHandler(&htim2); /* USER CODE BEGIN TIM2_IRQn */ /* USER CODE END TIM2_IRQn */ }