Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ANH QUÝ THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa THÁI NGUYÊN, NĂM 2015 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ANH QUÝ THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 60520216 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC TS NGÔ ĐỨC MINH THÁI NGUYÊN, NĂM 2015 Dự đoán đến năm 2025, điện mặt trời nguồn lượng thay nguồn điện truyền thống có ưu điểm dễ lắp đặt Sự quan tâm nhà khoa học lĩnh vực chế tạo pin mặt trời khai thác hệ thống điện có sử dụng pin mặt trời quan tâm nhà làm trị góp phần làm giá thành pin mặt trời giảm xuống, chiếm tỷ trọng ngày lớn ngày thích nghi lưới điện Luận văn với đề tài: “Thiết kế nguồn điện lượng Mặt trời có tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC” xuất phát từ yêu cầu thực tế chế độ làm việc pin mặt trời phụ thuộc vào phụ tải Tìm điểm vận hành tối ưu làm cho lượng từ pin mặt trời lớn nhất, góp phần nâng cao hiệu kinh tế cho dạng nguồn hệ thống điện Mục tiêu, đối tƣợng phạm vi nghiên cứu pin mặt trời áp dụng thuật tốn INC mơ hình lý thuyết nghiên cứu Vấn đề khai thác lượng từ pin mặt trời thời điểm khác ngày nhận nhiều quan tâm nhà khoa học Việc xây dựng hệ thống điều khiển thông qua biến đổi điện tử cơng suất có ý nghĩa khoa học lớn, đảm bảo việc vận hành pin mặt trời điểm tối ưu để đáp ứng cho phụ tải Hơn nữa, đề tài thiết kế mạch điều khiển cho buck DC/DC biến thành sản phẩm thực tiễn làm việc cực đại INC trường ĐH Kỹ thuật Công nghiệp Thực nhiệm vụ cấu trúc luận văn gồm có phần sau: Mở đầu Chương 1: Tổng quan hệ thống khai thác lượng từ pin mặt trời Chương 2: Pin mặt trời vấn đề tìm điểm làm việc cực đại Chương 3: Chế độ làm việc điểm vận hành tối ưu pin mặt trời Chương 4: Thiết kế hệ thống thực nghiệm khai thác pin mặt trời sử dụng thuật toán INC Kết luận kiến nghị Tài liệu tham khảo Phụ lục CHƢƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan hệ nguồn phân tán hệ thống điện Nguồn sơ cấp tạo lượng phổ biến hydrocarbon dựa nhiên liệu hóa thạch Nguồn nhiên liệu làm gia tăng ô nhiễm môi trường tạo nên carbon dioxide làm môi trường ấm lên Tương lai, nguồn nhiên liệu có giới hạn định đáp ứng cho phụ tải ngày tăng Những lý làm thay đổi cách nhìn nhận lượng tái tạo gió, mặt trời, thủy triều, pin nhiên liệu Những nguồn biết đến nguồn lượng xanh thân thiện với mơi trường Nguồn lượng lắp đặt khu dân cư để đáp ứng cho phụ tải tiêu dùng trực tiếp phát vào lưới điện với tên gọi nguồn phân tán DG (Distributed Generation) Trong hệ thống nguồn phân tán, công suất từ nguồn tương đối nhỏ, phân bố nhiều địa điểm khác Hình 1.1 cho thấy phân loại DG theo công nghệ [1-2] Nguồn truyền thống Nguồn phân tán Turbine khí tự nhiên Điện hóa Nguồn phi truyền thống Tích trữ Pin nhiên liệu Ắc quy Bánh đà Năng lượng tái tạo Quang điện Turbine gió a Phân loại DG theo cơng nghệ b Mạng điện phân tán thơng minh Hình 1 Nguồn DG mạng điện phân phân tán thông minh Nguồn phân tán sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch sử dụng khí tự nhiên để cứu trợ cho lưới trường hợp thiếu hụt công