Điều khiển bám công suất cực đại cho hệ pin năng lượng mặt trời sử dụng hương pháp điều khiển cuốn chiều (backstepping)

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Nguồn lƣợng mặt trời 1.2 Pin mặt trời 1.2.1 1.3 Giới thiệu chung pin mặt trời Ứng dụng pin mặt trời đời sống, khoa học sản xuất 13 1.3.1 Tích hợp vào thiết bị 13 1.3.2 Nguồn điện di động 14 1.3.3 Nguồn điện cho tòa nhà 15 1.3.4 Nhà máy điện mặt trời 16 CHƢƠNG 2: MƠ HÌNH HĨA PIN MẶT TRỜI VÀ XÉT CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG LÊN CÔNG SUẤT CỦA PIN MẶT TRỜI, TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI 18 2.1 Mơ hình hóa đối tế bào pin mặt trời 18 2.2 Mô dàn pin 21 2.3 Xét ảnh hƣởng yếu tố nhiệt độ, cƣờng độ chiếu sáng 23 2.3.1 Ảnh hƣởng nhiệt độ lên dòng điện, điện áp công suất 23 2.3.2 Ảnh hƣởng cƣờng độ chiếu sáng lên dòng điện, điện áp, cơng suất 25 2.4.1 Các kỹ thuật tìm điều khiển bám công suất cực đại 27 2.4.2 Các phƣơng pháp xác định điểm có cơng suất cực đại 27 Chƣơng : Bộ Biến đổi DC-DC 32 3.1 Phƣơng pháp mơ hình hóa biến đổi kiểu DC/DC 32 3.1.1 Phƣơng pháp trung bình khơng gian trạng thái 32 3.1.2 Phƣơng pháp trung bình hóa mạch đóng cắt 35 3.1.3 Kết luận 36 3.2 Mơ hình tốn học biến đổi kiểu Boost 36 3.2.1 Xây dựng theo phƣơng pháp trung bình khơng gian trạng thái 36 3.2.2 Trung bình hóa mạng đóng cắt cho sơ đồ Boost converter 37 3.3 Bộ lƣu trữ lƣợng acquy 43 3.3.1 Tổng quan acquy 43 CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO PIN MẶT TRỜI 47 4.1 Điều khiển chiếu (backstepping) 47 4.1.1 Giới thiệu 47 4.1.2 Ví dụ phƣơng pháp điều khiển chiếu 47 4.1.3 Điều khiển chiếu cho hệ thống 49 CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 52 5.1 Tổng quan hệ thống pin 52 5.1.1 Khối pin mặt trời 53 5.1.2 Khối tìm điểm cực đại (MPPT) 54 5.1.3 Bộ điều khiển 54 5.1.4 Khối chuyển đổi acquy 55 5.2 Kết mô 56 5.2.1 Khi cƣờng độ chiếu sáng thay đổi 56 5.2.2 Xét hệ pin mặt trời nhiệt độ môi trƣờng thay đổi 58 5.3 Kết luận 60 KẾT LUẬN 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO 62 LỜI NÓI ĐẦU Hiện với phát triển khoa học cơng nghệ ngƣời tạo nhiều thành tựu có ứng dụng thiết thực cho sống Và lƣợng đề tài cho nghiên cứu phát triển Từ nhiều năm trƣớc quen với sử dụng nguồn lƣợng nhƣ than đá, dầu mỏ, thủy điện…để phục vụ cho sống, nhƣng nguồn lƣợng ngày cạn kiệt ảnh hƣởng lớn đến môi trƣờng ngƣời Vậy vấn đề cấp bách hàng đầu phải nghiên cứu phát triển nguồn lƣợng để hạn chế đƣợc nhƣợc điểm trên.Và lƣợng mặt trời hƣớng để giải đƣợc yêu cầu Năng lƣợng mặt trời loại lƣợng tái sinh có nhiều ƣu điểm nhƣ tác động đến mơi trƣờng, nguồn dự trữ vô hạn Tuy nhiên hạn chế giải pháp chi phí lắp đặt cịn cao, vấn đề đặt sử dụng tối đa hiệu hệ thống pin mặt trời Với tính ứng dụng cao giải pháp em đƣợc thầy Đỗ Trọng Hiếu giao cho đề tài “Điều khiển bám công suất cực đại cho hệ pin lƣợng mặt trời sử dụng phƣơng pháp điều khiển chiều (backstepping)” làm đề tài cho đồ án tốt nghiệp Nội dung đồ án gồm có phần sau: - Chƣơng 1: Tìm hiểu tổng quan pin mặt trời nguyên lý hoạt động dàn pin - Chƣơng 2: Mơ hình hóa dàn pin xét ảnh hƣởng yếu tố lên công