Nghiên ứu, thiết kế bộ điều khiển thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng năng lượng mặt trời 2kw

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI - LUẬN VĂN THẠC SĨ KĨ THUẬT NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGUỒN ĐIỆN DỰ PHÒNG SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2KW NGÀNH: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA BÙI HỒNG GIANG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS LƯU HỒNG VIỆT Hà Nội – 2011 Tai ngay!!! Ban co the xoa dong chu nay!!! 17057205300451000000 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận án thạc sĩ với đề tài: “Nghiên cứu, thiết kế điều khiển thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng lượng mặt trời 2kW ” tự thực hướng d ẫn thầy giáo TS Lưu Hồng Việt Các số liệu kết hoàn toàn trung thực Ngoài tài liệu tham khảo dẫn cuối luận án, đảm bảo khơng chép cơng trình kết người khác Nếu phát có sai phạm với điều cam đoan trên, tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm Học viên Bùi Hoàng Giang i MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC ii DANH MỤC HÌNH VẼ iv LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG 1.1 Tổng quan thiết bị d ự phòng 1.2 Bộ biến đổi DC - DC 1.2.1 Bộ biến đổi DC-DC có cách ly 1.2.2 Nguyên lý hoạt động biến đổi Full-bridge 1.2.3 Phương pháp điều xung 1.3 Bộ biến đổi DC – AC 1.3.1 Nguyên lý hoạt động 1.3.2 Phương pháp điều xung 10 CHƯƠNG II:THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG.13 2.1 Xây dựng mơ hình biến đổi DC-DC 13 2.1.1 Xây dựng mô hình tốn học biến đổi DC-DC .13 2.1.2 Xây dựng mơ hình mơ biến đổi DC – DC 18 2.2 Xây dựng điều khiển cho biến đổi DC-DC 20 2.2.1 Bộ điều khiển PID 20 2.2.2 Nâng cao chất lượng hệ thống cách sử dụng điều khiển mờ 22 2.2.3 Kiểm chứng kết mô Matlab & Simulink .26 2.3 Xây dựng mơ hình biến đổi DC-AC 36 2.4 Xây dựng điều khiển cho biến đổi DC-AC 38 2.4.1 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 38 2.4.2 Lựa chọn tham số điều khiển theo phương pháp gán điểm cực .41 2.4.3 Kiểm chứng kết mô Matlab & Simulink .44 2.5 Kết luận 46 ii CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG THỰC TẾ 47 3.1 Bộ biến đổi DC - DC 47 3.1.1 Giải pháp phần cứng 48 3.1.2 Giải pháp phần mềm .58 3.1.3 Hình ảnh thực tế 62 3.2 Bộ biến đổi DC – AC .66 3.2.1 Giải pháp phần cứng 66 3.2.2 Giải pháp phần mềm .78 3.2.3 Hình ảnh thực tế 86 Nhận xét đánh giá kết quả: .88 CHƯƠNG IV: KẾT LUẬN 89 4.1 Những kết đạt 89 4.2 Hướng phát triển 90 TÀI LIỆU THAM KHẢO 91 iii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Ứng d ụng biến đổi DC – AC hệ thống lượng tái tạo Hình 1.2 Phương pháp biến đổi DC-AC Hình 1.3 Sơ đồ nguyên lý biến đổi Full-Bridge Hình 1.4 Giản đồ xung mở van kiểu bù Hình 1.5 Giản đồ xung mở van theo phương pháp dịch pha Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC-AC 10 Hình 1.7 Điều chế PWM theo phương pháp Unipolar 11 Hình 1.8 Điều chế PWM theo phương pháp Bipolar 12 Hình 2.1 Bộ điều khiển cho thiết bị dự phòng 13 Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý biến đổi DC-DC dạng full-bridge 14 Hình 2.3 Giản đồ thời gian xung điều khiển van dạng phase-shifted điện áp bên sơ cấp biến áp 14 Hình 2.4 Sơ đồ rút gọn  t   15 Hình 2.5 Sơ đồ rút gọn   t  TPWM / 16 Hình 2.6 Dạng sóng điện áp sau chỉnh lưu 16 Hình 2.7 Sơ đồ mạch cầu H 18 Hình 2.8 Sơ đồ mơ phần biến áp, chỉnh lưu lọc 19 Hình 2.9 Sơ đồ mạch điều khiển 19 Hình 2.10 Bộ phát xung PWM 20 Hình 2.11 Bộ điều khiển PID 21 Hình 2.12 Đáp ứng đầu biến đổi DC – DC 21 Hình 2.13 Đáp ứng hệ thống miền thời gian 22 Hình 2.14 Bộ điều khiển PID mờ 23 Hình 2.15 Mơ điều khiển PID mờ 26 Hình 2.16 Hàm liên thuộc đầu vào thứ E 27 Hình 2.17 Hàm liên thuộc đầu vào thứ hai DE 27 Hình 2.18 Hàm liên thuộc đầu KP 28 Hình 2.19 Luật chỉnh định KP không gian 28 Hình 2.20 Hàm liên thuộc đầu KI 29 Hình 2.21 Luật chỉnh định KI khơng gian 29 Hình 2.22 Hàm liên thuộc đầu KD 30 iv Hình 2.23 Luật chỉnh định KD không gian 30 Hình 2.24 Sơ đồ Simulink biến đổi DC - DC 31 Hình 2.25 Dạng sóng nhánh van điện áp bên sơ cấp 32 Hình 2.26 Đáp ứng biến đổi DC - DC 33 Hình 2.27 Điện áp đầu tải thay đổi từ 100 Ohm-150 Ohm 33 Hình 2.28 Điện áp đầu thay đổi tải từ 100 Ohm-200 Ohm 34 Hình 2.29 Đáp ứng biến đổi DC - DC thay đổi giá trị đặt (350V) 34 Hình 2.30 Đáp ứng biến đổi DC - DC thay đổi giá trị đặt (450V) 35 Hình 2.31 Mơ hình đối tượng điều khiển DC-AC 36 Hình 2.32 Mơ hình đối tượng điều khiển dạng sơ đồ khối 36 Hình 2.33 Cấu trúc điều khiển theo biên độ 39 Hình 2.34 Mạch lọc thông thấp LC tải R 39 Hình 2.35 Điều khiển ổn định giá trị tức thời điện áp xoay chiều 40 Hình 2.36 Đặc tính q độ đối tượng 42 Hình 2.37 Vùng ưu tiên chọn điểm cực miền z 43 Hình 2.38 Sơ đồ simulink mơ hệ thống 45 Hình 2.39 Kết mô - Điện áp đầu nhiễu 45 Hình 2.40 Kết mơ – Điện áp đầu có nhiễu đầu 46 Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch chuyển đổi DC-DC dạng Full-Bridge 47 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc khối điều khiển 49 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc đối tượng điều khiển 49 Hình 3.4 Mạch driver 50 Hình 3.5 Mạch Fet với snubber bảo vệ 53 Hình 3.6 Bộ lọc chiều 55 Hình 3.7 Mạch đo áp 56 Hình 3.8 Mạch bảo vệ sử dụng LAH 25-NP 58 Hình 3.9 Lưu đồ chương trình 59 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán cho ngắt ADC 60 Hình 3.11 Lưu đồ thuật toán cho ngắt Timer 61 Hình 3.12 Mạch điều khiển 62 Hình 3.13 Mạch điều khiển, mạch lực biến áp xung 62 Hình 3.14 Bộ biến đổi DC -DC 63 Hình 3.15 Dạng sóng đo vào chân van 63 Hình 3.16 Dạng sóng đo vào sơ cấp biến áp 64 v Hình 3.17 Dạng sóng đo sau biến áp xung 64 Hình 3.18 Dạng sóng đo sau chỉnh lưu trước lọc 65 Hình 3.19 Dạng điện áp sau chỉnh lưu 65 Hình 3.20 Mạch lọc LC 66 Hình 3.21 Thiết kế khối đo điện áp xoay chiều 70 Hình 3.22 Thiết kế khối mạch OPTO 70 Hình 3.23 Mạch test đáp ứng thời gian OPTO 71 Hình 3.24 Thiết kế khối bảo vệ sụt áp cho IPM 72 Hình 3.25 Tính tốn mạch khởi động IPM 74 Hình 3.26 Tính tốn khối đo dòng bảo vệ IPM 76 Hình 3.27 Lưu đồ thuật tốn hàm main vòng điều khiển 79 Hình 3.28 Lưu đồ thuật tốn ngắt ADC 80 Hình 3.29 Phân chia thời gian đo ADC chu kỳ PWM 81 Hình 3.30 Lưu đồ thuật toán cho ngắt PWM 81 Hình 3.31 Giản đồ xung mơ tả thuật tốn PWM 82 Hình 3.32 Cấu trúc hai vòng điều khiển 83 Hình 3.33 Lưu đồ thuật tốn thực hàm main - vịng điều khiển 84 Hình 3.34 Lưu đồ thuật tốn cho module PWM- vịng điều khiển 85 Hình 3.35 Bộ biến đổi DC – AC 86 Hình 3.36 Bộ chuyển đổi DC – AC đ ã thiết kế đóng hộp 87 Hình 37 Dạng sóng sin sau chuyển đổi DC - AC 87 vi LỜI MỞ ĐẦU Trong vài chục năm trở lại đây, với phát triển ngành kĩ thuật điện tử, công nghệ thông tin, ngành kĩ thuật điều khiển tự động hóa đạt nhiều tiến m ới Tự động hóa q trình sản xu ất phổ biến rộng rãi hệ thống cơng nghiệp giới nói chung Việt Nam nói riêng Tuy nhiên, liền với phát triển yêu cầu mới, ngày khắt khe hơn, phức tạp Một số yêu cầu yêu cầu sử dụng nguồn lượng từ tự nhiên lượng gió, mặt trời, thủ y triều … để khắc phục tình trạng thiếu hụt điện nghiêm trọng Việt Nam Nguồn lượng từ tự nhiên vô phong phú sử dụng phần nhỏ, chưa khai thác triệt để tiềm sẵn có Nguồn điện thu từ lượng gió, mặt trời, thủy triều … nguồn chiều nên có khả lưu trữ điện lâu dài thiết b ị lưu trữ ắc quy, pin Do vậy, nguồn điện thường có biên độ cố định, khơng điều khiển nên gặp nhiều khó khăn việc cung cấp nguồn điện cho ứng dụng nhiều lĩnh vực sản xuất cơng nghiệp, truyền thơng… Vì lí mà chuyển đổi nguồn DC - AC sử dụng ngày rộng rãi Bộ chuyển đổi nguồn DC - AC thiết bị công suất, biến đổi điện áp chiều đầu vào không điều khiển thành điện áp xoay chiều đầu với mức điện áp mong muốn nhằm cung cấp điện cho thiết bị sử dụng nguồn điện xoay chiều Chính thế, tơi chọn luận án “Nghiên cứu, thiết kế điều khiển thiết bị nguồn điện dự phòng sử dụng lượng mặt trời 2kW “ thầy giáo TS.Lưu Hồng Việt hướng dẫn Luận án trình bày chương chính: Chương I: Tổng quan thiêt bị dự phịng trình bày ngun lý hoạt động thiết bị nguồn điện dự phịng Qua đó, tập trung giải vấn đề chuyển đổi nguồn DC-AC Chương I nói rõ cấu trúc chuyển đổi nguồn DC-AC thơng dụng gồm biến đổi gì, đồng thời nêu rõ nguyên lý hoạt động phương pháp điều xung biến đổi Chương II: Thiết kế điều khiển cho thiết bị dự phịng đưa mơ hình tốn học biến đổi Từ đó, thiết kế điều khiển cho biến đổi Chương II tập trung vào việc nâng cao chất lượng điều khiển biến đổi DC-DC Chương III: Thiết kế hệ thống thực tế trình bày việc thiết kế tính tốn mạch thực tế biến đổi DC – AC Chương III trình bày giải pháp phần mềm cho mạch thiết kế, đồng thời đưa số hình ảnh thực tế m ạch dạng sóng số vị trí để so sánh với lý thuyết Chương IV: Kết luận nêu kết đạt thời gian tìm hiểu, nghiên cứu luận án đồng thời đưa hướng phát triển cho lu ận án Do trình độ kiến thức có hạn, hạn chế thời gian kinh nghiệm thực tế nên luận án khơng thể tránh khỏi thiếu sót, kính mong thầy cô giáo bảo để lu ận án hồn thiện Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc tới tồn thể thầy giáo b ộ môn Điều Khiển Tự Động môn Tự Động Hóa, đặc biệt huớng dẫn bảo tận tình thầy giáo TS Lưu Hồng Việt đ ã tạo điều kiện thuận lợi cho thực đồ án Xin cám ơn bạn phòng nghiên cứu hợp tác nhiệt tình hiệu Một lần tơi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày 25 tháng 11 năm 2011 Học viên Bùi Hoàng Giang Chương I: Tổng quan thiết bị dự phòng CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ BỘ THIẾT BỊ DỰ PHÒNG 1.1 Tổng quan thiết bị dự phòng Bộ thiết bị dự phịng sử dụng lượng mặt trời có nhiệm vụ cung cấp điện cho phụ tải lưới điện gặp cố điện hay điện áp nguồn xuống thấp hay tăng cao … Bức xạ mặt trời Pin mặt trời Bộ điều Bộ nghịch lưu khiển sạc Bộ lưu trữ lượng Thiết bị xoay chiều (AC) Thiết bị chiều (DC) Hình 1.1 Ứng dụng biến đổi DC – AC hệ thống lượng tái tạo