NGHIÊN cứu cấu TRÚC và hệ THỐNG điều KHIỂN bộ BIẾN đổi bán dẫn CÔNG SUẤT CHO hệ PIN mặt TRỜI có THUẬT TOÁN dò tìm điểm CÔNG SUẤT lớn NHẤT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN THỊ THỤC NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT CHO HỆ PIN MẶT TRỜI CÓ THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT LỚN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

NGUYỄN THỊ THỤC

NGHIÊN CỨU CẤU TRÚC VÀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN CÔNG SUẤT CHO HỆ PIN MẶT TRỜI CÓ THUẬT TOÁN

DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT LỚN NHẤT

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá

MÃ SỐ: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

Người hướng dẫn khoa học: TS Trần Trọng Minh

Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Thanh Hà

Phản biện 2: TS Ngô Đức Minh

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 13 giờ 30’ , ngày 18 tháng 8 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Một số nguồn năng lượng đang được

sử dụng như nguồn nguyên liệu hoá thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên Trước tình hình đó, vấn

đề phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu

sử dụng năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều sự quan tâm

Luận văn với đề tài: “Nghiên cứu cấu trúc và hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất cho hệ pin mặt trời có thuật toán

dò tìm điểm công suất lớn nhất” được xuất phát từ yêu cầu thực tế trên như vậy sẽ tiết kiệm được nhiên liệu truyền thống và giảm tối thiểu sự ô nhiễm môi trường và phát triển ngành công nghiệp sản xuất thiết bị sử dụng năng lượng sạch tại Việt Nam

2 Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài là nghiên cứu những cấu trúc tiêu biểu của bộ biến đổi dùng cho kết nối với pin mặt trời, nghiên

cứu các thuật toán dò tìm điểm hoạt động cho công suất lớn nhất, lựa chọn một cấu trúc phù hợp, mô hình hóa hệ thống pin mặt trời-bộ biến đổi, khảo sát đánh giá chất lượng của hệ thống

Với mục tiêu như vậy đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận văn sẽ là các bộ biến đổi dùng cho pin mặt trời, thuật toán dò tìm điểm công suất lớn nhất, mô hình hóa hệ thống để đánh giá chất lượng từ đó thiết kế hệ thống thực

3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sử dụng năng lượng tái tạo là một vấn đề cấp thiết hiện nay, trong đó có hệ thống pin năng lượng mặt trời Đối với hệ thống pin mặt trời bộ biến đổi bán dẫn có vai trò cực kỳ quan trọng trong đảm bảo lấy được năng lượng nhiều nhất và chuẩn hóa các thông số của nguồn điện để có thể cung cấp cho các phụ tải tại chỗ hoặc kết nối với lưới điện Hiện nay trong và ngoài nước đây là những vấn đề được nhiều người quan tâm Tuy nhiên một cấu hình tiêu chuẩn và phương pháp điều khiển cho bộ biến đổi kết nối pin mặt trời là vẫn chưa thực sự tồn tại Do đó đề tài này có ý nghĩa khoa học và thực tiễn vô cùng lớn để nghiên cứu Hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất cho hệ pin mặt trời có thuật toán dò tìm điểm công suất lớn nhất sử dụng bộ biến đổi Boost converter làm bộ biến đổi DC-DC cho hệ thống, hơn nữa bộ biến đổi này cho hệ số biến điện

áp và hiệu suất cao

4 Phương pháp nghiên cứu

Khảo sát thực tế tại mô hình hệ pin mặt trời Áp dụng phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái các bộ biến

đổi DC-DC, DC-AC, thu được mô hình tuyến tính hệ thống, từ đó áp dụng các phương pháp tuyến tính để tổng hợp hệ thống pin mặt trời

5 Nội dung của đề tài

Thực hiện nhiệm vụ trên cấu trúc luận văn gồm có phần mở đầu; chương 1,2,3,4 và 5; Kết luận và kiến nghị; Tài liệu tham khảo Nội dung chính của luận văn:

Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời

Chương 2: Bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến điện áp và hiệu suất cao

Chương 3: Nghiên cứu xây dựng phương pháp dò tìm điểm công suất lớn nhất – MPPT

Chương 4: Mô hình tín hiệu nhỏ biến đổi DC-DC dùng cuộn kháng hỗ cảm

Chương 5: Khảo sát đánh giá chất lượng của hệ thống

Kết luận và kiến nghị

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI

1.1 Giới thiệu về pin mặt trời

Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

1.1.1 Đặc tính Vôn - Ămpe của pin mặt trời

1.1.2 Ứng dụng

1.1.3 Tấm năng lượng mặt trời

1.1.4 Cách ghép nối các tấm năng lượng mặt trời

1.2 Hệ thống điện pin mặt trời

1.2.1 Cấu trúc chung

1.2.2 Ăc quy tích trữ năng lượng

1.3 Thuật toán dò tìm điềm công suất lớn nhất (MPPT)

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong

bộ DC - DC Thuật toán tác động lên bộ biến đổi để thay đổi giá trị

điện áp ở đàu ra của PV nhờ đó mà lấy ra được công suất lớn nhất Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập

hiệu suất cao 90 đến 94% Bộ biến đổi đưa điện áp đầu vào

đầu ra 220 VAC, 50Hz

Chương 1 là cơ sở để các chương tiếp theo nghiên cứu và xây dựng hệ thống điều khiển bộ biến đổi bán dẫn công suất cho hệ pin mặt trời có thuật toán dò tìm điểm công suất lớn nhất