suất pin, tìm điểm cơng suất cực đại -Chƣơng 3: Giới thiệu biến đổi DC-DC - Chƣơng 4: Thiết kế điều khiển bám công suất phƣơng pháp Backstepping - Chƣơng 5: Mô kiểm chứng matlab Sau làm xong đồ án em củng cố cho kiến thức đƣợc học nhƣ biến đổi DC-DC, mơ hình hóa đối tƣợng cịn biết thêm pin mặt trời Cùng với q trình mơ cho em thấy rõ đƣợc ảnh hƣởng điều kiện thực tế lên pin mặt trời Nhƣng kiến thức nhiều hạn chế nên q trình làm đồ án cịn nhiều sai sót, em mong đƣợc giúp đỡ thầy cô để đồ án em đƣợc hoàn thiện Qua em xin đƣợc cảm ơn thầy TS Đỗ Trong Hiếu, ngƣời giao trực tiếp hƣớng dẫn tận tình cho em suốt trình làm đồ án Và em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo môn Tự động hóa cơng nghiệp trƣờng Đại học Bách Khoa Hà Nội tạo điều kiện để em hồn thành đồ án tốt nghiệp CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 Nguồn lƣợng mặt trời Nguồn lƣợng mặt trời nguồn lƣợng phong phú, xanh, sạch, ảnh hƣởng tới mơi trƣờng Năng lƣợng mặt trời áp dụng nơi mà có ánh sáng mặt trời Tuy nhiên nguồn lƣợng cịn có hạn chế phụ thuộc vào yếu tố thời tiết nhƣ nhiệt độ, cƣờng độ xạ,công suất phát không ổn định Để tạo đƣợc nguồn điện lớn cần phải lắp đặt pin khu vực rộng lớn, có thời gian chiếu sáng dài ngày 1.2 Pin mặt trời 1.2.1 Giới thiệu chung pin mặt trời Hình 1: Pin mặt trời Cùng với yêu cầu phát triển bền vững nguồn lƣợng bị cạn kiệt dần Hằng năm, toàn giới tiêu thụ gần nhƣ 90% lƣợng hóa thạch (than đá, dầu mỏ khí tự nhiên) Trong đó, lại chất gây ô nhiễm môi trƣờng, ảnh hƣởng đến Trái đất.Thêm vào đó, lƣợng hạt nhân không sử dụng đƣợc nhiều phần bị cạn kiệt, mặt khác tính khơng an tồn sau xảy cố phóng xạ Nhật Bản hay Liên Xô Năng lƣợng thủy điện lên xuống thất thƣờng biến đổi khí hậu Chính vậy, khả cung cấp nƣớc cho cơng trình thủy điện hạn chế Điều gây nên nhiều bất lợi cho sống ngày Mục tiêu nhà khoa học hƣớng đến thời điểm tƣơng lai nguồn lƣợng tự nhiên nhƣ: gió, mặt trời,…Năng lƣợng mặt trời nguồn lƣợng tái tạo đƣợc lựa chọn Cứ 40 phút trôi qua, mặt trời cung cấp cho trái đất nguồn lƣợng nhiều sử dụng trong năm Trong 40 phút ỏi, bạn ngồi tán gẫu với bạn bè hay xem phim mặt trời cung cấp đủ lƣợng nhiệt đủ để sử dụng 365 ngày Đây số đáng bất ngờ Hơn nữa, mét vuông bề mặt Trái đất đƣợc ánh nắng Mặt trời chiếu thẳng vào lúc quang mây cung cấp kW công suất ánh sáng, tức xấp xỉ 4.000 kWh năm Hiệu suất pin Mặt trời phổ biến mức 25%, nên cần phải có 4m2 diện tích để thu đƣợc cơng suất kW Vì vậy, để cung cấp lƣợng cho giới năm, cần diện tích khoảng 100 triệu km2, tƣơng đƣơng với tổng diện tích đại lục Á – Âu châu Mỹ, hay 2/3 tổng diện tích châu lục – điều khơng tƣởng! Chính vậy, theo bảng cân đối lƣợng toàn cầu tƣơng lai, lƣợng tái tạo bao gồm lƣợng Mặt trời chiếm tỷ trọng khiêm tốn 10%.Trong đó, nguồn lƣợng mặt trời khơng cịn thể chiếu sáng bên ngồi mà nội bên tia sáng Nhiều nhà khoa học nghiên cứu chứng minh rằng: đằng sau nguồn lƣợng đƣợc chiếu sáng bên ngồi giới lƣợng ẩn dấu bên Khi sử dụng, trái đất dùng phần tồn hệ thống lƣợng đó.Chính vậy, sau hiểu đƣợc nguyên lý hoạt động nguồn lƣợng mặt trời, bạn sử dụng cách hiệu để không khai thác lƣợng