suất đáp ứng cho phụ tải chỗ khơng có điện lưới Các nguồn phân tán phi truyền thống nguồn khơng sử dụng nguồn nhiên liệu hóa thạch pin nhiên liệu biến đổi hóa thành điện năng; kho lượng tích trữ phát điện theo yêu cầu ắc quy, bánh đà; nguồn lượng tái tạo quang điện, turbine gió Trong nguồn DG này, thấy nguồn lượng tái tạo sử dụng nguồn lượng vô tận từ mặt trời chuyển động gió Trong lưới điện thông minh, DG thể mạnh đem lại lợi ích lớn như: - Khả dự phịng: thể tính linh hoạt thơng qua khả mở rộng, kích thước vận hành - Độ tin cậy chất lượng điện năng: số đánh giá cho thấy độ tin cậy lưới thấp muốn sử dụng nguồn DG để đạt độ tin cậy chất lượng điện tốt - Hướng tới sử dụng mở rộng mạng điện địa phương: chi phí có liên quan đến việc mở rộng việc truyền tải phân phối giảm cách sử dụng DG - Hỗ trợ lưới: DG hỗ trợ lưới thời điểm có biến động ngẫu nhiên lưới hỏng phần tử lưới mà dẫn đến suy giảm tần số - DG dễ dàng lắp đặt vị trí thời gian ngắn - DG làm giảm tổn thất cơng suất tránh truyền tải công suất đường dây dài - DG giúp trì ổn định hệ thống - Giảm ô nhiễm môi trường - Tăng tuổi thọ thiết bị máy biến áp - DG vận hành nguồn khẩn cấp có cố lưới điện Trong hệ nguồn phân tán, nguồn pin mặt trời có khả phát triển tốt với lợi dễ dàng lắp đặt khu vực đông dân cư, lợi dụng vị trí địa lý đất liền có nhiều nắng để phát điện Sau đây, luận văn giới thiệu dạng khai thác lượng nguồn PV 1.2 Phân loại hệ thống khai thác nguồn PV 1.2.1 Hệ thống cô lập Hình 1.2 cho thấy sử dụng pin mặt trời để hoạt động cho máy bơm nước, nạp điện cho ắc quy phụ tải lân cận khác [1] Máy bơm nước Nguồn PV Bộ điều khiển Phụ tải khác Ắc quy Hình Nguồn PV mạng điện cô lập Trong trường hợp này, điều khiển đóng vai trị kiểm sốt dung lượng nạp cho ắc quy, điều khiển nguồn cung cấp cho máy bơm nước phụ tải khác Ở vùng khơng có điện lưới điện kéo đến đáp ứng cho phần tử riêng lẻ theo yêu cầu tùy chọn Việc sử dụng ắc quy làm cho giá thành hệ thống cao, tuổi thọ hệ thống giảm xuống nên tùy theo yêu cầu đưa thêm ắc quy vào 1.2.2 Hệ thống ghép Nguồn pin mặt trời độc lập thể nhược điểm bị hoàn toàn vào thời điểm khơng có xạ mặt trời Vào thời điểm này, phụ tải yêu cầu cấp điện nên cần phải có nguồn khác thay Lúc sử dụng nguồn thay ghép vào hình 1.3 [1] a PV-diesel nối tiếp b PV diesel chuyển đổi c PV-diesel song song Hình Hệ thống PV ghép Trong hệ thống này, sử dụng kho ắc quy không (thể qua đường thẳng không nối cứng vào chiều) Nguồn diesel nguồn phát điện xoay chiều nối vào chiều thơng qua chỉnh lưu (hình 1.3a), liên kết vào xoay chiều có khóa chuyển đổi (hình 1.3b) nối cứng vào xoay chiều Điều làm cho nguồn PV trở nên thích nghi phụ tải 1.2.3 Nguồn PV kết nối lƣới Đối với nguồn PV kết nối lưới, pin mặt trời liên kết với để tạo công suất đủ lớn Điều thấy hình 1.4 [1] a Bộ nghịch lưu tập trung 10 b Nhiều DC/DC c Nhiều nghịch lưu Hình Nguồn PV kết nối lưới qua biến đổi Có thể dùng DC/DC điểu khiển chế độ làm việc pin mặt trời kết hợp với nghịch lưu (hình 1.4a) Cấu trúc dạng làm giảm khả điều khiển dãy pin mặt trời Khi cơng suất dãy pin khơng q lớn dùng nhiều DC/DC điều khiển cho dãy pin mặt trời kết hợp với nghịch lưu (hình 1.4b) Cấu trúc dạng phù hợp với nhà máy điện mặt trời công suất nhỏ với ưu điểm dễ dàng điều khiển công suất đầu cho dãy pin mặt trời Khi công suất dãy pin tương đối lớn, cần phải sử dụng riêng dãy pin mặt trời DC/DC kết hợp với nghịch lưu kết nối lưới (hình 1.4c) Cấu trúc dạng tỏ phù hợp để điều khiển nhà máy điện mặt trời công suất lớn nhiên lại sử dụng nhiều biến đổi khiến tổn thất cơng suất biến đổi làm vấn đề cần lưu tâm 94 void set_pwm(); void control(); void read_ui(); void read_uaq(); void send_data(); void scan_pmax(); //void check_duty_i(); void check_duty_u(); void tit(char n); void div_number(unsigned int16 number); void delay100us(unsigned int16 time); void delay100us_tit(unsigned int16 time); // #int_rb void ngat_rb()//quet phim dieu khien { if(btn_en){while(btn_en);tit(10);duty_u=0;st_scan_pmax=0;Pmax=0;Pk=0;}; if(btn_me==1){menu++;if(menu>7)menu=0;} tit(1); } #int_timer1 void ngat_timer1() { //1s/100ms=10 if(++cnt_tmr_1>600){cnt_tmr_1=0;}//dem giay if(cnt_tmr_1%50==0)//5s { control(); } if(cnt_tmr_1%300==0)//sau 30s doc U acquy de han che ap sac 95 { //cnt_tmr_1=0; read_Uaq();//doc thong so Uaq if(++cnt_tmr_2>20){++cnt_tmr_2=0;duty_u=0;st_scan_pmax=0;Pmax=0;Pk=0;} } send_data(); if(en_cnt_tmr_At==on)//da nhan nut bat dau tinh At { if(++cnt_tmr_At>9)//sau 1s tinh tong don At { second++; At+=(uv*(iv/100))/10; cnt_tmr_At=0; } } set_timer1(-62500);//set timer1 = 100ms } void main()/////////////////////CHUONG TRINH CHINH///////////////////////////// { setup_chip();//c?i dat chip set_value();//khoi tao cac dai luong set_pwm();//cai dat PWM 25KHz read_Uaq();//doc thong so Uaq read_ui();//doc thong so Uv,Iv,Ur,Ir while(1) { if(st_scan_pmax==0){menu=0;scan_pmax();} //menu 0: hien thi thong tin quyet Pmax 96 if(menu==0) { lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"Dk:%u Pk=%LUW ",duty_u,Pk); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Dm:%u Pm=%LUW ",duty_u_max,Pmax); delay100us(100); } //menu 1: hien thi cai dat Id if(menu==1) { lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"%cId:%UA [0- 20] \n",muiten,id); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc," %c:%UW [0-100] \n",epxilon,exl); delay100us(100); if(btn_up){delay100us(1000);id++;if(id>20)id=0;write_eeprom(0x00,id);tit(1);} if(btn_do){delay100us(1000);id ;if(id>21)id=20;write_eeprom(0x00,id);tit(1);} } //menu 2: hien thi cai dat Exl if(menu==2) { lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc," Id:%UA [0- 20] \n",id); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"%c %c:%UW [0-100] \n",muiten,epxilon,exl); if(btn_up){delay100us(1000);exl++;if(exl>100)exl= 0;write_eeprom(0x01,exl);tit(1);} if(btn_do){delay100us(1000);exl ;if(exl>101)exl=100;write_eeprom(0x01,exl);tit(1);} } //menu 3: hien thi Pk,Pv,Duty_i,Duty_u if(menu==3) { //div_number(Pk); lcd_gotoxy(1,1); 97 printf(lcd_putc,"Pk=%LUW Dk:%u ",Pk,duty_u); //div_number(Pv); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Pv=%LUW Dm:%u ",Pv,duty_u_max); delay100us(100); } //menu 4: hien thi Uv,Iv if(menu==4) { //div_number(iv); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"Iv=%LUmA \n",Iv); //div_number(uv); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Uv= %LUV \n",Uv); delay100us(100); } //menu 5: hien thi Ur,Ir if(menu==5) { //div_number(ir); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"Ir=%LUmA \n",Ir); //div_number(ur); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Ur=%LU.%UV \n",Ur/10,(char)Ur%10); delay100us(100); } //menu 6: hien thi Uaq,Php if(menu==6) { //div_number(uaq); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"Uaq= %LU.%01DV //div_number(Php); \n",Uaq/10,(char)Uaq%10); 98 lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"Php=%LUW \n",Php); delay100us(100); } //menu 7: hien thi Time,At if(menu==7) { //div_number(At); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc,"TIME=%US \n",second); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"A=%LUJ (%u) \n",At,(char)stt_mpt); delay100us(100); if(btn_up){while(btn_up);en_cnt_tmr_At=off;second=0;tit(1);} if(btn_do){while(btn_do);en_cnt_tmr_At=on ;At=0;tit(1);} } read_ui();//doc thong so Uv,Iv,Ur,Ir //send_data();//gui du lieu len may tinh //delay100us(5000); }//ket thuc While(1); }//ket thuc main void setup_chip() { //DINH HUONG VAO RA set_tris_a(0x0f); set_tris_b(0xff); set_tris_c(0x80); //set_tris_d(0x00); set_tris_e(0b000); 99 //THIET LAP NGAT// enable_interrupts(global); //NGAT TOAN CUC enable_interrupts(INT_RB); //NGAT RB //enable_interrupts(INT_RDA);//NGAT TRUYEN THONG //Thiet lap ADC// setup_adc_ports(All_ANALOG); setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL); //Thiet lap Timer1= 100ms //enable_interrupts(INT_TIMER1); setup_timer_1(T1_INTERNAL|T1_DIV_BY_8); set_timer1(0);//set_timer1(-62500);//=100ms=100ms disable_interrupts(INT_TIMER1); //setup_comparator(NC_NC_NC_NC); //////////////////////////////// lcd_init(); led_lcd=on; tit(5); lcd_gotoxy(1,1); printf(lcd_putc," POWER CONTROL \n"); lcd_gotoxy(1,2); printf(lcd_putc,"System checking!\n"); //!for(i=1;i Thuat toan tim MPT { duty_u++;check_duty_u();set_pwm1_duty(duty_u); read_ui(); if(Pk>(Pv+exl)){Pv=Pk;Pmax=Pv;}//neu Pnew>Pold cap nhap Pold; else { 104 duty_u ;check_duty_u();set_pwm1_duty(duty_u); //neu khong thi tra lai pwm cu if(duty_u==0)//neu pwm ve den ma Pk khong tang ve gia tri cu { Pmax=0;Pk=0; st_scan_pmax=0; tit(1); } } } } //6.reset if(Pk=Pr)Php=Pv-Pr;//tinh ton hao nang luong else Php=0; } void scan_pmax() { disable_interrupts(INT_TIMER1); menu=0; duty_u++; check_duty_u(); set_pwm1_duty(duty_u); delay100us(5000); read_ui(); if(Ir>(long)Id*1000){duty_u_max=duty_u;stt_mpt=0;goto ok;}//khi Ir>Idat if(duty_u>=200&&Pmax>0) //khi scan xong && khong co Ir>Idat { stt_mpt=1; ok: st_scan_pmax=1; 105 duty_u=duty_u_max;//goc mo dieu dong sac set_pwm1_duty(duty_u); menu=3; cnt_tmr_1=0; cnt_tmr_2=0; enable_interrupts(INT_TIMER1); } } void send_data() { if(++cnt_sdt>9)cnt_sdt=0; switch(cnt_sdt) { case 0:printf("a%05Lu\r",Uv);break; case 1:printf("b%05Lu\r",Iv);break; case 2:printf("c%05Lu\r",Pk);break; case 3:printf("d%05Lu\r",Ur);break; case 4:printf("e%05Lu\r",Ir);break; case 5:printf("f%05Lu\r",Pr);break; case 6:printf("g%05Lu\r",Uaq);break; case 7:printf("h%05Lu\r",irr);break; case 8:printf("i%05Lu\r",temp);break; case 9:printf("j%05Lu\r",Pv);break; default :printf("z00000\r");break; } } void delay100us(unsigned int16 time) { char cnt; while(time>0) { for(cnt=0;cnt0;n ) { speaker = on; delay100us_tit(400); speaker = off; delay100us_tit(200); } } void delay100us_tit(unsigned int16 time) { char cnt; while(time>0) { for(cnt=0;cnt201)duty_u=0; if(duty_u>200)duty_u=200; } 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Muhamad H.Rashid, Power Electronics Handbook, Academic Press Series in Engineering, International Standard Book Number: 0-12-581650-2, 2001 [2] Igor Cvetkovic, Modeling, Analysis and Design of Renewable Energy Nanogrid Systems, luận văn thạc sĩ kỹ thuật, học viện Virginia Polytechnic, 2010 [3] Gurhan Ertasgin, Low-Cost Current-Source 1-ph Photovoltaic Grid-Connected Inverter, luận án tiến sĩ kỹ thuật trường đại học Adelaide, 2010 [4] Abir Chatterjee, Modeling and Control of Photovoltaic Generation Station, luận án tiến sĩ kỹ thuật trường đại học Ohio, 2012 [5] V.Karthick, R.Govindarajulu, A Single-Phase Bidirectional Inverter with Two Buck/Boost MPPTs for DC- Distribution Applications, International Journal of Engineering Trends and Technology (IJETT) – Volume 10 Number - April 2014 [6] Lý Ngọc Thắng, Nghiên cứu thiết kế hệ thống tự động thích ứng với vị trí mặt trời nhằm nâng cao hiệu sử dụng thiết bị dùng lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu khoa học công nghệ, Viện lượng, 2013 [7] S.Zahra Mirbagheri, Saad Mekhilef, S Mohsen Mirhassani, MPPT with Inc.Cond method using conventional interleaved boost converter, Energy Procedia 00 (201311) 000–000 [8] Sangyoung Park, Yanzhi Wang, Younghyun Kim, Naehyuck Chang and Massoud Pedram, Battery Management for Grid-Connected PV Systems with a Battery, ISLPED’12, July 30–August 1, 2012, Redondo Beach, CA, USA [9] Neha Adhikari, Bhim Singh, A.L.Vyas, Design and Control of Small Power Standalone Solar PV Energy System, Asian Power Electronics Journal, Vol 6, No 1, Oct 2012 [10] http://www.mathworks.com/help/physmod/sps/powersys/ref/battery.html [11] Shen Guo, The Application of Genetic Algorithms to Parameter Estimation in Lead-Acid Battery Equivalent Circuit Models, luận văn thạc sĩ kỹ thuật, University of Birmingham, May 2010 ...2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP NGUYỄN ANH QUÝ THIẾT KẾ NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CÓ BỘ TỰ ĐỘNG CHỌN ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI ÁP DỤNG THUẬT TOÁN INC Chuyên... pin mặt trời giảm xuống, chiếm tỷ trọng ngày lớn ngày thích nghi lưới điện Luận văn với đề tài: ? ?Thiết kế nguồn điện lượng Mặt trời có tự động chọn điểm làm việc cực đại áp dụng thuật toán INC? ??... vấn đề tìm điểm làm việc cực đại Chương 3: Chế độ làm việc điểm vận hành tối ưu pin mặt trời Chương 4: Thiết kế hệ thống thực nghiệm khai thác pin mặt trời sử dụng thuật toán INC Kết luận kiến