Điều khiển tối ưu công suất phát của một hệ nhiều pin quang điện (1)

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 TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – 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 nội dung: • Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với tải cố định (tải trở) • Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán đặc tính pin quang điện • Các biến đổi DC/DC • Phương pháp 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 hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS HUỲNH CHÂU DUY i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn xin phép cảm ơn Tất thông tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực 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 nghiên cứu Đây luận văn đánh dấu cuối trình học cao học Để có kết hôm nay, nhận giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn, quan tâm số đồng nghiệp bạn bè Qua xin phép 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 môn Hệ Thống Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, người thầy hết lòng bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn kinh nghiệm nghiên cứu suốt thời gian học tập thực 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 tất Quí Thầy, Cô Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM giảng dạy, trang bị cho kiến thức bổ ích qúy báu suốt trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người giành tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ khuyến khích để vượt qua khó khăn suốt trình thực luận văn Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Nai tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho nhiều trình học tập, công tác suốt thời gian thực luận văn Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014 Người thực Nguyễn Thị Bích Hạnh iii TÓM TẮT Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm làm việc có công suất cực đại pin quang điện (MPPT) đáp ứng điều kiện môi trường thay đổi Từ đó, đề xuất thuật toán phân chia vùng làm việc đường đặc tuyến V-P 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 pin quang điện vùng nhanh chóng đưa pin vào làm việc điểm cực đại thông qua việc điều chỉnh độ rộng xung mạch Boost Kết mô cho thấy thuật toán đề xuất tìm điểm công suất cực đại nhanh hơn, ổn định khắc phục số nhược điểm thuật toán P&O, INC thuật toán điện áp 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 DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ x Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề .1 1.2 Tính cần thiết 1.3 Tình hình nhận định giới 1.4 Dự báo tương lai 1.5 Mục tiêu đề tài 1.6 Nội dung nghiên cứu .6 1.7 Phạm vi nghiên cứu đề tài .7 1.8 Nội dung luận văn 1.9 Kết luận Chương 10 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 sử dụng lượng mặt trời giới Việt Nam 10 2.3 Tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam 15 2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 17 2.4.1 Tình hình nghiên cứu giới .17 2.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 20 2.5 Kết luận .24 vi Chương 25 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .25 3.1 Cấu tạo pin quang điện 25 3.2 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 28 3.3 Mô hình toán pin quang điện 29 3.4 Đặc tuyến V-I, V-P 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 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 pin quang điện (MPP - Maximum Power Point) 47 3.8 Hệ nhiều pin quang điện 51 3.8.1 Phương pháp ghép nối tiếp pin quang điện .51 3.8.2 Phương pháp ghép song song pin quang điện 52 3.9 Kết luận .54 Chương 56 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 pin quang điện (MPPT Maximum Power Point Tracking) .57 4.1.1 Thuật toán nhiễu loạn 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 số 63 4.2 Phương pháp điều khiển MPPT 65 4.2.1 Phương pháp điều khiển PI 65 79 5.2 Kết mô thuật toán Kết mô thuật toán đề xuất với thuật toán P&O, INC, điện áp số xét trường hợp sau Trường hợp 1: Công suất (W) Nhiệt độ T = 250C xạ mặt trời G = 1kW/m2 Thuật toán đề xuất Thuật toán P&O Hình 5.9 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Công suất (W) Thời gian (s) Thuật toán đề xuất Thuật toán INC Hình 5.10 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán INC Thời gian (s) Công suất (W) 80 Thuật toán đề xuất Thuật toán U=const Hình 5.11 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất ThờiU=const gian (s) thuật toán Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu nhiệt độ 25 0C xạ 1kW/m2, ta thấy thuật toán đề xuất có thời gian hội tụ công suất nhanh thuật toán P&O, INC điện áp số Thời gian hội tụ thuật toán đề xuất 0.3s, thuật toán P&O, INC điện áp số có thời gian hội tụ 0.9s Trường hợp 2: Bức xạ G = 1kW/m2 thay đổi nhiệt độ T = 25 0C, T = 300C, T = 350C, T = 400C Nhiệt độ (0C) 81 Công suất (W) Hình 5.12 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C Thời gian (s) Thuật toán đề xuất Thuật toán P&O Hình 5.13 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Thời gian (s) Công suất (W) 82 Thuật toán đề xuất Thuật toán INC Hình 5.14 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán INC Công suất (W) Thời gian (s) Thuật toán đề xuất Thuật toán U=const Hình 5.15 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất Thời (s) thuật toángian U=const 83 Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu nhiệt độ thay đổi từ 250C lên 300C, 350C, 400C xạ 1kW/m2, ta thấy thuật toán đề xuất có thời gian hội tụ công suất nhanh thuật toán P&O, INC công suất đạt lớn ổn định thuật toán điện áp số Trường hợp 3: Nhiệt độ T = 250C xạ mặt trời thay đổi với giá trị G = Bức xạ (kW/m2) 0.25kW/m2, G = 0.5kW/m2, G = 0.75kW/m2, G =1kW/m2 Hình 5.16 Biểu đồ thay đổi xạ từ Thời2,gian (s) 0.25kW/m2 lên 0.5kW/m 0.75kW/m , 1kW/m2 Công suất (W) 84 Thuật toán đề xuất Thuật toán P&O Hình 5.17 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Công suất (W) Thời gian (s) Thuật toán đề xuất Thuật toán INC Hình 5.18 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán INC Thời gian (s) Thời gian (s) Công suất (W) 85 Thuật toán đề xuất Thuật toán U=const Hình 5.19 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất Thời gian (s) thuật toán U=const Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu xạ thay đổi từ 0.25kW/m2 lên 5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 nhiệt độ 250C, ta thấy thuật toán đề xuất có thời gian hội tụ nhanh hơn, công suất đạt cao ổn định thuật toán P&O, INC thuật toán điện áp số Công suất thời điểm từ đến giây thuật toán đề xuất có giá trị 30W, từ đến giây có giá trị 58W Trong thời điểm thuật toán P&O, INC điện áp số đạt công suất trung bình 10W 50W Trường hợp 4: Thay đổi đồng thời nhiệt độ xạ (nhiệt độ T = 250C, T = 300C, T = 350C, T = 400C xạ G = 0.25kW/m2, G = 0.5kW/m2, G = 0.75kW/m2, G =1kW/m2) Nhiệt độ (0C) 86 Hình 5.20 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C Bức xạ (kW/m ) Thời gian (s) Hình 5.21 Biểu đồ thay đổi xạ từ Thời gian (s) 0.25kW/m2 lên 0.5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 Công suất (W) 87 Thuật toán đề xuất Thuật toán P&O Hình 5.22 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Công suất (W) Thời gian (s) Thuật toán đề xuất Thuật toán INC Hình 5.23 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất thuật toán INC Thời gian (s) Thời gian (s) Công suất (W) 88 Thuật toán đề xuất Thuật toán U=const Hình 5.24 Thời gian, công suất thu thuật toán đề xuất Thời gian (s) thuật toán U=const Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu theo thời gian xạ thay đổi từ 0.25kW/m2 lên 0.5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 nhiệt độ thay đổi từ 250C lên 300C, 350C, 400C Ta thấy, thuật toán đề xuất có thời gian hội tụ nhanh hơn, công suất đạt cao ổn định thuật toán P&O, INC thuật toán điện áp số Công suất thời điểm từ đến giây thuật toán đề xuất có giá trị 30W, từ đến giây có giá trị 57W Trong thời điểm thuật toán P&O, INC điện áp số có công suất trung bình 10W 48W 89 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN TRONG TƯƠNG LAI 6.1 Kết luận Mô hình pin quang điện xây dựng Matlab/Simulink với hàm có sẵn thư viện Quá trình mô hoạt động pin quang điện dựa sản phẩm pin quang điện thực tế P618-80W Mô hình xây dựng Matlab/Simulink khảo sát với tham số đầu vào xạ mặt trời nhiệt độ vận hành pin quang điện, đầu đặc tuyến V-I, V-P, đặc tuyến công suất theo thời gian pin điều kiện nhiệt độ xạ thay đổi Mô hình pin quang điện đề xuất xây dựng cách trực quan giúp khảo sát chi tiết đặc điểm đại lượng thành phần có pin quang điện mô tả pin quang điện dạng vật lý giúp hỗ trợ nghiên cứu vấn đề liên quan đến chuyển đổi công suất hay nâng cao hiệu suất làm việc pin quang điện Đề tài nghiên cứu số giải thuật MPPT ứng dụng rộng rãi nay, bao gồm giải thuật P&O, INC điện áp số Trong đó, giải thuật INC điện áp số hai giải thuật phổ biến tính đơn giản hiệu việc tìm điểm công suất cực đại MPP pin quang điện Tuy nhiên, điều kiện môi trường thay đổi nhanh, hai giải thuật có hạn chế việc tìm điểm MPP Để khắc phục điểm yếu giải thuật INC điện dẫn gia tăng lớn làm cho hệ thống hoạt động không xác điểm MPP bị dao động Đề tài đề xuất phương pháp kết hợp hai giải thuật INC điện áp số Khi kết hợp hai giải thuật giới hạn vùng tìm điện áp MPP cách lựa chọn K nằm khoảng 73-80% 90 tìm MPP vùng thỏa mãn điều kiện 0.73V oc < VMPP < 0.8Voc Lúc ấy, muốn tăng hay giảm điện áp ta cần giảm tăng Duty Kết mô Matlab & Simulink cho thấy giải thuật đề xuất tìm điểm MPP pin quang điện nhanh công suất ổn định giải thuật INC điện áp số Đồng thời, giải thuật đề xuất khắc phục mặt hạn chế giải thuật INC điện áp số việc tìm điểm MPP 6.2 Hướng phát triển tương lai Thực mô tương tự điều kiện xét đến tượng bóng dâm Nâng cao hiệu suất MPPT thông qua việc cải tiến biến đổi DC/DC Tích hợp MPPT hệ thống pin quang điện làm việc độc lập (nạp cho acquy) hệ thống pin quang điện hòa lưới 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.eia.gov/oiaf/ieo/pdf/world.pdf [2] Mukund R.Patel, Ph.D., P.E “ Wind and Solar Power Systems” [3] PGS.TS Đặng Đình Thống - Pin mặt trời ứng dụng- Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] http://dienmattroi24h.com/cuong-do-buc-xa-nang-luong-mat-troi-tai-cac-khu- vuc-cua-viet-nam/a263286.html [5] http://www.sef.org.vn/detail.asp?mnz=618&Languageid=0&id=592 [6]http://www.dost.danang.gov.vn/index.php? option=com_content&view=article&id=4005&catid=51:tin-v-thanh-tu-khoa-hccong-ngh&Itemid=53 [7] http://thvl.vn/?p=275129 [8] Theodoros L Kottas, Athanassios D Karlis, “New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks” IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL 21, NO 3, SEPTEMBER 2006 [9] J Surya Kumari, Ch Sai Babu “Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic System” International Journal of Advances in Engineering & Technology, Nov 2011 [10] Kenji Kobayashi, Ichiro Takano, Yoshio Sawada, “A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions” Available online 28 August 2006 [11] Kei Irisawa, Takeshi Saito, Ichiro Takano, and Yoshio Sawad, “Maximum Power Point Tracking Control of Photovoltaic Generation System under NonUniform Irradiance by Means of Monitoring Cells”, Photovoltaic Specialists 92 Conference, 1707-1710, Sept 2000 [12] K.H Hussein, and I Muta, “Maximum Photovoltaic Power Tracking: An Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions”, IEEE Proceedings on Generation, Transmission, and Distribution, Vol 142, No.1, pp.59-64, January 1995 [13] E Koutroulis, K Kalaitzakis and N.C Voulgaris, “Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system”, IEEE Trans Power Electronics, Vol.16, No.1, pp.46- 54, January 2001 [14] Ali M Bazzi, Student Member, IEEE, and Sami H Karaki, Member “Simulation of a New Maximum Power Point Tracking Technique for Multiple Photovoltaic Arrays”, IEEE [15] S Sheik Mohammed “Modeling and Simulation of Photovoltaic module using MATLAB/Simulink” [16] D.P Hohm and M.E Ropp “ Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms” PHỤ LỤC Bảng thông số pin quang điện công ty Mặt trời đỏ Redsun 93 ... Chương 56 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 pin quang điện (MPPT Maximum Power Point... điểm công suất cực đại (MPPT) pin quang điện hay hệ nhiều pin quang điện kết nối lại, điều kiện pin quang điện bị che phần Đối với pin quang điện, áp dụng kỹ thuật leo đồi P&O, INC hay điện áp... 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 :