lƣợng mà mặt trời cung cấp hàng ngày mà cịn nội nữa.Theo ƣớc tính, 1m2 bề mặt trái đất hút 0,25 kW cơng suất từ lƣợng mặt trời Vì vậy, tận dụng đƣợc hết công suất nhƣ biết cách sử dụng khả cung cấp lƣợng mặt trời phải lên đến 1triệu lần nhƣ Đồng thời, khả chiếu sáng nguồn lƣợng không hạn chế không gian địa lý nhƣ thời gian.Và quan trọng mặt trời cung cấp nguồn lƣợng dồi không cạn kiệt khơng sản sinh khí thải carbon dioxide Do đó, việc phát triển ngành công nghệ lƣợng mặt trời đƣợc nhiều nhà khoa học quan tâm để nghiên cứu phát triển a) Lịch sử pin mặt trời Mọi chuyện bắt đầu với Willoughby Smith (1828-1891), kỹ sƣ điện ngƣời Anh Năm 1848, Smith bắt đầu làm việc cho công ty điện Gutta Percha với cơng việc phát triển dây điện tín sắt đồng Năm 1849, ông tham gia quản lý án dây điện tín lắp đặt ngầm ông việc ông tiếp tục nhƣ suốt vài thập kỷ sau Mãi năm 1873, Smith phát triển phƣơng pháp kiểm tra tính liên tục dây dẫn đƣợc lắp đặt ngầm dƣới lòng đất Để chế tạo mạch điện kiểm tra, ông cần loại bán vật liệu có điện trở cao cuối cùng, ông chọn selen Trên lý thuyết Smith, selen hồn tồn thích hợp với u cầu ông đặt Tuy nhiên, Smith phát vấn đề nảy sinh là: vào ban đêm, selen hoạt động với yêu cầu Smith Độ dẫn điện selen tăng lên đáng kể tiếp xúc với ánh sáng mạnh Để kiểm chứng lại nguyên nhân, Smith đặt selen vào bên hộp có nắp trƣợt Khi nắp đƣợc đóng kín khơng có ánh sáng lọt vào, selen có điện trở cao thực nhiệm vụ ngăn cản dòng điện Nhƣng nắp đƣợc trƣợt để ánh sáng tràn vào, dòng điện chạy qua ngày đƣợc tăng cƣờng tăng theo cƣờng độ ánh sáng chiếu vào Khi đó, Smith đăng tải phát tạp chí Nature với nội dung "Tác động ánh sáng lên selen thơng qua q trình truyền tải dịng điện" Bài báo cáo gây nên ý nhiều nhà khoa học khắp Châu Âu thời Với nghiên cứu mình, Smith đƣợc cơng nhận ngƣời khám phá chất quang điện nguyên tố selen Khám phá tạo tiền đề cho việc chế tạo pin Tiếp đó, Smith thực hàng lọat thí nghiệm để xác định xem chất ánh sáng mặt trời tác dụng nhƣ lên selen? Tác dụng nhiệt hay tác dụng quang Trong thí nghiệm, ơng đặt selen vào máng cạn chứa nƣớc Nƣớc máng có tác dụng ngăn chặn nhiệt độ từ mặt trời nhƣng giữ lại tác dụng ánh sáng lên selen Kết thí nghiệm nói cho thấy, loại vấn đề nhiệt giữ lại ánh sáng từ mặt trời, phản ứng selen giống nhƣ lần đầu Smith phát Và cuối cùng, ông đến kết luận điện trở selen thay đổi theo cƣờng độ ánh sáng.Sau Smith, số nhiều nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu tác dụng ánh sáng lên selen có nhà khoa học Anh: giáo sƣ William Grylls Adams học trị ơng Richard Evans Day Trong suốt cuối năm 1870, hai ngƣời thực nhiều thí nghiệm với selen Một số thí nghiệm thắp nến đặt cách selen qua sử dụng inch Khi nến vừa đƣợc thắp lên, kim thiết bị đo điện có phản ứng Khi ánh sáng từ nến bị che lại, kim thiết bị đo điện trở vị trí số Phản ứng nhanh chóng lần củng cố kết luận Smith ánh sáng tác nhân ảnh hƣởng đến tính dẫn điện selen Vì có ảnh hƣởng tác dụng nhiệt kim thiết bị đo điện dịch chuyển từ từ mà không tăng giảm đột ngột Nhóm hai nhà nghiên cứu cảm thấy khám phá vấn đề hồn tồn chƣa có trƣớc ánh sáng có khả gây "một dịng điện" loại chất rắn Adams Day gọi tên dòng điện sản sinh nhờ ánh sáng "quang điện" Vài năm sau đó, nhà phát minh ngƣời Mỹ Charles Fritts tạo nên bƣớc tiến lớn công nghệ chế tạo thành công mô đun quang điện giới Với mô đun đầu tiên, Fritts phủ lớp mỏng rộng lên dĩa kim loại Sau đó, ơng dùng vàng cực mỏng bán suốt để bao phủ lên dĩa Theo báo cáo Fritts, mô đun selen ơng chế tạo tạo dịng điện liên tục, ổn định có cƣờng độ đáng kể không với ánh sáng ban ngày, ánh sáng yếu mà hoạt động với ánh sáng bóng đèn Hình : Nhà phát minh ngƣời Mỹ Charles Fritts mô đun quang điện Với thành cơng mình, Frotts lạc quan dự đốn mơ hình quang điện ơng thay đƣợc phƣơng pháp tạo điện cách đốt than vốn đƣợc sử dụng phổ biến Tuyên bố ông đời năm sau Thomas Edison chế tạo phƣơng pháp sản xuất điện nhiệt lƣợng từ đốt nhiên liệu hóa thạch nhƣ than, dầu Tiếp theo, Fritts gửi quang điện cho Werner von Siemens, nhà phát minh với danh tiếng sánh ngang với Edison vào thời Trƣớc dịng điện mà quang điện Fritts tạo đƣợc, Siemens nhà khoa học Đức ấn tƣợng Họ đồng loạt trình bày quang điện cho viện hàn lâm khoa học hoàng gia Phổ Siemens báo cáo với giới khoa học giới rằng: "Mô đun ngƣời Mỹ trình bày với chúng tơi, lần chuyển đổi trực tiếp lƣợng ánh sáng mặt trời thành lƣợng điện" Siemens nhận định quang điện khám phá khoa học quan trọng sâu rộng James Clerk Maxwell (1831-1879), nhà vật lý ngƣời Scotland tiếng với định luật điện trƣờng, đồng tình với nhận định Siemens Maxwell ca ngợi cơng trình nghiên cứu quang điện nhƣ "một đóng góp vơ giá khoa học" Cùng quan điểm với Minchin, Albert Einstein cho khoa học đƣơng thời chƣa phát đo lƣờng tất dạng lƣợng truyền từ Mặt Trời đến Trái Đất Trong nghiên cứu táo bạo đƣợc xuất vào năm 1905, Einstein nêu thuộc tính ánh sáng mà nhà khoa học trƣớc khơng cơng nhận Ông phát ánh sáng bao gồm "gói" lƣợng ơng gọi quanta (hiện photon) Đúng với Minchin dự đoán, Einstein lập luận lƣợng lƣợng mà quanta ánh sáng đƣợc biểu dƣới hình thức khác phụ thuộc vào bƣớc sóng ánh sáng Một cách cụ thể hơn, bƣớc sóng ngắn, lƣợng lớn Bƣớc sóng ngắn mang lƣợng nhiều gấp lần so với bƣớc sóng dài Mơ tả táo bạo Einstein chất ánh sáng, kết hợp với việc phát electron làm cho hàng loạt nhà khoa học bắt đầu nghiên cứu kỹ tác động ánh sáng Tất điều bƣớc ngoặc cho phát triển quang điện kỷ 19 Tất bí ẩn trƣớc xoay quanh ánh sáng mặt trời quang điện đƣợc lý giải khn khổ khoa học Trong loại vật liệu nhƣ selen, photon mang đủ lƣợng cần thiết có khả tác động vào electron liên kết yếu khiển di chuyển khác với quỹ đạo ban đầu Khi dây dẫn điện đƣợc gắn với selen, electron đƣợc giải phóng lƣợng photon di chuyển dây dẫn tạo thành dịng điện Các thí nghiệm kỷ 19 bắt đầu gọi tƣợng quang điện Việc lý giải cách rõ ràng tƣợng quang điện kích thích nhà khoa học nghiên cứu sâu nhằm tìm phƣơng pháp tạo quang điện dƣới quy mô công nghiệp Từ thực ƣớc mơ khai thác nguồn lƣợng vô tận từ mặt trời Mọi chuyện xoay quanh việc khai thác quang điện tƣởng chừng nhƣ chấm dứt nhà nghiên cứu phát khả Silic Đây bƣớc ngoặc lớn phát triển pin mặt trời Các nhà nghiên cứu vơ tình phát khả trình chế tạo bóng bán