Chương 2

BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VỚI HỆ SỐ BIẾN ĐIỆN ÁP VÀ HIỆU

SUẤT CAO 2.1 Bộ biến đổi nguồn DC-DC giảm áp (Buck converter)

Bộ biến đổi nguồn DC-DC giảm áp, có sơ đồ như hình vẽ 2.2:

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC giảm áp

-Hệ số biến đổi điện áp của Boost Conveter:

Hình 2.5 Đồ thị dòng áp bộ biến đổi nguồn DC – DC tăng áp

Một trong những sơ đồ đơn gián có thể sử dụng là Boost conveter với cuộn kháng hỗ cảm như hình vẽ 2.9:

Hình 2.9 Sơ đồ Boost conveter với cuộn kháng hỗ cảm

Giản đồ dòng áp của sơ đồ Boost conveter với cuộn kháng hỗ cảm như hình 2.11:

Hình 2.11 Giản đồ dòng áp sơ đồ Boost conveter với cuộn hỗ cảm

Để đạt được hiệu suất lớn hơn 95% ta sử dụng bộ biến đổi có cuộn kháng hỗ cảm sử dụng phóng nạp (charge-pump) như hình 1.13 Hệ số biến điện áp có thể dễ dàng đạt được bởi tỉ số biến đổi của năng lượng hỗ cảm cảm ứng áp lực điện áp cao và tổn thất chuyển mạch của ghép nối hỗ cảm Mạch này có lợi đó là mở rộng được điện áp đầu vào, hệ số biến điện áp cao và giá thành hợp lý

Hình 2.13 Bộ biến đổi DC-DC có cuộn kháng hỗ cảm phóng – nạp

Với sơ đồ này thì hệ số biến điện áp được tính theo công thức sau:

1 (n 1).DM

2.3 Kết luận chương 2

Trong chương 2 đã phân tích các bộ biến đổi bán dẫn công suất và lựa chọn bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost Converter) dùng cuộn kháng hỗ cảm với hệ số biến đổi điện áp và hiệu suất cao (90% đến 95% có khi đạt được hơn 95%) Với mục tiêu môdun hóa hệ thống PV, mỗi panel PV đi với một bộ biến đổi, thì sơ đồ Boost Converter với cuộn kháng hỗ cảm có thể là một lựa chọn phù hợp Phương án này đơn giản, dễ thực hiện Từ đó mô hình hóa bộ biến đổi DC - DC tăng áp sử dụng Mosfet là van bán dẫn, được điều khiển

với tần số đóng cắt cao Phương pháp mô hình hóa bộ biến đổi này là phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái Đây là cơ sở

để xây dựng mô hình tín hiệu nhỏ, tổng hợp mạch vòng điều chỉnh

và mô phỏng kiểm chứng ở những chương tiếp theo

Chương 3 NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM

CÔNG SUẤT LỚN NHẤT - MPPT 3.1 Nguyên lý dung hợp tải

Ta giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được

Khi đó:

in o o

in V

V I

1I



Suy ra:

tai 2 o

o 2 in

in

I

V ) D 1 ( I

V

Hình 3.3 Tổng trở vào R in được điều chỉnh bằng D

3.2 Thuật toán xác định điểm làm việc công suất lớn nhất MPPT

Như đã nói ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trên đường đặc tính I –V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ

và cường độ bức xạ thay đổi Điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy

pin mặt trời Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC-DC

3.2.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất

3.2.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Đây là phương pháp khắc phục những nhược điểm của phương pháp P&O trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin

mặt trời để dò tìm điểm công suất tối ưu

Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP

3.2.3 Tổng kết so sánh các phương pháp MPPT

3.3 Phương pháp điều khiển MPPT

3.3.1 Phương pháp điều khiển PI

3.3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp

3.3.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra

3.4 Kết luận chương 3

Trên cơ sở lựa chọn bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter), mô hình hóa bộ biến đổi DC/DC tăng áp và xây dựng hàm truyền cho bộ biến đổi Trong chương 3 này đã nghiên cứu và

xây dựng phương pháp dò tìm điểm công suất lớn nhất Đã xây dựng được hệ thống pin mặt trời dùng bộ biến đổi bán dẫn công suất có ứng dụng thuật toán tìm điểm công suất lớn nhất Tuy nhiên chưa xây dựng được hệ thống hoàn chỉnh và chưa đánh giá được chất lượng động học của hệ thống Việc xây dựng hoàn chỉnh hệ thống sẽ được thực hiện ở chương tiếp theo

