Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)

Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời. (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGHUYÊN *** LÊ TIÊN PHONG NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHAI THÁC NGUỒN PIN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển Tự động hóa Mã số: 62 52 02 16 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN - NĂM 2017 C6ng trinh dugc hodn thdnh t4i: Trulng D?i hgc Ki thuft cdng nghiQp- Dai hgc Thrli Nguy6n Ngudi hucmgd6nkhoa hgc 1: PGS.TS.Nguy6n Vdn Li6n Ngudi hucrngd6nkhoahog,2:PGS.TS.Ngd Dric Minh PhAnbiQndQclap I : Ph6nbiQndQclqp 2: PhAnbi6n1: PhAnbiQn2: Phin biQn3: Lupn6n sEdugc b6ovo tru6c HQid6ngchAmlufln 6n c6pTruong Hsptpi: r r\ r ), Vao hor gio ngdy thdng n6m COttrOtim hi6ulu6n6ntai: Thu viQnTrulng Dpi hgc K! thuft cdngnghiQp- EHTN Trungt6mhgc liQu- Dai hoc ThfuiNguy6n Thu vi6nQudcgia DANH MỤC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC CĨ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CƠNG BỐ Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh (2014), “Research on Designing an Energy Management System for Isolated Photovoltaic Source”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Thái Ngun, ISSN 1859-2171, tập 117, số 13 Ngô Minh Đức, Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh (2015), “Nghiên cứu điều khiển biến đổi điện tử công suất khai thác nguồn pin mặt trời mơ hình thiết bị thực”, Tạp chí Khoa học Cơng nghệ, Đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, Tập 132, số 02 Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh, Nguyễn Văn Liễn (2015), “A New Method to Identify Maximum Power Point for Photovoltaic Generation”, Hội thảo quốc tế IEEE ComManTel 2015 tổ chức Đà Nẵng IEEE Xplore, ISBN: 978-14673-6547-5 Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh, Nguyễn Văn Liễn (2016), “Một phương pháp điều khiển nâng cao khả khai thác nguồn pin mặt trời”, Hội nghị toàn quốc lần thứ Cơ điện tử - VCM 2016 tổ chức Cần Thơ, ISBN: 9781-4673-6547-5 Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh, Nguyễn Văn Liễn (March 2017), “Improving Efficiency and Response for Photovoltaic Power Generation with DC/DC Buck Converter”, International Journal of Engineering Research and Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Vol 6, Issue -1- MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài: Hiện nay, có nhiều nghiên cứu tìm điểm cơng suất cực đại (MPP) cho nguồn pin mặt trời (PVg) Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu giải cách trọn vẹn vấn đề khai thác tối đa công suất điều kiện vận hành dựa mơ hình đầy đủ PVg, qua chưa đánh giá hiệu lượng thực đầy đủ, xác q trình khai thác PVg Nguyên nhân điều trước thiết bị đo công suất xạ mặt trời (G), nhiệt độ T lớp tiếp giáp p-n chưa thực phổ biến, chưa phù hợp với chủng loại PVg, giá thành cao Đặc biệt, mô hình tốn học PVg phục vụ cho q trình mơ hình hóa, mơ phỏng, thực nghiệm chưa nhận quan tâm giải triệt để Bởi tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu số phương pháp nâng cao hiệu khai thác nguồn pin mặt trời" nhằm hoàn thiện vấn đề bỏ ngỏ chưa quan tâm đầy đủ kể Mục đích nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu hồn thiện mơ hình tốn học cho PVg xây dựng giải pháp giúp xác định xác thơng số điểm cơng suất cực đại (MPP), qua thiết lập biện pháp điều khiển khai thác tối đa công suất PVg điều kiện vận hành có xét tới thay đổi ngẫu nhiên (G, T) Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu cấu trúc hệ thống khai thác PVg làm từ chất bán dẫn cấu trúc tinh thể mạng điện phân tán công suất vừa nhỏ Phạm vi nghiên cứu cell PVg đồng làm việc điều kiện hoàn toàn giống Trọng tâm nghiên cứu luận án: Nghiên cứu áp dụng phương pháp Newton-Raphson xác định thông số ẩn cho PVg Đề xuất áp dụng kỹ thuật IB (dò chia đơi) để xác định thông số MPP xây dựng mối quan hệ hệ số đặc trưng n với nhiệt độ T lớp tiếp giáp p-n Kết hợp kỹ thuật IB bám điểm công suất cực đại (MPPT) với kỹ thuật điều khiển trượt (SMC) kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình (AVC) để điều khiển BBĐ DC/DC buck BBĐ DC/DC boost nhằm đạt mục tiêu bám đuổi MPP thời điểm, qua nâng cao hiệu khai thác lượng từ PVg Thực việc điều khiển khai thác tối đa công suất thu từ PVg phát vào lưới điện Xây dựng cấu trúc mô hệ thống Matlab để kiểm chứng kết nghiên cứu lý thuyết, đồng thời kết hợp cho cài đặt điều khiển mơ hình thiết bị thực Phương pháp nghiên cứu: Phân tích hệ thống xác định đặc thù đối tượng nghiên cứu thông qua nhiều cách tiếp cận Lựa chọn xây dựng công cụ tốn học cần thiết cho nghiên cứu Lựa chọn cơng cụ đánh giá kiểm chứng kết nghiên cứu, cụ thể là: Mơ hình hóa mơ phần mềm Matlab cài đặt thử nghiệm thuật toán điều khiển mơ hình thiết bị thực Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài: - Ý nghĩa khoa học đề tài hồn thiện mơ hình tốn học cho cấu trúc PVg bất kỳ, xây dựng giải toán xác định xác thơng số MPP điều kiện vận hành thực tế, qua thiết lập biện pháp điều khiển giúp khai thác hồn tồn cơng suất điều kiện vận hành với giá trị (G, T) - Ý nghĩa thực tiễn xây dựng mơ hình tốn đầy đủ PVg bổ sung cho tài liệu, sách, đồng thời làm sở cho nghiên cứu chuyên sâu lĩnh vực điều khiển khai thác loại nguồn Hơn nữa, đề tài đem lại kinh nghiệm cài đặt điều khiển hệ thống khai thác PVg nói riêng dạng nguồn phân tán sử dụng lượng tái tạo khác nói chung -2- CHƯƠNG TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát nguồn pin mặt trời 1.2 Cấu trúc chung hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời 1.3 Tình hình nghiên cứu giới nước pin mặt trời 1.4 Một số vấn đề tồn đề xuất hướng giải 1.4.1 Một số vấn đề tồn • Vấn đề vận hành MPP tồn nhược điểm, cụ thể: - Kỹ thuật CV tương đối phù hợp vận hành PVg gần điều kiện vận hành tiêu chuẩn (STC) - Kỹ thuật Temp tương đối phù hợp mức G cao (gần với Gstc=1000 W/m2) - Kỹ thuật OG sử dụng thông tin (G, T) cần cung cấp đầy đủ thông số chủng loại PVg Sử dụng kỹ thuật tính lặp, việc tính tốn thơng số MPP gặp nhiều khó khăn thiếu xác phải sử dụng mơ hình tốn học giản lược PVg (lược bớt thành phần dòng điện vế phương trình mơ tả PVg để giảm bớt tính đa biến), việc xác định dấu độ lớn độ dốc gặp nhiều khó khăn - Kỹ thuật P&O, INC ESC không tồn trạng thái vận hành ổn định thơng tin có từ thiết bị đo lường dao động khiến cho điều khiển ln tìm điểm làm việc ln gây tổn hao công suất mạch Hơn nữa, độ tổn hao công suất sử dụng kỹ thuật điều kiện vận hành thực tế phụ thuộc vào bước nhảy độ rộng xung ∆d nên không thực khai thác hết lượng PVg - Kỹ thuật ANN sử dụng thông tin (G, T) với chất áp dụng kỹ thuật điều khiển MPPT nên phải dùng máy tính tốc độ cao, nhớ lớn, nhiều thời gian để thu thập nhiều mẫu giá trị, đánh giá thử nghiệm, huấn luyện đặc biệt cho cấu trúc PVg sử dụng Kỹ thuật ANN, FL kết hợp với kỹ thuật P&O để giảm tổn hao cơng suất thơng qua q trình theo dõi thay đổi ∆d gần MPP thường khơng có ý nghĩa thực tiễn giá trị G thực tế không thực giữ ổn định nên PVg làm việc trạng thái dao động - Kỹ thuật OV SC gây dao động mạch, gây mát lượng khoảng thời gian gây hở mạch ngắn mạch điều khiển thích ứng trở lại - Giải pháp tiếp cận MPP sử dụng kỹ thuật SMC MPPT chưa đánh giá chất PVg coi tổng trở tải không đổi hoặc chưa đưa giải pháp xác định thông tin công suất MPP để đánh giá điểm dừng chế độ trượt Giải pháp kết hợp kỹ thuật SMC với kỹ thuật P&O ESC giữ nhược điểm kỹ thuật P&O Các phân tích cho thấy có nhiều nghiên cứu tập trung vào vấn đề tìm MPP có nhiều cách tiếp cận MPP từ nhiều hướng khác Mặc dù hầu hết kỹ thuật đưa nhận định MPP theo thời gian thực vận hành thực tế phân loại kỹ thuật chưa thống chất dạng kỹ thuật Vì vậy, luận án đề xuất phân chia kỹ thuật thành nhóm kỹ thuật offline nhóm kỹ thuật online Nhóm thứ kỹ thuật offline, bao gồm kỹ thuật Temp, OG, ANN, CV Đặc điểm chung nhóm kỹ thuật đưa dự đốn MPP trước đưa tín hiệu điều khiển để BBĐ đưa PVg chế độ vận hành mong muốn cần phải cung cấp thông số PVg cho điều khiển Cho đến thời điểm -3- tại, nhóm kỹ thuật tồn nhược điểm chưa khắc phục xác điều kiện vận hành gần với STC (G=Gstc=1000 W/m2, T=Tstc=250C) nhiều thời gian để điều khiển thích ứng với chủng loại PVg sử dụng Nhóm thứ hai kỹ thuật online, bao gồm OV, CV, P&O, INC, trọng lượng điểm, ESC, ANN, FL kết hợp P&O Đặc điểm chung nhóm kỹ thuật chủ động can thiệp vào mạch xung điều khiển để thử phản ứng PVg đưa dự đoán MPP Để thực hiện, kỹ thuật không cần cung cấp đầy đủ thông số PVg, dễ thực chủ yếu dựa thơng tin dòng điện, điện áp tức thời đầu PVg Nhược điểm chủ yếu nhóm kỹ thuật tạo dao động mạch, gây tổn thất lượng nên khai thác toàn lượng PVg điều kiện vận hành khác • Vấn đề mơ hình hóa PVg: Vấn đề tồn bên cạnh tìm MPP nhà sản xuất khơng cơng bố đầy đủ thông số panel Hơn nữa, PVg lại thường có cấu trúc ghép nhiều panel với khiến cho thơng số mơ hình toán học cấu trúc ghép yếu tố ẩn Những tham số ẩn khiến việc thực mơ hình hóa, mơ PVg thiếu xác khơng đánh giá tồn diện phản ứng PVg điều kiện vận hành khác Giá trị thơng số ẩn dòng quang điện Iph, điện áp nhiệt lớp tiếp giáp Vt, điện trở nối tiếp RS, điện trở song song Rp, dòng quang điện bão hòa I0 STC đề xuất xác định phương pháp GaussSeidel phương pháp Newton-Raphson Riêng hệ số đặc trưng n diode lại không xác định thường nhà nghiên cứu điều khiển bỏ qua khiến cho việc xác định MPP khó khăn khơng xác 1.4.2 Tiếp cận vấn đề Phân tích kỹ thuật online cách chi tiết cho thấy nguyên nhân việc phải dò tìm điểm làm việc để phán đốn MPP không đánh giá thay đổi biến đầu vào (G, T) Bên cạnh đó, xem xét vấn đề tìm MPP góc nhìn khác, kỹ thuật Temp, OG hay ANN có sử dụng thơng tin (G, T) tồn nhược điểm riêng đưa ý tưởng tốt để vận hành PVg Ý tưởng ấn định lượng điều khiển phù hợp với thay đổi (G, T) giúp khắc phục yếu tố đặc điểm dễ dao động PVg, tránh gây hao hụt cơng suất mạch Trong đó, kỹ thuật ANN sử dụng thông tin (G, T) giá trị có ý nghĩa xây dựng lịch sử vận hành đối tượng PVg Mặt khác, kỹ thuật OG đưa ý tưởng sử dụng mô hình tốn học xác PVg phải lược bỏ bớt thành phần phi tuyến, chưa xây dựng phương pháp luận để xác định hệ số ước lượng nghiệm khiến việc xác định MPP gặp nhiều khó khăn phải dụng thơng tin (G, T), T thông tin nhiệt độ môi trường Tamb có nhờ sử dụng cảm biến đo nhiệt độ (TempS) Những nhận định cho thấy PVg giống loại nguồn điện khác, muốn khai thác tối đa cơng suất phải xác định xác MPP điều kiện vận hành tương ứng với cặp giá trị (G, T) phù hợp với loại PVg sử dụng để cung cấp cho điều khiển Lý trước ý tưởng chưa nhà nghiên cứu tập trung gặp phải hạn chế vấn đề mơ hình tốn học mô tả PVg bị hạn chế thiết bị cần phải sử dụng PYR (Pyranometer) có dải bước sóng xạ mặt trời đo phù hợp với dải bước sóng xạ mặt trời mà PVg hấp thụ cách lấy thông tin T Với thông tin G, thị trường có nhiều loại PYR với nhiều dải bước sóng hấp thụ giá thành khác Trong PYR-BTA hãng Vernier có dải bước sóng hấp thụ từ (380 ÷ 1140) nm phù hợp với PVg làm từ chất bán dẫn có giá vài triệu Với thơng tin T, sử dụng TempS gắn mặt sau PVg thông tin -4- T có từ TempS q trình truyền nhiệt từ panel PVg vào TempS Cách thực đo nhiệt cung cấp thơng tin T xác chịu ảnh hưởng nhiệt từ xạ mặt trời 1.4.3 Đề xuất hướng giải Bài toán vận hành PVg MPP sử dụng hệ thống có khả hấp thụ công suất không giới hạn kho điện lưới điện Bản chất toán hợp hai toán: đưa nhận định MPP sử dụng kỹ thuật điều khiển để đưa PVg vận hành MPP Với mục tiêu nâng cao hiệu khai thác PVg, cụ thể xây dựng phương pháp luận cụ thể để cải tiến MPPT thiết lập giải pháp điều khiển, luận án tập trung vào số vấn đề sau: - Giải vấn đề xác định thông số ẩn PVg với việc áp dụng phương pháp Newton-Raphson Trên sở đó, đề xuất kỹ thuật offline mới, kỹ thuật IB (dò chia đơi) để xác định xác thơng số MPP, qua cung cấp thơng tin cho điều khiển Đồng thời, hồn thiện mơ hình tốn cho PVg thơng qua đề xuất sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để xây dựng hàm n(T) giúp nâng cao tính xác cho MPPT đề xuất điều kiện vận hành - Xây dựng hai phương pháp điều khiển IB-SMC IB-AVC (kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật SMC AVC) áp dụng cho BBĐ DC/DC buck BBĐ DC/DC boost giúp nâng cao hiệu khai thác lượng PVg Hơn nữa, luận án tiến hành mô so sánh phương pháp điều khiển đề xuất với vài phương pháp điều khiển sử dụng kỹ thuật tìm MPP truyền thống CV, OV, Temp, P&O dựa tiêu chí hiệu lượng Đồng thời, thông qua mô phỏng, luận án đánh giá khả áp dụng vào thực tế phương pháp IB-SMC phương pháp IB-AVC để áp dụng cho toán điều khiển kết nối lưới thực nghiệm 1.5 Kết luận chương • Đúc kết từ tài liệu tham khảo chọn lọc, chương vấn đề thiếu nghiên cứu PVg sau: Giá trị tham số mô hình tốn PVg khơng nhà sản xuất cơng bố đầy đủ, thông số MPP (Vmpp, Impp, Pmpp) điều kiện vận hành tương ứng với cặp giá trị khác (G, T) cell PVg hồn tồn giống khơng xác định xác Biện pháp điều khiển đưa điểm vận hành thời PVg điểm vận hành mong muốn (MPP) chưa thống có nhiều biện pháp sử dụng tồn nhược điểm • Dựa phân tích vấn đề thiếu, chương thực giải vấn đề sau: Xây dựng giải pháp xác định tham số ẩn cho cấu trúc PVg bất kỳ; xây dựng mơ hình tốn học đầy đủ, nhận dạng xác MPP cho PVg điều kiện vận hành bất kỳ; xây dựng cấu trúc điều khiển theo mơ hình tốn học xác PVg cho BBĐ DC/DC BBĐ DC/AC có kết nối lưới; kiểm chứng kết nghiên cứu phần mềm Matlab mơ hình thiết bị thực CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI 2.1 Mơ hình tốn học nguồn pin mặt trời Sơ đồ thay PVg thường sử dụng mơ hình mạch điện diode hình 2.1 -5A Iph + - + Ip Id Diode ipv RS vpv Rp Hình 2.1 Sơ đồ mạch tương đương PVg   v pv + i pv R S   v pv + i pv R S Áp dụng định luật Kirchhoff nút A: i pv = Iph − I0 exp   − 1 − nVt Rp     Công suất tức thời phát từ PVg: (2.6) p pv = v pv i pv Với panel PVg, nhà sản xuất cung cấp datasheet cho biết giá trị điện áp hở mạch VOC, dòng điện ngắn mạch ISC, thông số MPP STC, hệ số thay đổi điện áp, dòng điện, cơng suất theo T số đồ thị biểu diễn thay đổi cơng suất theo G T=250C Vì vậy, khơng xét đến n (coi n=1) mơ hình tốn học PVg ln ln tồn thơng số ẩn Iph, I0, Vt, RS, Rp Các thông số ẩn đo phòng thí nghiệm không công bố rộng rãi sản phẩm thương mại Điều khiến cho công tác mô hình hóa, mơ để đánh giá xác hoạt động PVg trước lắp đặt thực tế gặp nhiều khó khăn Vì vậy, cần phải xây dựng phương pháp luận để xác định giá trị thông số ẩn cho cấu trúc PVg 2.2 Xây dựng giải pháp nhận dạng thông số ẩn cho pin mặt trời điều kiện vận hành tiêu chuẩn 2.2.1 Nêu vấn đề: Giải toán xác định thơng số ẩn PVg STC giải hệ phương trình phi tuyến với ẩn số RS, Rp, I0, Iph, Vt (n=1 STC) thành lập đủ phương trình có chứa ẩn điểm đặc biệt điểm hở mạch, điểm ngắn mạch MPP đường đặc tính vpv-ipv, vpv-ppv 2.2.2 Thiết lập phương trình điểm đặc biệt điều kiện tiêu chuẩn 2.2.2.1 Phương trình thiết lập điểm ngắn mạch  I R   I R ISC = I ph − I0 exp  SC S  − 1 − SC S , Rp  Vt    I0 Vt  RS  I R  R  − 1 exp SC S  + S2 =  Rp   Vt  R p   2.2.1.2 Phương trình thiết lập MPP   Vmpp + I mpp R S   Vmpp + I mpp R s  − 1 − I mpp = I ph − I exp Vt Rp      Vmpp + I mpp R S  I0 exp  +  Vt Vt  Vmpp + I mpp R S   Vmpp + I mpp R S   Rp − Vmpp = I ph − I0 exp   − 1 − Vt Rp  Vmpp + I mpp R S  R S I R     + S exp  + Vt Vt   Rp 2.2.2.3 Phương trình thiết lập điểm hở mạch  V   V I ph − I exp OC  − 1 − OC =   Vt   R p 2.2.3 Phương pháp xác định thông số ẩn 2.2.4 Xây dựng thuật toán xác định thông số ẩn -6 x1  I ph  a1  ISC   x  I  a   V  OC      A= = X =  x  = Vt   V   a3 mpp          x R  4  S a  I mpp        x  R p  Ký hiệu biến tham số: Nội dung thuật toán Newton-Raphson áp dụng xác định thơng số ẩn mơ tả hình 2.6 Start Nhập giá trị Vmpp, Impp, ISC, VOC, ε STC i=0 Nhập giá trị ban đầu thông số ẩn X (0) Tính Fk (X (i +1) ) Tính ma trận J J-1 X(i+1) = X(i) − J −1 × Fk (X(i) ) i=i+1 Fk (X (i +1) ) ∆Fk = Fk (X (i +1) ) − Fk (X (i) ) ∆Fk < ε Stop In kết Hình 2.6 Thuật tốn Newton-Raphson xác định thơng số ẩn PVg Hàm số Fk (k=1÷5) thuật tốn Newton-Raphson xác định sau: a +a x  a +a x F1 = x1 − x exp  4  + x − 4 − a = 0, x3 x5   a  a = F3 x exp   + −= x − x1 ,  x3  x5 a x  ax F2 = x1 − x exp   + x − − a1 = , x5  x3  F5 =  a1x  x x2  x4   − 1 exp  + = x3  x5   x3  x5 a +a x  x2 exp  4  +  x3 x3  a3 + a 4x4   a3 + a 4x4   x5 F4 = x1 − x exp  − a3 =  − 1 − x3 x5  a3 + a 4x4  x4 x2x4     1+ exp  + x3 x3   x5 Điểm khởi đầu gần nghiệm thực q trình hội tụ thuật tốn Newton-Raphson nhanh xác Với panel PVg, thơng số ẩn thường biến thiên khoảng giá trị xác định: RS có giá trị khoảng vài mΩ; Rp khoảng vài kΩ; Iph xấp xỉ ISC; Vt cỡ vài V; I0 nhỏ, cỡ 10-7 đến 10-9 A Đây gợi ý cho việc thiết lập giá trị khởi đầu nghiệm cần tìm 2.2.6 Áp dụng xác định thông số ẩn cho số loại pin mặt trời Xét hai panel PVg chủng loại MF165EB3 SV-55 Từ thông số datasheet nhà sản xuất cung cấp, kết tính tốn thơng số ẩn nhờ áp dụng thuật tốn Newton-Raphson cho bảng 2.2 -7- Bảng 2.2 Kết tính tốn thơng số ẩn PVg STC Loại PVg MF165EB3 (Mitsubishi) SV-55 (Schott-Germany) Thông số ISC = 7.36 A, VOC = 30.4V, Vmpp=24.2 V, ISC = 3.25 A, VOC = 18.4V, Vmpp=18.4 V, biết Impp=6.83 A, CTI=0.057%/ C, Impp=3.06 A, CTI=4.7mA/0C, CTV=-0.346%/0C, CTP=-0.458%/0C; CTV=-0.743mV/0C, CTP=-0.451%/0C Thơng số tính Iph=7.3616 A, I0=1.03x10-7 A, Vt=1.681 V, Iph= 3.2502 A, I0=1.623x10-8 A, Vt=1.141 toán RS = 0.251 Ω, Rp = 1172.1 Ω V, RS = 0.151 Ω, Rp = 1675.9 Ω Các kết thu cho thấy phương pháp Newton-Raphson vận dụng công cụ hiệu giúp xác định thông số ẩn cho chủng loại, cấu trúc PVg 2.3 Giải pháp nhận dạng xác điểm công suất cực đại cho nguồn pin mặt trời 2.3.1 Nội dung giải pháp đề xuất MPP cực trị hàm ppv(vpv) đỉnh đường đặc tính vpv-ppv thơng số MPP lại khơng thể xác định dppv/dvpv=0 tính phức tạp (2.6) Vì vậy, kỹ thuật IB đề xuất áp dụng nhằm xác định xác thơng số MPP để giảm khối lượng tính tốn mà đảm bảo độ xác mơ hình tốn học cho PVg Bản chất kỹ thuật IB dò cặp điểm (vpv(i), ipv(i)) đường đặc tính vpv-ipv để suy vị trí cặp điểm đường đặc tính vpv-ppv tương ứng với thời điểm lấy mẫu (G, T) nên việc xác định thông số MPP phân chia thành hai trình: Quá trình 1: Xác định cặp giá trị tương ứng vpv(i) với ipv(i) bước tính thứ i nhờ kỹ thuật tính lặp mơ tả hình 2.7 Độ xác tương ứng vpv(i) ipv(i) phụ thuộc vào độ xác thơng số ẩn bước tính ∆I Start Bước tính thứ i điện áp Giá trị vpv(i) Xác định ISC j=1 Ij = j∆I j=j+1 Ij < ISC S Đ   v pv + I jR s  f1 (I j ) = I ph − I0 exp   Vt    (i) S (i)   + I jR s  v  − 1 − pv   Rp   f(Ij) – Ij < ε Đ (i) ipv = Ij In kết (vpv(i), ipv(i)) Stop Hình 2.7 Thuật tốn xác định cặp giá trị tương ứng vpv(i) với ipv(i) -10- n(T)SV −55 = 1− 91 (T − Tstc ) + (T − Tstc ) 10000 20000 Hàm n(T) xác định giúp tăng độ xác xác định MPP mơ tả tốn học PVg 2.4.3 Mơ hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời Q trình mơ hình hóa đầy đủ cho PVg điều kiện vận hành khác đặc trưng cặp giá trị (G, T) mô tả hình 2.18 Đo lường Datasheet PVg Thuật toán NewtonRaphson G T CTV CTI VOC ISC Vmpp Impp STC Vt Iph RS Rp I0 STC Sử dụng công thức quy đổi Iph I0 Phương hành Vt trình Nguồn n(T) để quy đổi Rp (2.6) dòng giá trị tham RS số từ STC giá Giá trị trị thời vận hành điều kiện vận ipv vpv thời Hình 2.18 Mơ hình hóa đầy đủ PVg Một điều đáng lưu ý việc mơ hình hóa đầy đủ, xác định xác thơng số MPP áp dụng hệ thống có quy mơ cơng suất lắp đặt PVg mức vừa nhỏ Nguyên nhân điều nhằm tránh làm việc không đồng cell PVg điều kiện vận hành thực tế 2.5 Kết luận chương Các kết nghiên cứu chương đạt mục tiêu đề ra, cụ thể là: • Xây dựng thành cơng tốn xác định thơng số ẩn cho cấu trúc PVg nhờ vận dụng phương pháp Newton-Raphson • Xây dựng kỹ thuật IB cho tốn xác định xác thơng số MPP: kỹ thuật dò xác định cặp (vpv(i), ipv(i)) đường cong vpv-ipv kỹ thuật chia đôi để tìm điểm có cơng suất lớn Với kỹ thuật IB, nhóm kỹ thuật offline bổ sung thêm giải pháp tìm MPP với độ xác cao giảm khối lượng tính tốn • Xây dựng giải pháp xác định mối quan hệ n T: hàm số n(T) xác định dựa kết hợp phương pháp bình phương cực tiểu với công thức kinh nghiệm biến thiên thông số theo (G, T), datasheet nhà sản xuất kết kỹ thuật IB Giải pháp giúp mơ hình hóa đầy đủ cho cấu trúc PVg trở nên rõ ràng kết tìm MPP điều kiện vận hành xác Các kết nghiên cứu giúp xây dựng phương pháp luận khoa học cho tốn xác định xác thơng số MPP sử dụng thông tin từ PYR TempS điều kiện vận hành Đồng thời, kết tính tốn MPP sử dụng để cung cấp thông tin cho điều khiển chương -11- CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI THEO MƠ HÌNH ĐẦY ĐỦ 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống Cấu trúc hệ thống điều khiển PVg thông qua BBĐ DC/DC BBĐ DC/AC mơ tả hình 3.1 Mặt trời Điều khiển phía PVg Điều khiển phía lưới DCbus DC DC PVg PYR G vpv ipv MBA L DC AC CS1 CS2 ~ Lưới điện TempS iL, iC Đo lường T ug Vdc Bộ điều khiển phía PVg mref MPPT (kỹ thuật IB) Bộ điều khiển phía lưới θ ig PLL Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển khai thác PVg theo mơ hình đầy đủ Khối MPPT thực tính tốn để đưa giá trị mref tương ứng với MPP Tùy theo loại kỹ thuật điều khiển SMC hay AVC mà mref Pmpp Vmpp Nhiệm vụ điều khiển phía PVg đưa tồn cơng suất MPP DCbus Nhiệm vụ khối điều khiển phía lưới điều khiển giữ điện áp DCbus giá trị khơng đổi, hòa đồng với lưới phát công suất từ DCbus vào lưới 3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển mơ tả tốn học biến đổi 3.3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại nguồn pin mặt trời theo mơ hình đầy đủ trạng thái vận hành 3.3.1 Phương pháp IB-SMC 3.3.1.1 Nguyên lý chung phương pháp IB-SMC Phương pháp IB-SMC kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật SMC để điều khiển BBĐ DC/DC Thông qua việc lựa chọn mặt trượt, tín hiệu điều khiển tương đương ueq xác định để thiết lập xung điều khiển CS1 gửi đến SW đặt BBĐ DC/DC nhằm di chuyển điểm vận hành thời đến đích mref mong muốn (MPP mới) Cấu trúc điều khiển theo phương pháp IB-SMC mơ tả hình 3.9 BBĐ DC/DC PVg vpv ipv G T mref MPPT (kỹ thuật IB) iC Mặt trượt h=0 Cpv Bộ điều khiển ueq IB-SMC SW CS1 DCbus Bộ phát xung Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển PVg theo phương pháp IB-SMC Việc lựa chọn mặt trượt phải vào đặc điểm BBĐ DC/DC để ueq phải có chứa mối tương quan ipv/iL với BBĐ DC/DC buck phải có chứa mối tương quan (Vdc – vpv)/Vdc với BBĐ DC/DC boost Tương ứng với khác mặt trượt lựa chọn, thông tin mref trích xuất từ MPPT khác Cụ thể, mref chọn Pmpp với BBĐ DC/DC buck Vmpp với BBĐ DC/DC boost Khi kết hợp -12- kỹ thuật SMC với kỹ thuật IB, giá trị vận hành mong muốn (tại MPP) xác định trước coi không đổi trình đưa điểm vận hành thời MPP Đây khác biệt phương pháp IB-SMC với kết hợp kỹ thuật SMC kỹ thuật tìm MPP trước 3.3.1.2 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck Mặt trượt: h = x 2i pv − Pmpp + K a iC = đó: Pmpp cơng suất MPP cần đạt đến thời điểm xét, ipv hàm x2, Ka (W/A) đại lượng đánh giá độ trượt công suất theo dòng điện có ảnh hưởng đến dải trễ đường đặc tính cơng suất Tín hiệu điều khiển tương đương: u eq = i pv  ∂i pv  i pv + x1 Cpv  ∂x   Vdc R dc  x1  +  + Ka   Ldc Ldc   ∂i pv  x1  x2  i pv + x1  + Ka Cpv  Ldc ∂x  3.3.1.3 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost Mặt trượt: h = K b (x − Vmpp ) + K ciC = đó: Vmpp cơng suất MPP cần đạt đến thời điểm xét, ipv hàm x2, Kb số thực đặc trưng cho dải trễ điện áp phát từ PVg, Kc (V/A) đại lượng đánh giá độ trượt điện áp theo dòng điện Tín hiệu điều khiển tương đương: u eq (t) = Vdc − x Ldc  K b di pv  i pv − x1 + +   Vdc Vdc  K c dx  C pv 3.3.1.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC Giá trị hệ số Ka, Kb, Kc có ảnh hưởng đến q trình trượt từ điểm vận hành điểm vận hành khác, thiết lập vùng ổn định vùng lân cận mặt trượt hạn chế tượng chattering để quỹ đạo di chuyển điểm vận hành thỏa mãn ≤ |h| ≤ δ (giá trị +δ tạo đường biên h+ -δ tạo đường biên h-) Trong đó, giá trị Ka Kb phải phụ thuộc vào G để đường biên có dạng cong vùng lân cận mặt trượt có xu hướng hẹp lại G có giá trị nhỏ mơ tả hình 3.10 δδ p h+ h+ hv a Mặt phẳng v-p δ i δ h- v b Mặt phẳng v-i Hình 3.10 Dạng quỹ đạo trượt MPP điều khiển theo phương pháp IB-SMC Trong đó: Đường màu nâu biểu diễn mặt trượt, đường màu xanh biểu diễn đường biên h+ h-, đường mũi tên màu đỏ biểu diễn trình di chuyển điểm làm việc điểm làm việc Với phân tích trên, MPPT sử dụng kỹ thuật IB cung cấp thơng tin xác đích cần đạt đến (thông số MPP) để điều khiển sử dụng kỹ thuật SMC chuyển trạng thái vận hành BBĐ DC/DC buck, BBĐ DC/DC boost tương ứng với điểm vận hành mong muốn PVg, qua giúp khai thác công suất MPP đưa đến DCbus Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-SMC mô tả hình 3.11 -13- 3.3.1.5 Mơ đánh giá phương pháp IB-SMC Start Mô thực Matlab/Simulink với Đo G, T T=40 C Panel PVg sử dụng MF165EB3 Thông số MPPT (Kỹ thuật IB) BBĐ: Cuộn cảm (Rdc=0.5Ω, Ldc=0.008 H), Cpv=0.001 F với Thông số MPP (Vmpp, Pmpp) BBĐ DC/DC buck Cpv=0.0001 F với BBĐ DC/DC boost, tần số đóng cắt: fS=50 kHz Điện áp DCbus: Vdc= 12 V (với Xác định ueq (Kỹ thuật SMC) BBĐ DC/DC buck) Vdc= 48 V (với BBĐ DC/DC boost) Gửi xung điều khiển đến SW Tham số cho điều khiển IB-SMC ứng với BBĐ DC/DC buck Đo vpv, ipv Tính ppv=vpvipv Ka= -0.05xG/Gstc BBĐ DC/DC boost Kb= -0.183xG/Gstc, Kc= -1 S h=0 Đ Điện thu từ PVg khoảng (0÷t): t Duy trì ueq(t)=ueqref h=0 A(t) = ∫ p pv (t)dt Tiếp tục thực (cài đặt thời gian) Điện mong muốn thu khoảng (0÷t): t A mpp (t) = ∫ Pmpp (t)dt S Có thay đổi G, T Hình 3.11 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC Hiệu lượng khoảng thời gian (0÷t): A(t) 100% A mpp (t) 1000 G (W/m2) H% = Stop Đ Đ S 950 900 850 800 Kết mô đáp ứng PVg áp dụng toàn lượng PVg thời điểm (hiệu lượng 99.83% với BBĐ DC/DC buck BBĐ DC/DC 1.5 Thoi gian (s) 2.5 160 140 120 IB-SMC BBD DC/DC buck phương pháp IB-SMC khai thác gần hoàn a Sự biến thiên G phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck DC/DC boost mô tả hình 3.16 Kết cho thấy 0.5 A(t)=3x136 Ws 100 80 p pv (t) Pmpp(t) A(t) 60 40 20 boost) 0 0.5 3.3.2 Phương pháp IB-AVC 1.5 Thoi gian (s) 2.5 b BBĐ DC/DC buck 160 3.3.2.1 Nguyên lý chung phương pháp IB-AVC đưa vpv từ trạng thái vận hành Vmpp Cấu trúc điều khiển theo phương pháp IB-AVC mô tả hình 3.17 IB-SMC BBD DC/DC boost Phương pháp IB-AVC sử dụng kỹ thuật AVC để 140 120 A(t)=3x136 Ws 100 80 ppv(t) Pmpp(t) A(t) 60 40 20 0 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 c BBĐ DC/DC boost Hình 3.16 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC BBĐ DC/DC SW Cuộn cảm DCbus vpv CS iL Bộ điều Bộ điều Vmpp d Bộ phát iLref khiển khiển xung + + điện áp dòng điện Hình 3.17 Mạch vòng điều khiển PVg theo phương pháp IB-AVC PVg -14- Cấu trúc mạch vòng dòng điện, mạch vòng điện áp mơ tả hình 3.18 iLref + Gci(s) - d GPWM(s) Gid(s) iL Vmpp + Gcv(s) - Gfi(s) vpv Gvi(s) Gk(s) Gfv(s) a Cấu trúc mạch vòng dòng điện b Cấu trúc mạch vòng điện áp Hình 3.18 Cấu trúc mạch vòng dòng điện mạch vòng điện áp điều khiển BBĐ DC/DC 3.3.2.2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck K Bộ điều khiển Gci cho mạch vòng dòng điện: G= K ip + ii đó: K ip = ci Ldc , 2Vmpp TS Bộ điều khiển Gcv cho mạch vòng điện áp: Cpv Vmpp s K vi G= cv K vp + s đó: K vp = 5Vdc TS K ii = , K vi = R dc 2Vmpp TS Vmpp 5Vdc TS R eq với R = eq R p + R S 3.3.2.3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost K Bộ điều khiển Gci cho mạch vòng dòng điện: G= K ip + ii ci s K Bộ điều khiển Gcv cho mạch vòng điện áp: G= K vp + vi cv s đó: K = Ldc , K = R dc ip ii 2Vdc TS 2Vdc TS Cpv 5TS R eq đó: K vp = 3.3.2.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC Trong điều kiện vận hành thay đổi (G, T), thông số điều khiển thay đổi theo nên điều khiển thích 5TS , K vi = Start Đo G, T nghi Hằng số thời gian mạch vòng dòng điện Ti=Ldc/Rdc MPPT (Thuật tốn IB) mạch vòng điện áp Tv=CpvReq Trong đó, Req PVg từ cỡ panel trở lên nhận giá trị kΩ, Ldc thường nhận giá trị Vmpp, Impp (10-2 ÷ 10-3) H, Rdc nhận giá trị cỡ từ 10-2 đến vài Ω Đồng thời Req Đo vpv có xu hướng tăng G giảm Như vậy, dễ dàng lựa chọn Bộ điều khiển IB-AVC thông số mạch để giá trị Ti đảm bảo nhỏ Tv |Vmpp-vpv|>ε Đ điều kiện vận hành (hằng số thời gian mạch vòng ngồi lớn mạch vòng trong) Phân tích cho thấy việc thiết kế điều khiển đáp ứng yêu cầu kỹ thuật Duy trì vpv=Vmpp S sử dụng cấu trúc hai mạch vòng xếp chồng Chiến lược điều Tiếp tục thực (cài đặt thời gian) khiển theo phương pháp IB-AVC mô tả hình 3.20 3.3.2.5 Kết mơ phương pháp IB-AVC Sử dụng PVg loại MF165EB3, kết mô mơ Đ Đ Có thay đổi G, T S S Stop S Hình 3.20 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC tả hình 3.24 Các kết mơ cho thấy ppv(t) ln bám Pmpp(t) thời điểm khơng có biến thiên G (duy trì ổn định tĩnh) thời điểm có tăng, giảm G (đảm bảo ổn định động) trình vận hành PVg Với hai BBĐ, phương pháp IB-AVC giúp khai thác gần hoàn toàn lượng PVg (99.9% với hai loại BBĐ DC/DC buck boost) -15- 3.3.3 So sánh hiệu lượng khả ứng dụng Các kết mô cho thấy MPPT sử dụng G (W/m2) 1000 kỹ thuật tìm MPP trước (CV, Temp, P&O, OV) 800 IB-AVC BBD DC/DC buck 100 A(t)=3x136.2 Ws 80 p pv (t) Pmpp(t) A(t) 60 40 20 0 0.5 xác PVg với chủ động việc xác định lượng gần tương đương Điều cho thấy hiệu khai thác lượng từ PVg phụ thuộc vào kỹ thuật tìm MPP mà không phụ thuộc vào loại kỹ thuật điều khiển loại BBĐ sử dụng 1.5 Thoi gian (s) 2.5 160 140 IB-AVC BBD DC/DC boost phương pháp IB-SMC IB-AVC cho hiệu b BBĐ DC/DC buck biến thiên mức lượng đầu vào nhờ PYR AVC giúp nâng cao khả khai thác PVg, 120 tìm MPP trước có kết hợp mơ hình kỹ thuật IB MPPT kết hợp với kỹ thuật SMC 2.5 1.5 Thoi gian (s) 140 kiện vận hành (G, T) cao kỹ thuật TempS Điều cho thấy giải pháp điều khiển sử dụng 160 thể chất kỹ thuật tìm MPP lượng cao (gần tuyệt đối) điều 0.5 a Sự biến thiên G lượng cao G gần với Gstc T gần với Tstc Điều thời, MPPT sử dụng kỹ thuật IB cho cho hiệu 900 850 bộc lộ nhược điểm đạt hiệu truyền thống phân tích chương Đồng 950 120 A(t)=3x136.2 Ws 100 80 ppv(t) Pmpp(t) A(t) 60 40 20 0 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 c BBĐ DC/DC boost Hình 3.24 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC Kỹ thuật SMC yêu cầu độ xác cao thiết bị đo lường để có thơng tin xác dòng điện tức thời iC giá trị (G, T) ứng dụng thực tế gặp phải số vấn đề bất cập như: sai số giới hạn thiết bị đo lường, độ trễ thời gian thu thập xử lý thơng tin Các vấn đề khắc phục giải pháp kỹ thuật cao khiến cho giá thành toàn hệ thống tăng lên nhiều Khi vấn đề kỹ thuật giá thành khắc phục, kỹ thuật SMC áp dụng rộng rãi hệ thống khai thác PVg Trong đó, việc điều khiển đưa điện áp đầu vào BBĐ DC/DC giá trị đặt kỹ thuật AVC thực đơn giản hơn, có dao động xung quanh giá trị đặt với biên độ nhỏ dao động tương đồng với cách thức hoạt động PVg vpv ln có xu hướng dao động dù có tương tác nhỏ tải thay đổi (do trình chuyển mạch SW gây nên) Hơn nữa, giá trị Vmpp không thay đổi nhiều (G, T) có sai lệch định gây sai số thiết bị đo lường tính tốn MPPT Các phân tích cho thấy điều khiển phía PVg sử dụng kỹ thuật AVC thường lựa chọn nhiều so với kỹ thuật SMC ứng dụng thực tế Trong luận án này, kỹ thuật AVC tiếp tục sử dụng để điều khiển PVg cho toán ghép nối lưới thực nghiệm 3.4 Điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời 3.4.1 Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới áp dụng luận án có dạng kinh điển mơ tả hình 3.31 -16Vdc Vdcref ig Bộ điều igref khiển điện áp + + - Bộ điều khiển uref Bộ điều chế dòng điện xung điều khiển CS2 Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển phía lưới 3.4.2 Mơ hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời PVg có cấu trúc ghép nối tiếp 15 panel MF165EB3 thành array ghép song song 16 array Thông số BBĐ DC/DC boost: Rdc=0.1Ω, Ldc=0.02H, Cpv=10-3 F Thông số DCbus: Cdc=5x10-3 F, Vdc=804 V Tần số đóng cắt: fS=50 kHz Thơng số MBA: SđmBA= 40 kVA, RBA = 0.00019 Ω, LBA = 8.84x10-4 H Bộ lọc: Rlọc= 0.0001 Ω, Llọc= 4.5x10-4 H Thông số G T xét mục 3.3 Thông số điều khiển BBĐ DC/AC: Kii=1.825, Kip=0.83 với điều khiển dòng điện; Kui=66.1, Kup=2.68 với điều khiển điện áp Kết mô đường đặc tính cơng suất biểu diễn hình 3.35 hình 3.38 45 40 35 30 30 25 Cong suat Cong suat (kW) va dien nang A(t) (kWs) 40 35 A(t)=3x32.54 kWs 20 ppv(t) Pmpp(t) A(t) 15 20 Pinv (kW) Qinv (kVAr) ppv(kW) 15 10 10 25 0 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 Hình 3.35 Đặc tính ppv(t), Pmpp(t), A(t) 0.5 1.5 Thoi gian (s) 2.5 Hình 3.38 Đặc tính ppv(t) cơng suất phát vào lưới Kết mơ hình 3.35 cho thấy đường ppv(t) bám đường Pmpp(t) gần tức thời có biến động G (đảm bảo khả ổn định động) trì vận hành MPP khơng có biến thiên G (đảm bảo khả ổn định tĩnh) Quá trình vận hành kịch xét thu 99.9% lượng từ PVg chứng tỏ kết hợp tốt trình điều khiển BBĐ DC/DC DC/AC để hấp thụ hết công suất từ PVg phát vào lưới Trong 0.13s hình 3.38, BBĐ DC/AC có vai trò hấp thụ cơng suất từ lưới để nạp cho Cdc đưa Vdc giá trị đặt Vì vậy, Vdc chưa đạt giá trị đặt cuộn cảm BBĐ DC/DC có vai trò tích trữ toàn lượng từ PVg Sau Vdc vào ổn định, cuộn cảm giải phóng lượng khiến đường Pinv(t) cao ppv(t) khoảng thời gian 0.1s, đồng thời Cdc giải phóng lượng tích lũy khiến đường Qinv(t) phải sau 1s vào ổn định Kết mơ dòng điện iinv điện áp uinv pha A đầu BBĐ DC/AC thời điểm 1s 2s biểu diễn hình 3.39 hình 3.40 Các kết mơ cho thấy dòng điện điện áp phát có dạng sin chuẩn, dòng điện ln chậm pha điện áp có biên độ tăng G tăng (thời điểm 1s) biên độ giảm G giảm (thời điểm 2s) 400 400 300 Dong dien va dien ap dau BBD DC/AC Dong dien va dien ap dau BBD DC/AC 300 200 60 -60 -200 -300 -400 0.9 Dien ap pha A (V) Dong dien pha A (A) 0.92 0.94 200 60 -60 -200 -300 0.96 0.98 1.02 1.04 1.06 Thoi gian (s) Hình 3.39 Dòng điện iinv điện áp uinv đầu BBĐ DC/AC thời điểm 1s 1.08 1.1 -400 1.9 Dien ap pha A (V) Dong dien pha A (A) 1.92 1.94 1.96 1.98 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1 Thoi gian (s) Hình 3.40 Dòng điện iinv điện áp uinv đầu BBĐ DC/AC thời điểm 2s Các kết mô cho thấy THD iinv chiếm 0.31% uinv chiếm 0.37% Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE1547 quy định cho việc ghép nối PVg vào mạng điện phân tán, hàm lượng THD iinv uinv nhỏ nhiều so với quy định (5% 3%) Điều cho thấy việc xây dựng điều khiển đáp ứng yêu cầu khai thác lượng từ PVg yêu cầu ghép nối lưới -17- 3.5 Kết luận chương Dựa mơ hình đầy đủ nhận dạng xác thơng số MPP PVg xây dựng chương 2, kết nghiên cứu chương đạt mục tiêu đề ra: • Xây dựng cấu trúc điều khiển kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật SMC AVC để điều khiển chế độ làm việc cho PVg, gọi phương pháp IB-SMC phương pháp IB-AVC Các phương pháp IB-SMC IB-AVC đem lại góc nhìn khác cách giải vấn đề khác biệt so với phương pháp trước vấn đề điều khiển thiết kế điều khiển muốn thực mục tiêu khai thác tối đa khả phát công suất PVg điều kiện vận hành Việc thực mô cho panel MF165EB3 sử dụng kỹ thuật IB MPPT cho thấy rõ hiệu lượng cao hơn hẳn cho với các kỹ thuật tìm MPP trước Đồng thời, kết mô phương pháp IB-SMC phương pháp IB-AVC cho hiệu lượng tương đồng gần tuyệt đối, trì cơng suất MPP thời điểm (khả đáp ứng tĩnh động tốt) Điều cho thấy hiệu lượng có phụ thuộc chủ yếu vào kỹ thuật tìm MPP không phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật điều khiển hay loại BBĐ DC/DC sử dụng Điều cho phép lựa chọn phương pháp điều khiển dễ thực hơn, giá thành thấp cho đối tượng PVg Phân tích kỹ cho thấy phương pháp IB-SMC yêu cầu cao độ xác thiết bị đo lường, giá thành cao khiến cho khả đưa vào ứng dụng thực tế bị hạn chế so với phương pháp IB-AVC • Với việc kết hợp với phương pháp điều khiển IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost, điều khiển ghép nối lưới áp dụng cho BBĐ DC/AC xây dựng với vai trò giữ ổn định điện áp DCbus, liên kết DCbus với lưới điện phát công suất từ PVg phát vào lưới Nghiên cứu áp dụng để xây dựng cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho hệ thống khai thác lượng từ PVg kết nối lưới pha Thực mô cho cấu trúc PVg ghép, kết mô cho thấy hiệu lượng khả ứng dụng vào thực tế theo mơ hình xác kết hợp phương pháp IB-AVC để điều khiển phía PVg cấu trúc điều khiển phía lưới tốn kết nối lưới CHƯƠNG KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MƠ HÌNH THIẾT BỊ THỰC 4.1 Xây dựng mơ hình cấu trúc thiết bị thực Mơ hình thiết bị thực xây dựng để đánh giá số kết chọn lọc đạt luận án bao gồm hai hệ thống riêng biệt với cấu trúc mô tả hình 4.1, hệ thống sử dụng kỹ thuật tìm MPP truyền thống CV, Temp P&O MPPT hệ thống sử dụng kỹ thuật IB MPPT Mặt trời DCbus + + SWt2 BBĐ SV-55 TempS - PYR T G Rt DC/DC vpv ipv - CSt iaq Hệ thống 1: CV, Temp P&O Hệ thống 2: Kỹ thuật IB it Ắc quy Vdc Hình 4.1 Mơ hình thiết bị thực 4.2 Các thiết bị Cách thức lắp đặt, đấu nối cài đặt thiết bị mơ hình thực mơ tả hình 4.6 -18Tải động Hai mạch lực mạch điều khiển Máy tính để giám sát/thu thập thông số tức thời để vẽ đồ thị a Đấu nối thiết bị cài đặt Ắc quy b Chi tiết mạch lực, mạch điều khiển, ắc quy, tải, máy tính Panel SV-55 PYR TempS đo nhiệt độ panel SV-55 c Panel SV-55, TempS, PYR Hình 4.6 Các thiết bị mơ hình thực 4.3 Phương thức vận hành mơ hình thiết bị thực Phương thức vận hành mơ hình thiết bị thực mơ tả hình 4.10 Bộ điều khiển giữ MPPT (kỹ thuật Vmpp vpv=Vmpp điều CV, Temp, P&O) khiển tải động Chip xử lý ATMega328P ipv A/D vpv Tính Apv Cáp nối máy tính với mainboard - Hiển thị tất thông số đo thời gian thực - Vẽ đồ thị G, T, Pmpp, Vmpp, ppv, vpv, ipv T A/D Chip xử lý MCP 3008 CS1 BBĐ DC/DC Đo vpv, ipv, idc, it Vdc Máy tính điều khiển /giám sát - Gửi thông tin khởi chạy mainboard, chọn kỹ thuật tìm MPP để vận hành - Bắt đầu hay kết thúc tính Apv, Ampp đến chip xử lý ATMega328P - Thiết lập giá trị điện áp DCbus kích hoạt tải động Cáp nối máy tính với mainboard Chip xử lý MAX 232 Chuyển đổi giao thức truyền thơng Tính Ampp G Tải động Mainboard hệ thống Chuyển đổi giao thức truyền thông Chip xử lý MAX 232 Mainboard hệ thống CSt1 Pmpp Tính Apv ipv vpv A/D Bộ điều khiển giữ vpv=Vmpp điều Vmpp khiển tải động Chip xử lý ATMega328P MPPT (kỹ thuật IB) Đo vpv, ipv, idc, it Vdc CS2 BBĐ DC/DC CSt2 Tải động Hình 4.10 Phương thức vận hành mơ hình thiết bị thực -19- 4.4 Kết thực nghiệm 4.4.1 Kiểm chứng tính xác giải pháp đề xuất Để kiểm chứng tính xác giải pháp đề xuất thông qua biện pháp điều khiển giữ vpv giá trị Vmpp MPPT sử dụng kỹ thuật IB cung cấp, thực lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm A1 khoảng thời gian từ 12h40’30” đến 12h43’30 ngày 22/04/2017 A2 khoảng thời gian từ 13h24’10” đến 13h27’10” ngày 22/04/2017 Kết thực nghiệm biểu diễn hình 4.11 Đồ thị G, T Đồ thị Pmpp, ppv Đồ thị Vmpp, vpv, ipv a Lần lấy mẫu A1 b Lần lấy mẫu A2 Hình 4.11 Kiểm chứng tính xác điểm luận án Hai lần lấy mẫu A1 A2 cho thấy G có thời điểm G tăng, giảm đơn biến thiên mạnh Kết hình 4.11 cho thấy đường ppv, vpv vận hành thực tế gần trùng khớp với Pmpp(t), Vmpp(t) MPPT tính tốn (chỉ có đơi chút dao động với độ lệch nhỏ ảnh hưởng -20- trễ, sai số đo lường tính tốn) Sự trùng khớp đại lượng tính tốn với đại lượng vận hành phát từ PVg chứng minh thực nghiệm đắn thuật toán Newton-Raphson tìm thơng số ẩn PVg, thuật tốn IB tìm MPP, hàm số n(T) hệ phương trình quy đổi thông số từ STC điều kiện vận hành kỹ thuật AVC có khả giúp khai thác tối đa công suất thực PVg 4.4.2 Đánh giá hiệu lượng giải pháp đề xuất Để đánh giá hiệu lượng giải pháp đề xuất, hiệu suất H% xác định thông qua lần lấy mẫu tương ứng với cặp kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O (∆d=0.2%), kỹ thuật CV với kỹ thuật Temp Thời gian lần lấy mẫu phút Điện áp DCbus giữ giá trị 12V • So sánh kỹ thuật IB kỹ thuật P&O (∆d=0.2%): Thực lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm B1 khoảng thời gian từ 10h07’20” đến 10h10’20” ngày 14/04/2017 B2 khoảng thời gian từ 11h25’30” đến 11h28’30” ngày 22/04/2017 Kết thực nghiệm biểu diễn hình 4.12 Đồ thị G, T Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật IB Đồ thị Pmpp , ppv tương ứng với kỹ thuật P&O a Lần lấy mẫu B1 b Lần lấy mẫu B2 Hình 4.12 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O -21- Hiệu lượng (đánh giá điện thu từ PVg) tương ứng với hai lần lấy mẫu B1 B2 biểu diễn bảng 4.1 Bảng 4.1 So sánh hiệu lượng kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O Lần lấy mẫu B1 Lần lấy mẫu B2 Cặp so sánh IB P&O IB P&O A(t) (Wphút) 67.7 59.4 80.9 76.3 Ampp (Wphút) H% 68 99.56 81.6 87.36 99.14 93.5 • So sánh kỹ thuật IB kỹ thuật CV: Thực lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm C1 khoảng thời gian từ 10h15’40” đến 10h18’40” ngày 14/04/2017 C2 khoảng thời gian từ 13h33’ đến 13h36’ ngày 22/04/2017 Kết thực nghiệm biểu diễn hình 4.13 Đồ thị G, T Đồ thị ppv, Pmpp tương ứng với kỹ thuật IB Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật CV a Lần lấy mẫu C1 b Lần lấy mẫu C2 Hình 4.13 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật CV -22- Hiệu lượng tương ứng với hai lần lấy mẫu C1 C2 biểu diễn bảng 4.2 Bảng 4.2 So sánh hiệu lượng kỹ thuật IB với kỹ thuật CV Lần lấy mẫu C1 Lần lấy mẫu C2 Cặp so sánh IB CV IB CV A(t) (Wphút) 45.7 39.8 109.7 103.7 Ampp (Wphút) H% 46.2 98.92 110.4 86.15 99.36 93.93 • So sánh kỹ thuật IB kỹ thuật Temp: Thực lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm D1 khoảng thời gian từ 11h09’00” đến 11h12’00” ngày 21/04/2017 D2 khoảng thời gian từ 10h53’40” đến 10h56’40” ngày 22/04/2017 Kết thực nghiệm biểu diễn hình 4.14 Đồ thị G, T Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật IB Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật Temp a Lần lấy mẫu D1 b Lần lấy mẫu D2 Hình 4.14 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp -23- Hiệu lượng tương ứng với hai lần lấy mẫu D1 D2 biểu diễn bảng 4.3 Bảng 4.3 So sánh hiệu lượng kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp Lần lấy mẫu D1 Lần lấy mẫu D2 Cặp so sánh IB Temp IB Temp A(t) (Wphút) 55.8 46.6 111.3 110 Ampp (Wphút) H% 56.1 99.46 111.4 83.06 99.91 98.74 Nhận xét chung kết thực nghiệm đánh giá hiệu lượng: lần lấy mẫu thực nghiệm cho thấy MPPT sử dụng kỹ thuật IB giúp đường ppv bám sát đường Pmpp thời điểm với thông số vận hành (G, T) Đối với MPPT sử dụng kỹ thuật P&O, CV, Temp, đường ppv bám đường Pmpp số thời điểm định nằm đường Pmpp tùy thuộc vào thông số (G, T) Kết so sánh hiệu lượng từ bảng 4.1 đến bảng 4.3 cho thấy kỹ thuật IB giúp khai thác hầu hết lượng khả dụng lớn phát từ PVg (hiệu xấp xỉ 100%) hiệu lượng kỹ thuật lại tùy thuộc nhiều vào điều kiện vận hành thực tế gần hay xa STC thấp nhiều so với kỹ thuật IB Các kết thực nghiệm phản ánh nhận định, mô kiểm chứng chương chương 4.5 Kết luận chương Kết thực nghiệm đạt mục tiêu sau: - Mơ hình thực nghiệm đảm bảo cho việc kiểm chứng số kết nghiên cứu - Kiểm chứng tính đắn đề xuất thơng qua đường đặc tính ppv(t) ln trùng với đường Pmpp(t) Trong đó, đường đồ thị Pmpp(t) kết thuật toán IB chip xử lý tính tốn đường đồ thị ppv(t) kết việc sử dụng kỹ thuật AVC để đưa điện áp trung bình hai cực PVg (đo thiết bị đo điện áp) giá trị tính tốn thuật tốn IB (Vmpp) Sự trùng khớp kết thực nghiệm thu thông qua mơ hình thiết bị thực minh chứng tính đắn kết hợp hệ phương trình quy đổi giá trị thông số PVg từ STC điều kiện vận hành bất kỳ, thuật toán NewtonRaphson xác định giá trị thông số ẩn, thuật tốn IB q trình tìm MPP, cách xây dựng hàm n(T) theo phương pháp bình phương cực tiểu với kỹ thuật AVC Đồng thời, kết cho thấy chủng loại PYR TempS sử dụng phù hợp với PVg sản xuất từ chất bán dẫn - Chứng tỏ phương pháp điều khiển kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật AVC giúp khả bám sát MPP, đảm bảo khả khai thác tối đa lượng từ PVg tốt so với phương pháp trước Các kết thực nghiệm thu củng cố độ tin cậy nghiên cứu lý thuyết Hiện tại, TempS PYR có độ xác cao phù hợp với PVg phổ biến rộng rãi thị trường góp phần thực hóa phương pháp điều khiển cho ứng dụng thực tế -24- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kết nghiên cứu luận án có đóng góp đảm bảo tính khoa học thực tiễn: • Xây dựng thành cơng giải pháp giúp xác định xác thơng số MPP thời điểm tương ứng với cặp giá trị (G, T) Giải pháp xây dựng dựa yếu tố: phương pháp Newton-Raphson xác định giá trị tham số ẩn STC, kỹ thuật IB (dò chia đơi) xác định thơng số MPP, hàm số n(T) dựa việc kết hợp kỹ thuật IB với phương pháp bình phương cực tiểu • Xây dựng thành công cấu trúc điều khiển sử dụng giải pháp đề xuất với kỹ thuật SMC kỹ thuật AVC cho BBĐ DC/DC buck BBĐ DC/DC boost - khâu thiết yếu hệ thống khai thác PVg Sự kết hợp đem lại phương pháp điều khiển khác biệt so với phương pháp điều khiển trước đây, giúp nâng cao hiệu khai thác lượng PVg Ngoài ra, luận án đóng góp thêm: • Xây dựng cấu trúc điều khiển cho BBĐ DC/AC ghép nối lưới khai thác lượng từ PVg Với cấu trúc điều khiển này, cấu trúc điều khiển phía PVg xác định lượng đặt xác MPP làm lượng đặt cho BBĐ DC/AC, đảm bảo đẩy tối đa công suất từ PVg thu vào lưới Các kết nghiên cứu kiểm chứng kết mô Matlab • Xây dựng thành cơng mơ hình thiết bị thực kiểm chứng số kết nghiên cứu Mơ hình sử dụng panel SV-55, BBĐ DC/DC buck, DCbus giữ điện áp cố định, PYR đo G, TempS đo T điều kiện vận hành thực tế Việt Nam Các kết thực nghiệm cho thấy việc sử dụng giải pháp MPPT đề xuất giúp khai thác gần hoàn toàn lượng lớn phát từ PVg điều kiện vận hành khắc phục nhược điểm kỹ thuật tìm MPP trước Điều cho thấy tính đắn giải pháp đề xuất với đối tượng PVg sản xuất từ chất bán dẫn phương pháp điều khiển phù hợp giúp nâng cao khả khai thác loại nguồn hệ thống điện, qua thấy khả ứng dụng vào thực tế nội dung lý thuyết xây dựng Kiến nghị Phát triển kết nghiên cứu luận án cho hướng nghiên cứu lĩnh vực: • Hệ thống có tham gia nhiều nguồn phân tán sử dụng lượng tái tạo • Điều khiển BBĐ đa mức khai thác PVg ... TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát nguồn pin mặt trời 1.2 Cấu trúc chung hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời 1.3 Tình hình nghiên cứu giới nước pin mặt trời 1.4 Một số vấn đề tồn đề... cao hiệu khai thác nguồn pin mặt trời" nhằm hồn thiện vấn đề bỏ ngỏ chưa quan tâm đầy đủ kể Mục đích nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu hồn thiện mơ hình tốn học cho PVg xây dựng giải pháp. .. 3.3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại nguồn pin mặt trời theo mơ hình đầy đủ trạng thái vận hành 3.3.1 Phương pháp IB-SMC 3.3.1.1 Nguyên lý chung phương pháp IB-SMC Phương pháp IB-SMC