dẫn silic - thành phần thiết bị điện tử ngày Hai nhà khoa học Calvin Fuller Gerald Pearson thuộc phịng thí nghiệm tiếng Bell Laboratories (hiện phịng thí nghiệm AT&T), nhà tiên phong việc chế tạo điốt bán dẫn silic từ hình thành lý thuyết ban đầu đến thực tiễn chế tạo Pearson đƣợc đồng nghiệp mô tả ngƣời "thực nghiệm thực nghiệm" Cịn Fuller, nhà hóa học đóng góp phần khơng nhỏ với việc phát chất bổ sung thêm vào silic làm cho từ chất dẫn điện trở thành chất dẫn điện ƣu việt Trong nghiên cứu, Fuller cung cấp cho Pearson mẩu silic có chứa lƣợng nhỏ gali Sự có mặt gali làm cho silic tích sẵn tích điện dƣơng Theo cơng thức Fuller, Pearson nhúng mẫu silic chứa gali vào bể chứa liti nóng, phần silic ngập dung dịch tích điện âm Tại vị trí tiếp giáp phần tích điện âm phần tích điện dƣơng, điện trƣờng bền đƣợc tạo thành Đây cấu trúc p-n nơi tất hoạt động điện diễn Cấu trúc chuyển tiếp p-n thành phần trung tâm điốt bán dẫn pin lƣợng mặt trời Hình 3: Cấu trúc chuyển tiếp p-n, thành phần quan trọng điốt bán dẫn Trong Fuller Pearson nghiên cứu cải tiến điốt bán dẫn, nhà khoa học khác thuộc phịng thí nghiệm Bell, Daryl Chapin bắt đầu nghiên cứu việc lƣợng pin bị suy giảm sử dụng khu vực có độ ẩm cao Trong khí hậu khác, loại pin khô truyền thống thực tốt chức Duy vùng khí hậu nhiệt đới nóng ẩm, vịng đời pin trở nên ngắn so với sử dụng vùng khí hậu khác Phịng thí nghiệm giao nhiệm vụ cho Chapin tìm loại pin lƣợng khác khả thi nhƣ lƣợng gió, máy phát điện nhiệt, nƣớc Chapin đề xuất phát triển pin lƣợng mặt trời đề xuất đƣợc phòng thí nghiệm chấp thuận Vào cuối tháng năm 1953, Chapin bắt đầu thực nghiên cứu quang điện Để đƣa pin mặt trời vào khai thác thƣơng mại, Chapin đặt mục tiêu phải tạo đƣợc pin tạo đƣợc dịng điện cơng suất 4,9W mét vng hiệu suất chuyển đổi từ quang sang điện cao Việc nghiên cứu Chapin lan tới tai Pearson Ơng nói với Chapin phát tình cờ đƣa cho Chaplin mẫu silic pha gali Ngay lập tức, Chapin tiến hành thử nghiệm dƣới ánh sáng mặt trời nhận thấy phát Pearson hồn tồn xác Theo đo lƣờng Chapin, pin mặt trời mẫu Silic Pearson cung cấp có hiệu suất chuyển đổi từ quang sang điện 2,3%, lớn gấp lần so với pin Selen Kể từ lúc đó, Chapin chuyển sang tập trung nghiên cứu phát triển pin mặt trời silic Dựa tính tốn giả thuyết mình, Chapin dự đốn pin mặt trời silic khai thác lƣợng mặt trời với hiệu suất lên tới 23% đạt điều kiện lý tƣởng Tuy nhiên, mục tiêu ban đầu ông đặt hiệu suất chuyển đổi vào khoảng 6% Đây ngƣỡng mà kỹ sƣ thời đặt muốn tạo thành loại pin quang điện coi nguồn lƣợng điện thực Tuy nhiên, dù thực nhiều thử nghiệm với phƣơng pháp khác nhau, Chapin chƣa có tiến triển so với ban đầu Có trở ngại xuất dƣờng nhƣ vƣợt qua Và Chapin tìm lại lý thuyết lƣợng tử ánh sáng Enstein nhƣ nghiên cứu bán dẫn trƣớc Pearson Fuller Cuối cùng, ông nhận điều cần phải nhờ đến giúp đỡ Fuller nhằm đƣa cấu trúc chuyển tiếp p-n gần với bề mặt pin tốt Bên cạnh đó, Chapin nhận thấy bề mặt silic sáng bóng nên phản xạ lại lƣợng ánh sáng đáng kể Do đó, ơng chọn cách phủ plastic mờ Tiếp theo, ông phủ lớp Bo lên bề mặt pin quang điện để thu đƣợc nhiều photon hơn.Và kết cuối pin mặt trời nhƣ mục tiêu Chapin đặt - có hiệu suất chuyển đổi 6% Nhóm nhà khoa học báo cáo cơng trình nghiên cứu với viện hàn lâm khoa học quốc gia thành công đạt đƣợc Ngày 25/4/1954, giám đốc phịng thí nghiệm Bell thức giới thiệu pin mặt trời cho giới báo chí Đó bảng chứa tế bào quang điện tạo lƣợng điện để quay đu quay Ferris đƣờng kính 21 inch Ngày hôm sau Washington, nhà khoa học Bell dùng nguồn quang điện thu đƣợc để chạy máy thu thanh, phát giọng nói hát trƣớc chứng kiến nhà khoa học hàng đầu từ khắp nƣớc Mỹ Các tờ báo Mỹ gọi nhiên liệu vơ tận thay cho than đá, dầu sánh ngang với uranium b) Cấu tạo phân loại pin Pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện (Solar ceel) phần tử bán dẫn có chứa bề mặt số lƣợng lớn cảm biến ánh sáng diot quang thực biển đổi lƣợng ánh sáng thành lƣợng điện.Các loại pin thong dụng chủ yếu đƣợc làm từ tinh thể silic Silic thuộc nhóm IV, tức có electron lớp ngồi Silic kết hợp với silicon khác để tạo nên chất rắn Cơ có loại chất rắn silicon, đa thù hình (khơng có trật tự xếp) tinh thể (các nguyên tử xếp theo thứ tự dãy không gian chiều) Pin lƣợng mặt trời phổ biến dùng đa tinh thể silicon Silicon đƣợc biết đến chất bán dẫn "Chất bán dẫn vật liệu trung gian chất dẫn điện chất cách điện Chất bán dẫn hoạt động nhƣ chất cách điện nhiệt độ thấp có tính dẫn điện nhiệt độ phịng" Với tính chất nhƣ vậy, silicon thành phần quan trọng cấu tạo pin lƣợng mặt trời.Silicon có mức dẫn điện hạn chế nhƣng có cấu trúc tinh thể phù hợp cho việc tạo chất bán dẫn Nguyên tử silicon cần electron để trung hòa điện tích nhƣng lớp vỏ bên ngồi ngun tử silicon có nửa số electron cần thiết nên bám chặt với nguyên tử khác để tìm cách trung hịa điện tích 10 Tiếp đến ta định nghĩa địa lƣợng sai số z hiệu số đại lƣợng thực tế đại lƣợng mong muốn biến điều khiển ảo: ed  c1 x  s inx z  e  ed x  c1 x  z z  e  ed  u   c1  cosx  s inx  e  Tiếp tục chọn ứng viên cho hàm Lyapunov: V1 ( x, z )  2 x  z 2 Tính đạo hàm V1 ta có: V1 ( x, z )  c1 x  z.u   c1  cosx  sinx  e   x Từ ta chọn luật điều khiển cho tín hiệu đầu vào u nhƣ sau: u  c2 z   c1  cosx  sinx  e   x Trong c2 số dƣơng Khi kết đạo hàm V1 ( x, z ) trở thành V1  c1x2  c2 z  đảm bảo cho hệ ổn định x=0 Kết luận: Luật điều khiển đƣợc xây dựng sau hai bƣớc đƣợc biểu diễn công thức tƣờng minh Số bƣớc lặp tổng hợp điều khiển số bậc hệ Phƣơng pháp điều khiển chiếu tỏ hữu ích với ứng dụng mơ hình có thành phần phi tuyến không xác định hay tham số mơ hình khơng rõ 48 4.1.3 Điều khiển chiếu cho hệ thống Hình 27: Mơ hình hệ thống pin điều khiển Hệ thống pin mặt trời đƣợc mơ tả dƣới dạng phƣơng trình nhƣ sau: C1U pv  I pv  I L LI L  U pv  (1  D)Vb (4.4) Trong D tham số điều chỉnh, C1 , C2 , L lần lƣợt giá trị tụ điện cuộn cảm hình 20, I pv , U pv dòng điện điện áp đầu khối pin mặt trời, I L ,Vb lần lƣợt dòng điện chạy qua cuộn cảm điện áp tải Đặt d=1-D lúc (4.4) trở thành phƣơng trình sau: C1U pv  I pv  I L   LI L  U pv  dVb (4.5) Xét sai lệch điện áp đầu pin mặt trời điện áp đặt : e  Vd  U pv (4.6) e  Vd  U pv (4.7) Đạo hàm vế ta đƣợc : Nhân vế (4.7) ta đƣợc phƣơng trình sau: C1e  C1Vd  C1U pv 49 (4.8) Thay (4.5) vào (4.8) ta đƣợc : C1e  C1Vd  I pv  I L Xét ứng viên hàm Lyapunov V1  (4.9) C1 e xác định dƣơng Đạo hàm V1 ta đƣợc : V1  C1ee (4.10) Thay (4.7) vào (4.10) ta đƣợc : V1  e(C1Vd  I pv  I L ) (4.11) Xác định đƣợc biến điều khiển ảo I L nhƣ sau: I L  k1Ce  CVd  I pv (4.12) Khi V1   k1e  ổn định Nhƣng I L khơng phải tín hiệu điều khiển hệ thông Ta đặt : I d  k1Ce  CVd  I pv (4.13) Và điều khiển cho I L ổn định I d sai lệch e ổn định lúc hệ thống ổn định Ta xét sai lệch z  I d  I L có đạo hàm : z  Id  IL (4.14) Nhân vế với L ta đƣợc phƣơng trình tƣơng đƣơng sau : Lz  LI d  LI L (4.15) Thay (4.5) vào (4.15) ta đƣợc phƣơng trình sau : Lz  LI d  U pv  dVb (4.16) Để z ổn định ta xét ứng viên hàm Lyapunov V2  L z xác định dƣơng Đạo hàm V2 xác định theo : V2  Lzz (4.17) Thay (4.16) vào (4.17) ta đƣợc phƣơng trình sau: V2  z ( LI d  U pv  dVb ) 50 (4.18) Ta xác định tín hiệu điều khiển d nhƣ sau : d   LI d  U pv  Lk2 z  (4.19) Vb Khi V2  k2 z  z ổn định từ có đƣợc e ổn định hệ thống ổn định theo chuẩn Lyapunov Vậy tín hiệu điều khiển hệ thống : D  1 d  1   LI d  U pv  Lk2 z  Vb 51 CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 5.1 Tổng quan hệ thống pin Hệ thống pin mặt trời gồm có bốn khối đƣợc kết nối với Các khối là: - Khối pin mặt trời - Khối xác địn điểm cực đại (MPPT) - Khối điều khiển - Khối chuyển đổi acquy Khối pin mặt trời Khối tìm điểm cực đại Khối điều khiển Khối chuyển đổi acquy Hình 28: Sơ đồ khối hệ thống pin mặt trời Dùng phần mềm matlap để mô hệ thống pin mặt trời Sau xây dựng ta mơ hệ thống pin mặt trời Simulink nhƣ sau: Hình 29: Sơ đồ mô pin Simulink 52 5.1.1 Khối pin mặt trời Ở đồ án em lựa chọn khối pin mặt trời MSX-60 có cơng suất cực mô Pin mặt trời nguồn dịng nên ta lấy đầu mơ dịng điện Giá trị dịng điện đƣợc tính tốn phụ thuộc vào thông số đầu vào nhƣ điện áp, nhiệt độ, cƣờng độ ánh sáng mặt trời Pin đƣợc mơ nhƣ sau: Hình 30: Mơ pin Đầu vào pin gồm có: - Nhiệt độ Điện áp pin số lý tƣởng diot Cƣờng độ ánh sáng Điện trở nối tiếp điện trở song song 53 5.1.2 Khối tìm điểm cực đại (MPPT) Khối tìm điểm cực đại (MPPT) đƣợc mơ Simulink nhƣ sau: Hình 31: Khối tìm điểm cực đại Từ đầu khối pin mặt trời dựa vào thuật tốn điện dẫn gia tăng ta tìm đƣợc điện áp thời điểm công suất đạt giá trị cực đại Từ tính đƣợc đạo hàm bậc bậc hai điện áp theo thời gian 5.1.3 Bộ điều khiển Từ đầu khối pin mặt trời khối tìm điểm cực đại đƣợc đƣa vào điều khiển để tính tốn cho hệ số điều chế D cho mạch Boost Converter Trong điều khiển ta lấy tham số sau để mô phỏng: - Giá trị k1,k2 đƣợc chọn lần lƣợt k1=0.25;k2=1.5 Các giá trị L=0.004H; C  220*106 54 Bộ điều khiển đƣợc mô Simulink nhƣ sau: Hình 32: Bộ điều khiển 5.1.4 Khối chuyển đổi acquy Các linh kiện biến đổi Boost Converter đƣợc chọn nhƣ phần điều khiển Sau lâý đƣợc hệ số điều chế đầu điều khiển cho vào điều khiển Hệ số điều chế thông qua khâu tạo xung để điều khiển đóng cắt mosfet chuyển đổi Chọn tần số khối tạo xung PWM 50000Hz Khối chuyển đổi DCDC acquy đƣợc mô Simulink nhƣ sau: 55 Hình 33: Bộ biến đổi acquy 5.2 Kết mô 5.2.1 Khi cƣờng độ chiếu sáng thay đổi Đồ thị cƣờng độ chiếu sáng thay đổi nhƣ sau: Hình 34: Đồ thị cƣờng độ chiếu sáng thay đổi 56 Đồ thị điện áp đầu tìm điểm cực đại (MPPT) nhƣ sau: Hình 35: Đồ thị điện áp đầu MPPT Đồ thị điện áp đầu pin mặt trời nhƣ sau: Hình 36: Đồ thị điện áp đầu pin mặt trời 57 Đồ thị công suất pin mặt trời nhiệt độ thay đổi là: Hình 37: Đồ thị cơng suất pin mặt trời 5.2.2 Xét hệ pin mặt trời nhiệt độ môi trƣờng thay đổi Đồ thị thay đổi nhiệt độ mơi trƣờng là: 58 Hình 38: Đồ thị thay đổi nhiệt độ Đồ thị điện áp MPPT thay đổi nhiệt độ: Hình 39: Điện áp MPPT thay đổi nhiệt độ Điện áp đầu pin mặt trời thay đổi nhiệt độ: 59 Hình 40: Điện áp pin thay đổi nhiệt độ Công suất pin mặt trời nhiệt độ thay đổi: Hình 41: Công suất pin mặt trời nhiệt độ thay đổi 5.3 Kết luận Từ đồ thị điện áp đầu MPPT, điện áp đầu pin công suất pin mặt trời ta nhận thấy điều khiển đáp ứng đƣợc yêu cầu thiết kế ban đầu Nó thỏa mãn đƣợc yêu cầu thiết kế : - Điện áp đầu pin mặt trời bám sát có tốc độ đáp ứng nhanh đến điện áp đầu MPPT Công suất pin mặt trời đáp ứng nhanh tới giá trị định mức điều kiện thay đổi nhiệt độ, cƣờng độ chiếu sáng liên tục Kết luận: Bộ điều khiển chiếu Backstepping đƣợc thiết kế đáp ứng đƣợc vấn đề hạn chế nêu từ đầu đề tài Nó đƣa điện áp cơng suất pin đáp ứng nhanh giá trị yêu cầu pin Đây điều khiển thích hợp ứng dụng cho hệ thống pin mặt trời thực tế 60 KẾT LUẬN Sau thời gian học tập nghiên cứu cách nghiêm túc, em hồn thành đƣợc u cầu nêu đầu đề tài Đồ án đƣợc đƣờng đặc tính cƣờng độ dịng điện với điện áp, công suất với điện áp cho thấy rõ nét ảnh hƣởng nhiệt độ cƣờng độ chiếu sáng lên cƣờng độ dòng điện, điện áp công suất pin mặt trời Ngồi đồ án cịn tìm đƣợc điểm làm việc cực đại nhờ thiết kế đƣợc điều khiển chiếu Backstepping cho hệ thống pin làm việc điểm cực đại tìm đƣợc Chúng ta kiểm chứng tính hiệu điều khiển nhờ mô matlap Qua em xin chân thành cảm ơn thầy Đỗ Trọng Hiếu thầy cô mơn tự động hóa tạo điều kiện giúp đỡ em hồn thành đồ án Do thời gian có hạn hiểu biết thân hạn hẹp nên khơng tránh khỏi sai sót, nên mong q thầy góp ý sửa chữa để em có đƣợc đồ án hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn 61 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Trọng Minh, Vũ Hoàng Phƣơng, “ Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”,2014 [2]Trần Trọng Minh, “ Giáo trình điện tử cơng suất”, Nhà xuất giáo dục [3] Gradella Marcelo Villalva, Jonas Gazoli Rafael, and Ernesto Ruppert Filho,” Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL 24, NO 5, MAY 2009 [4] Trishan Esram, Student Member, IEEE, and Patrick L Chapman, Senior Member, IEEE,” Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques”, IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL 22, NO 2, JUNE 2007 [5] Saleh Elkelani Babaa, Matthew Armstrong, Volker Pickert,” Overview of Maximum Power Point Tracking Control Methods for PV Systems”, Power and Energy Journal of Engineering, 2014, 2, 59-72, Published Online August 2014 in SciRes [6] Abouobaida Hassan, Mohamed Cherkaoui and Moliaiiied Ouassaid,” Robust maximum power point tracking for photovoltaic cells: A mode control backstepping approach”,2010 62