Chương 4

MÔ HÌNH TÍN HIỆU NHỎ BIẾN ĐỔI DC-DC DÙNG CUỘN

KHÁNG HỖ CẢM 4.1 Phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái

Trong phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái mạch điện của bộ biến đổi ứng với mỗi trạng thái đóng cắt của van bán dẫn được mô tả bởi một hệ phương trình tuyến tính:

dx

= Ax + Bu; y = Cx + Du

Trong đó: A, B, C, D là các ma trận của phương trình trạng thái; x là

biến trạng thái; u là biến đầu vào; y là biến đầu ra

Bộ biến đổi DC - DC cơ bản có hai trạng thái cho phép của van Trong một chu kỳ Ts, thường gọi là chu kỳ đóng cắt, chu kỳ điều chế PWM, gồm hai khoảng thời gian ứng với hai trạng thái, dts

và (1 - d)Tts (0 < d < ts) Ứng với trạng thái 1 hệ có phương trình trạng thái:

Các ma trận A1, B1, C1, D1 mô tả mạch điện tuyến tính của sơ

đồ trong khoảng thời gian dTs (0<d<1), các ma trận A2, B2, C2, D2

mô tả mạch điện tuyến tính của sơ đồ trong khoảng thời gian (1–d)Ts

Vì vậy nếu ta lấy trung bình trong một chu kỳ Ts hệ phương trình (4.2) và (4.3) trong đó:

khiển d với biến trạng thái x

Mối quan hệ giữa giá trị trung bình, giá trị xác lập và tín hiệu nhỏ được chỉ ra:

4.2 Xây dựng mô hình cho Tapped – coupled inductors

Xuất phát từ sơ đồ Boost conveter với cuộn kháng hỗ cảm như hình 4.1 ta xây dựng mô hình của hệ thống

Hình 4.1 Sơ đồ mạch lực Boost conveter với cuộn kháng hỗ cảm

Qua phân tích mạch điện ta có đồ thị dòng điện và điện áp trên các phần tử Boost conveter cuộn kháng hỗ cảm như hình vẽ 4.4

Hình 4.4 Đồ thị dòng áp của các phần tử trên sơ đồ Boost conveter

dùng cuộn kháng hỗ cảm

Ta có sơ đồ thay thế các phần tử khóa bằng nguồn dòng, nguồn áp liên tục, có điều khiển như hình 4.5

Hình 4.5 Sơ đồ thay thế các phần tử khóa bằng nguồn dòng, nguồn

áp liên tục, có điều khiển

Có thể tiếp tục cho các biến trạng thái và đầu vào các biến động nhỏ để có được mô hình tín hiệu nhỏ Xác định hàm truyền từ điều khiển đến điện áp đầu ra:

2 C

Hàm truyền (4.35) của Boost Converter dùng cuộn kháng hỗ cảm cũng có điểm zero bên phải trục ảo và 2 điểm cực phức liên hợp

4.3 Thiết kế cấu trúc điều khiển theo điện áp

4.3.1 Cấu trúc điều khiển

Để kiểm chứng mô hình tín hiệu nhỏ trước hết ta sẽ tiến hành thiết kế cấu trúc điều khiển theo điện áp Giả thiết mạch vòng điện áp có cấu trúc như trên hình 4.6

Hình 4.6 Cấu trúc mạch vòng điều chỉnh điện áp của sơ đồ Boost

conevrter dùng cuộn kháng hỗ cảm

Ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp theo nguyên lý điện áp bộ biến đổi kiểu Boost

Hình 4.9 Sơ đồ cấu trúc điều khiển trực tiếp theo nguyên lý điện áp

bộ biến đổi kiểu Boost

Với các số liệu có thể tính toán chế độ xác lập và từ đó xây dựng được hàm truyền tín hiệu nhỏ từ điều khiển đến điện áp ra Đồ thị Bode của hàm truyền Gvd(s) cho trên hình 4.10, đường mầu xanh nước biển

Hình 4.10 Đồ thị Bode cho hệ thống mạch vòng điện áp

Các đặc tính biên pha của hệ thống thu được trên hình 4.10 cho thấy mạch vòng điện áp ổn định, không có sai lệch tĩnh đối với lượng đặt điện áp

4.4 Kết luận chương 4

Trên cơ sở phương pháp trung bình hóa hệ phương trình trạng thái đã xây dựng được mô hình cho Switch - tapped của bộ biến đổi Boost với cuộn kháng hỗ cảm và cấu trúc điều khiển điện áp với vòng lặp điện áp Đây là cơ sở để thiết kế mạch điều khiển cho

hệ thống pin mặt trời có thuật toán tìm điểm làm việc lớn nhất

Chương 5 KHẢO SÁT ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG CỦA HỆ THỐNG 5.1 Giới thiệu phần mềm MATLAB

5.2 Kết quả mô phỏng trong phần mềm MATLAB

Sơ đồ hệ thống pin mặt trời sử dụng bộ biến đổi Boost Converter dùng cuộn kháng hỗ cảm với mạch vòng điện áp được mô phỏng trong MATLAB có dạng hình 5.1

Hình 5.1 Mô hình mô phỏng bộ biến đổi Boost Converter dùng cuộn