Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC DC, DC AC

vi  Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tt iv Mục lục vii Danh sách các chữ viết tt x Danh sách các hình xi Danh sách các bảng xv  1 1.1 Tính cần thiết của đề tài. 1 1.2 Pin quang điện (PV). 2 1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc lp. 5 1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng. 6 1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV. 6 1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan. 10 1.5 Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học. 11 1.6 Nhiệm vụ của lun văn 12 1.7 Phạm vi nghiên cứu 12 1.8 Phương pháp nghiên cứu 12 1.9 Giá trị thực tiễn của đề tài 13  14 2.1 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 14 2.1.1 Cấu tạo 14 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 14 vii 2.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 17 2.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lp 20 2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 20 2.2.1.1 Các loại bộ biến đổi DC/DC 21 2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 26 2.2.2 Bộ biến đổi DC/AC. 27 2.3 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 28 2.3.1 Giới thiệu chung 28 2.3.2 Nguyên lý cân bằng tải 30 2.3.3 Thut toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 31 2.3.3.1 Thut toán nhiễu loạn và quan sát P&O 32 2.3.3.2 Thut toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 33 2.3.4 Phương pháp điều khiển MPPT. 34 2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp. 34 2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. 35 2.3.5 Giới hạn của MPPT. 37 2.4 Bộ lưu giữ năng lượng 37 2.4.1 Các loại c quy. 38 2.4.1.1 c quy chì ậ axit 38 2.4.1.2 c quy kiềm 39 2.4.2 Các đặc tính của c quy. 39 2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu là C) 39 2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất 39 2.4.2.3 Điện áp hở mạch 40 2.4.3 Chếđộ làm việc của c quy (xét c quy chì - axit) 40 2.4.3.1 Nạp c quy 40 2.4.3.2 c quy phóng 40 2.4.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp c quy 41 2.4.4.1 Nạp với dòng không đổi 41 viii 2.4.4.2 Nạp với áp không đổi 41 2.4.4.3 Nạp nổi 42  43  3.1 Điểm công suất cực đại 43 3.2. Giải thut P&O (Perturb & Observe) 45 3.2.1 Lưu đồ giải thut P&O 47 3.2.2 Mô phỏng giải thut P&O bằng Matlab 47 3.2.3 Nhược điểm của giải thut P&O 48 3.3 Giải thut P&O cải tiến 50 3.3.1 Lưu đồ giải thut P&O cải tiến 52 3.3.2 Mô phỏng giải thut P&O cải tiến bằng Matlab 53 3.4 Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch 54 3.4.1 Lưu đồ giải thut điều khiển điện áp hở mạch 55 3.4.2 Mô phỏng giải thut điều khiển điện áp hở mạch 56 3.5 Phương pháp tăng tổng dẫn 58 3.5.1 Lưu đồ giải thut tăng tổng dẫn 59 3.5.2 Mô phỏng giải thut tăng tổng dẫn 61 3.6 Nhn xét chung 62 3.6.1 u điểm 62 3.6.2 Khuyết điểm 62 3.6.2.1 Đối với giải thut P&O cải tiến 62 3.6.2.2 Đối với thut toán điều khiển điện áp hở mạch 63 3.6.2.3 Đối với thut toán tăng tổng dẫn 63  64  DC, DC   4.1 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC kết hợp MPPT 64 ix 4.1.1 Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC) 64 4.1.2 Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cựa đại) 66 4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của MPPT 68 4.1.2.2 Mô phỏng MPPT và kết quả 71 4.2 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ AC 72 4.2.1 Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM 72 4.2.2 Bộ nghịch lưu áp một pha 74 4.2.2.1 Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu 75 4.2.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu áp một pha 78 4.2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha 79 4.2.3.1 Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha 80 4.2.4 Mô phỏng theo phương pháp P&O 82 4.2.5 Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn 83 4.2.6 Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch 85 4.2.7 Nhn xét chung 86  88 5.1 Kết lun 88 5.2 Hướng phát triển của đề tài 88 T 90  92 x  GP : ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất. Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất. MPP : ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực đại. MPPT : ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại P&O : ( Perturb & Observe ) thut toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến điểm cực đại. PV : (photovoltaic) pin quang điện, biến quang năng thành điện năng. xi DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 2 Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V ậ I của pin mặt trời 2 Hình 1.3: Mc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay 3 kết nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn. Hình 1.4: Khi mc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngn mạch của hệ 4 thống sẽ bằng dòng ngn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống. Hình 1.5: Khi mc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngn mạch của 4 hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm. Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lp 5 Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 7 Hình 1.8: Đường cong đặc tính I ậ V và P - V hệ thống pin mặt trời 8 Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I ậ V và đặc tính tải khi cường 9 độ bức xạ thay đổi Hình 1.10: (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I ậ V.(c) đặc tính P ậ V 9 Hình 1.11: Đường cong đặc tính P ậ V thay đổi khi dãy PV bị bóng che 10 Hình 2.1: Cấu tạo của pin mặt trời 13 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13 Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E 1 < E2 14 Hình 2.4: Các vùng năng lượng 14 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 16 Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V ậ I của pin mặt trời 17 Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 17 Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời 18 phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời. xii Hình 2.9: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt 19 độ của pin Hình 2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 19 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 21 Hình 2.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 21 Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 23 Hình 2.14: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 23 Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck ậ Boost 24 Hình 2.16: Mạch vòng điều khiển điện áp 25 Hình 2.17: Mạch vòng dòng điện phản hồi 26 Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu 26 Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge 27 Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge 27 Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được mc trực tiếp với một tải thuần trở 28 có thể thay đổi giá trị điện trở được Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị 28 điện trở thay đổi được Hình 2.23: Tổng trở vào R in được điều chỉnh bằng D 30 Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I ậ V của pin khi cường độ bức xạ 30 thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ Hình 2.25: Đặc tính làm việc I ậ V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng 31 một mức cường độ bức xạ Hình 2.26: Thut toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 31 Hình 2.27: Đường cong P ậ V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 32 Hình 2.28: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 33 Hình 2.29: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và 34 hệ số làm việc D Hình 2.30: Lưu đồ thut toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển 35 đo trực tiếp tín hiệu ra xiii Hình 3.1: Các trường hợp hở mạch (a), ngn mạch (b), và kết nối tải (c) 44 Hình 3.2: Đồ thị V-A và công suất 44 Hình 3.3: Đồ thị xác định MPP 45 Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra 46 Hình 3.5: Lưu đồ giải thut P&O 47 Hình 3.6: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut P&O 48 Hình 3.7: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ không đổi 48 Hình 3.8: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ thay đổi 49 Hình 3.9: Hệ Pin PV phát năng lượng về lưới điện 49 Hình 3.10: Khi chiếu độ thay đổi điểm công suất cực đại 50 sẽ sai theo giải thut P&O Hình 3.11: Cấu tạo một Cell PV 51 Hình 3.12: Đặc tuyến I-P của PV khi chiếu độ thay đổi 53 Hình 3.13: Lưu đồ giải thut P&O cải tiến 53 Hình 3.14: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut P&O cải tiến 54 Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ không đổi 55 Hình 3.16: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ thay đổi 55 Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch 57 Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut điều khiển điện áp hở mạch 58 Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thut toán điều khiển điện áp hở mạch 59 chiếu độ không đổi Hình 3.20: Kết quả mô phỏng thut toán điều khiển điện áp hở mạch 59 chiếu độ không đổi Hình 3.21: Đặc tuyến đường cong công suất PV 59 Hình 3.22: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut tăng tổng dẫn 61 Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thut toán tăng tổng dẫn chiếu độ không đổi 61 Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thut toán tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi 62 Hình 3.25: Sự giao động của điểm MPP với phương pháp P&O cải tiến 63 xiv Hình 4.1: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một module khi 64 cường độ bức xạ thay đổi từ 400W/m2 đến 1000W/m2 Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một module khi 64 nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 75 o C Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày 65 (số liệu ghi nhn chỉ có tính tương đối) Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi cường độ bức xạ 67 thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2 Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 68 hai tp hợp con trong nhóm1 Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 68 hai tp hợp con trong nhóm 2 Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 69 một tp hợp con trong nhóm 3 Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của mỗi tp 69 hợp nối tiếp trong mỗi nhóm từ 1 đến 3 Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của mỗi nhóm 70 từ 1 đến 3 Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một dãy PV 71 Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P ậ V, tp hợp nối tiếp, nhóm, dãy 73 trong hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10, Hình 4.12: Kết quả mô phỏng thut toán P&O dưới điều kiện dãy 75 PV bị bóng che một phần Hình 4.13: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 75 của hai tp hợp con trong nhóm 1. Hình 4.14: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 78 của hai tp hợp con trong nhóm 2. Hình 4.15: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 80 của hai tp hợp con trong nhóm 3. xv Hình 4.16: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 81 của hai tp hợp con trong nhóm 4. Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 81 của một tp hợp con trong nhóm 5. Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O 82 Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu 0a U và dòng điện pha a i 83 Hình 4.20: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 83 Hình 4.21: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn 84 Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu 0a U và dòng điện pha a i 84 Hình 4.23: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 85 Hình 4.24: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch 86 Hình 4.25: Điện áp nghịch lưu 0a U và dòng điện pha a i 86 Hình 4.26: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 87 [...]... công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường Chính vì những lý do trên, đề tài: Khảo sát thu t toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC ậ DC, DC ậ AC ” được hình thành Với kết quả nh n được có thể:  Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời dựa vào các thu t toán MPPT và các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC, DC - AC ... hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm này có thể kh c phục phần nào 1.6 Nhiệmăv ăcủaălu năvĕnă: Lu n văn ắ Khảo sát các thu t toán MPPT ( dò tìm điểm công suất cực đại) và bộ chuyển đổi DC DC, DC ậ AC ” có nội dung chủ yếu: - Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lượng mặt trời - Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC và DC ậ AC - Nghiên cứu và mô phỏng thu t toán P&O... quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC và DC ậ AC - Kết quả nghiên cứu của lu n văn 1.7 Ph măviănghiênăc u: - Chỉ nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời làm việc độc l p - Trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc l p chỉ t p trung nghiên cứu thu t toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) - Nghiên cứu và mô phỏng thu t toán P&O - Nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC, DC ậ AC kết hợp... thọ của c quy 1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến đổi DC - AC  Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và c quy Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho... dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau 2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/ DC Các cách thường dùng để điều khiển bộ DC/ DC là:  Mạch vòng điện áp phản hồi Bộ điều khiển Rv là bộ PI Điện áp ra ở đầu cực của pin được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ sát với điểm làm việc có công suất lớn... thì khi đó pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1 Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2 (tải có đường đặc tính là OC, pin làm việc ở điểm C1) Để có thể thu được công suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải 2.2 Các b bi n đ i bán d n trong hệ thống pin mặt tr i làm việc đ c l p 2.2.1 B bi n đ i DC/ DC Bộ biến đổi DC/ DC được sử dụng rộng rãi trong... xạ không đồng nhất), thu t toán P&O sẽ hoạt động chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thu t toán P&O sẽ dò ra điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất (điểm có công suất lớn nhất là điểm C) Luận văn thạc sĩ 11 Lý Công Nguyên Chương 1 Tổng quan  Như căđi măcủaănghiênăc uăP&O Under Partially Shaded Conditions Nhược điểm của phương pháp này là... đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể Luận văn thạc sĩ 20 Lý Công Nguyên Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/ DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/ DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Nhìn chung bộ biến đổi DC/ DC... Luận văn thạc sĩ 9 Lý Công Nguyên Chương 1 Tổng quan Để tải hoạt động ở chế độ maximum công suất PV, ta cần sử dụng bộ converter DC ậ DC linh kiện đóng c t có thể là BJT, MOSFET, IGBT … để thay đổi điện áp và dòng điện đầu ra sao cho đặc tính tải làm việc ngay điểm có công suất lớn nhất V y dòng điện, điện áp ngõ ra như thế nào để đạt được công suất cực đại của PV, điều khiển khoá dòng c t ra sao ? Để... Có nhiều loại bộ biến đổi DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost ậ Buck Cả 3 loại DC - DC trên đều sử dụng nguyên t c đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC - DC được lựa chọn cho thích hợp Khóa điện tử trong mạch DC - DC được điều khiển . 20 2.2.1 Bộ biến đổi DC/ DC 20 2.2.1.1 Các loại bộ biến đổi DC/ DC 21 2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/ DC 26 2.2.2 Bộ biến đổi DC/ AC. 27 2.3 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT. 1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV. Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến đổi DC - AC.  Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn. pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi năng lượng DC ậ DC, DC ậ AC. 1.2 Pin . Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng