Điều khiển tối ưu công suất phát của một hệ nhiều pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành : 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành : 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. HUỲNH CHÂU DUY Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 18 tháng 01 năm 2014 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ và tên Chức danh Hội đồng 1 TS. Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch 2 PGS.TS Trần Thu Hà Phản biện 1 3 TS. Đinh Hoàng Bách Phản biện 2 4 TS. Nguyễn Minh Tâm Ủy viên 5 TS. Võ Hoàng Duy Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh phúc TP. HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1981 Nơi sinh: Ninh Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1241830006 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN II- Nhiệm vụ và nội dung:  Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với tải cố định (tải thuần trở).  Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán và các đặc tính của pin quang điện.  Các bộ biến đổi DC/DC.  Phương pháp và thuật toán điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại. III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013 V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) TS. HUỲNH CHÂU DUY KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu ra trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã được xin phép và cảm ơn. Tất cả các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Nguyễn Thị Bích Hạnh ii LỜI CÁM ƠN Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập và nghiên cứu. Đây cũng là luận văn đánh dấu cuối cùng trong quá trình học cao học. Để có được kết quả hôm nay, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn, sự quan tâm của một số đồng nghiệp cũng như bạn bè. Qua đây tôi xin phép được cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Huỳnh Châu Duy – Phó Viện Trưởng Viện Đào Tạo Quan Hệ Quốc Tế – Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Giảng viện bộ môn Hệ Thống Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, người thầy đã hết lòng chỉ bảo, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện – Điện tử, Phòng quản lý đào tạo sau đại học và tất cả Quí Thầy, Cô của Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích và qúy báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu. Xin cảm ơn Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn giành những tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ và khuyến khích tôi để tôi vượt qua mọi khó khăn trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Nai đã tạo điều kiện thuận lợi và hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong quá trình học tập, công tác cũng như trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014 Người thực hiện Nguyễn Thị Bích Hạnh iii TÓM TẮT Luận văn này trình bày các phương pháp tìm điểm làm việc có công suất cực đại của pin quang điện (MPPT) đáp ứng trong các điều kiện môi trường thay đổi. Từ đó, đề xuất thuật toán mới là phân chia vùng làm việc trên đường đặc tuyến V-P của pin quang điện thành ba vùng chính, gồm: - Vùng 1: Vùng bên trái điểm cực đại - Vùng 2: Vùng cực đại - Vùng 3: Vùng bên phải điểm cực đại. Bằng việc xác định điểm làm việc của pin quang điện đang ở vùng nào đều có thể nhanh chóng đưa pin vào làm việc ở điểm cực đại thông qua việc điều chỉnh độ rộng xung của mạch Boost. Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán đề xuất mới đã tìm được điểm công suất cực đại nhanh hơn, ổn định hơn và khắc phục được một số nhược điểm của thuật toán P&O, INC và thuật toán điện áp là hằng số. iv ABSTRACT This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of Photovoltaics to adapt changing enviromental conditions. Therefrom uses the new method by dividing the working point on the characteristics V-P of into three major areas, including: Photovoltaics - Areas 1: the left side of the maximum power point - Areas 2: the maximum area - Areas 3: the right of the maximum power point . By defining the working point of the Photovoltaics are in areas where we can quickly take the Photovoltaics to work at the maximum power point by adjusting duty pulse of the boost circuit. Results of Simulations and experimental measurements has shown that this method has found the MPP faster, more stable and overcomes some disadvantages of the algorithm Perturb and Observe, Incremental Conductance and the algorithm voltage is const. v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT iii MỤC LỤC .v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ x Chương 1 GIỚI THIỆU 1 1.1 Đặt vấn đề 1 1.2 Tính cần thiết 3 1.3 Tình hình nhận định của thế giới 4 1.4 Dự báo trong tương lai 5 1.5 Mục tiêu của đề tài 6 1.6 Nội dung nghiên cứu 7 1.7 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 7 1.8 Nội dung của luận văn 9 1.9 Kết luận 9 Chương 2 TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 2.1 Giới thiệu 10 2.2 Tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam 10 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam 16 2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài 18 2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới 18 2.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 20 2.5 Kết luận 24 Chương 3 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25 vi 3.1 Cấu tạo pin quang điện 25 3.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện 28 3.3 Mô hình toán của pin quang điện 29 3.4 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện 33 3.5 Bộ biến đổi DC/DC 38 3.5.1 Bộ giảm áp (Buck) 38 3.5.2 Bộ tăng áp (Boost) 41 3.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp (Boost – Buck) 43 3.6 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 45 3.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 45 3.6.2 Điều khiển phản hồi công suất 46 3.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 47 3.7 Điểm làm việc cực đại của pin quang điện (MPP - Maximum Power Point)47 3.8 Hệ nhiều pin quang điện 51 3.8.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện 51 3.8.2 Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện 52 3.9 Kết luận 54 Chương 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN 56 4.1 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện 57 4.1.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) 57 4.1.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Incremental Conductance) 61 4.1.3 Thuật toán điện áp hằng số 63 4.2 Phương pháp điều khiển MPPT 65 4.2.1 Phương pháp điều khiển PI 65 4.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 66 4.2.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 69 4.3 Thuật toán đề xuất 69 4.3.1 Cấu hình cho bộ chuyển đổi năng lượng 69 [...]... ra Một trong những khía cạnh của nghiên cứu hiện nay là việc thiết kế và sử dụng hệ pin quang điện sao cho chúng làm việc tốt nhất trong tất cả các điều kiện khác nhau Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật theo dõi và dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của một pin quang điện hay của hệ nhiều pin quang điện kết nối lại, ngay cả trong những điều kiện pin quang điện bị che một phần Đối với một pin quang. .. của đề tài Một hệ pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại: - Hệ pin quang điện quang điện làm việc độc lập - Hệ pin quang điện làm việc với lưới Tùy theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí địa lý lắp đặt mà hệ nào được ứng dụng Nội dung của đề tài chỉ chú trọng đến nghiên cứu các thành phần trong hệ thống pin quang điện làm việc độc lập Một hệ pin quang điện làm việc độc... phải tìm được điểm công suất cực đại nhanh hơn, chính xác hơn ngay cả khi thay đổi các điều kiện về nhiệt độ hay bức xạ, xét đến cả việc kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện khi kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện Dựa theo các đặc tuyến của pin quang điện thì khi kết hợp nhiều tấm pin sẽ tồn tại điểm... đến pin quang điện  Nghiên cứu các bộ chuyển đổi DC/DC  Nghiên cứu các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại  Nghiên cứu phân tích và đề xuất xây dựng giải thuật cho việc tìm điểm công suất cực đại khi kết hợp nhiều pin quang điện  Mô phỏng thuật toán tìm điểm công suất phát của một hệ nhiều pin quang điện bằng phần mềm Matlab/Simulink với thuật toán đề xuất 1.7 Phạm vi nghiên cứu của đề tài Một. .. và thuật toán điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại Từ đó, thấy rõ đặc tính làm việc của pin quang điện thay đổi dưới tác động của nhiệt độ, bức xạ mặt trời Nghiên cứu so sánh nguyên lý làm việc, ưu nhược điểm, khả năng ứng dụng của các thuật toán điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại và đề xuất phương pháp mới nhằm mục đích để hệ pin quang điện làm việc tối ưu nhất 1.8 Nội dung của luận văn Luận... nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện làm việc độc lập như hình 1.1 Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện Đề tài tập trung nghiên cứu sâu hơn các vấn đề cụ thể như sau: - Trình bày bao quát hệ thống pin quang điện làm việc độc lập với tải cố định (tải thuần trở) 9 - Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán và các đặc tính của pin quang điện - Các bộ biến đổi... điều khiển tìm điểm công suất tối ưu để làm tăng hiệu quả làm việc của pin quang điện - Ắc quy giúp dự trữ điện năng để duy trì hoạt động cho cả hệ thống vào ban đêm hay khi thời tiết âm u, nhiều mây mưa, lúc cường độ bức xạ ánh sáng yếu không đủ phát ra điện năng - Bộ biến đổi điện nghịch lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc quy thành điện xoay chiều (110V, 220V) cung cấp cho các thiết bị điện. .. là các điểm vận hành tối ưu của các tấm pin, nơi mà công suất nhận được là lớn nhất Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện Mục tiêu chính của đề tài là phải tìm được điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được là lớn nhất trong các điều kiện khác nhau, đặc biệt là điều kiện về nhiệt độ... Hệ thống hấp thụ ánh sáng là các tấm pin quang điện ghép nối lại với nhau - Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC - Hệ thống điều tiết và lưu trữ năng lượng là các thiết bị điều tiết sạc bình ắc quy Mỗi thành phần trong hệ pin quang điện mang những nhiệm vụ cụ thể riêng biệt mang tính quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả của hệ quang điện đó, cụ thể như sau: 8 - Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật toán điều. .. tạo của pin quang điện 25 Hình 3.2 Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) 27 Hình 3.3 Chất bán dẫn Si pha tạp Boron được gọi là bán dẫn loại P (Positive) 27 Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện 28 Hình 3.5 Sơ đồ pin quang điện thực tế 29 Hình 3.6 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS 30 Hình 3.7 Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện . tấm pin quang điện 52 3.9 Kết luận 54 Chương 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN 56 4.1 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện. TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành :. ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1241830006 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN II- Nhiệm vụ và nội dung:  Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm