TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT 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

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN 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 Công trình được hoàn thành tại: 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 1 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 2 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 3 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 4 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 5 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. 1.4. Bộ biến đổi DC - DC 1.5 . Bộ biến đổi DC-AC 1.6. Kết luận chương 1 Trong chương 1 đã trình bày tổng quan về hệ thống pin mặt trời. Phân tích tổng quan về các hệ thống pin mặt trời, từ đó lựa chọn hệ PV làm việc độc lập có ứng dụng phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT mà cụ thể sẽ chọn phương pháp điều khiển số cho MPPT. 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 ắc quy ta dùng bộ biến đổi DC-DC. Cấu hình bộ biến đổi DC-DC có hệ số biến đổi lớn o in V M 8 15 V    lần, hiệu suất cao 90 đến 94%. Bộ biến đổi đưa điện áp đầu vào 15  30VDC lên 350  400VDC, là đầu vào cho bộ biến đổi DC-AC, 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. 6 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 Đồ thị dòng áp của mạch như hình vẽ 2.3: Hình 2.3. Đồ thị dạng dòng áp. 2.2. Bộ biến đổi nguồn DC - DC tăng áp (Boost Converter) Sơ đồ như hình vẽ 2.4: Hình 2.4. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi nguồn DC – DC tăng áp V in 0 t x T V t 0 t I Lmax i I Lmin 2T L D R + - V o V in Q + C i - 7 Hệ số biến đổi điện áp của Boost Conveter: M = o in V 1 V 1 D   (2-11) Trong đó: D = x s t T ; 0 ≤ D ≤ 1; M > 1 (2-12) Biểu đồ dòng áp trên cuộn L như hình vẽ 2.5: 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 8 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).D M 1 D     (2-26) Hiệu suất đạt tới 97%, điện áp đầu vào 24  38VDC lên 200VDC. Như vậy với sơ đồ mạch 2.13 là phù hợp với mục đích của luận văn. 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 [...]... 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 ’ đã được hoàn thành và đạt được một số kết quả như sau: - Nêu được tổng quan về hệ thống pin mặt trời - Nghiên cứu nguyên lý làm việc của Bộ biến đổi DC-DC với hệ số biến điện áp và hiệu suất cao và lựa chọn bộ biến đổi Boost Converter có cuộn kháng hỗ cảm làm bộ. .. 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 12 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... cuộn kháng hỗ cảm làm bộ biến đổi DC-DC cho hệ thống Từ đó tìm phương pháp điều khiển, thuật toán điều khiển cho hệ thống - Nghiên cứu xây dựng phương pháp dò tìm điểm công suất lớn nhất – MPPT - Xây dựng được mô hình tín hiệu nhỏ biến đổi DC-DC dùng cuộn kháng hỗ cảm - Khảo sát và đánh giá về khả năng làm việc của thiết kế trên cơ sở sử dụng phần mềm MATLAB Có thể cho rằng, luận văn đã hoàn thành các... mạch điều khiển cho hệ thống pin mặt trời có thuật toán tìm điểm làm việc lớn nhất 18 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. .. xây dựng bộ biến đổi DC - DC với hệ số truyền điện áp cao, có nhiều ứng dụng trong thực tế, nhất là đối với các bộ biến đổi cho các bộ nguồn phát từ pin mặt trời 22 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1 Kết luận Sau một thời miệt mài nghiên cứu, tìm hiểu thực tế và thực hiện luận văn, được sự hướng dẫn tận tình của thầy TS Trần Trọng Minh và các thầy, cô trong bộ môn Tự động hóa - Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp... –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 11 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... 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 10 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... 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 Vo * Gc(s)... phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được Pin = Pout (3–4) I in Vo  I o Vin (3–5) Khi đó: Từ 2 công thức (3 – 3) và (3 – 5) ta có: 1 I o 1 D (3–6) Vin V  (1  D) 2 o  (1  D) 2 R tai I in Io (3–7) I in  Suy ra: R in  Hình 3.3 Tổng trở vào Rin 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... 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