Đang tải... (xem toàn văn)
tìm hiểu pin quang điện, dsp28335, phần mềm code composer studio.thiết kế phần cứng và mô phỏng hệ thống pin mặt trời nối lưới. thuật toán mppt. Khảo sát kết quả mô phỏng của đáp ứng và hiệu suất của hệ thống pin quangđiện nối lưới với các điều kiện làm việc khác nhau bằng thuật toán MPPT đã dùng.Nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu DCAC; kết quả môphỏng đáp ứng của bộ nghịch lưu khi có sự thay đổi của hệ thống hay sự thay đổi của lưới.
1 LỜI CẢM ƠN Em xin gửi trân trọng lòng biết ơn đến thầy Tơ Hữu Phúc Thầy hướng dẫn em đồ án môn học học kì Những cơng sức, lời dạy, lời khun thầy hành trang, tài sản quý giá giúp em tiến lên ngày Và em cảm ơn cha mẹ, người bạn thân nhất, sánh vai suốt thời gian Những lời động viên, an ủi lúc khó khăn nhân tố giúp em thực đồ án cách tốt Thân cảm ơn đến tất ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC TĨM TẮT ĐỒ ÁN Tìm hiểu pin quang điện đường đặc tính pin quang điện.Tìm hiểu DSP F28335 phần mền Code Composer Studio Thiết kế phần cứng mô hệ thống pin mặt trời nối lưới (solar inverter công suất nhỏ) Khảo sát kết mô đáp ứng hiệu suất hệ thống pin quang điện nối lưới với điều kiện làm việc khác thuật toán MPPT dùng Nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển nghịch lưu DC/AC; kết mô đáp ứng nghịch lưu có thay đổi hệ thống hay thay đổi lưới ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN: ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐÒ ÁN: 1.1 Nhiệm vụ đồ án môn học: CHƯƠNG II: PIN QUANG ĐIỆN (PV) 2.1 Cấu tạo pin quang điện: 2.1.1 Nguyên lý hoạt động: 2.2 Đặc tính pin quang điện: 11 2.2.1 Đặc tính I-V điều kiện tiêu chuẩn: 11 CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 13 3.1 Hệ thống pin mặt trời nối lưới……………… ………………………13 3.2 Bộ biến đổi điện áp chiều(DC-DC) 15 3.3 Bộ nghịch lưu cầu pha: 17 CHƯƠNG IV: THUẬT TỐN TÌM CƠN VÀ THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI………………………………………………19 4.1 Thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại: 19 4.1.1 4.2 Thuật toán Perturb and Observe P&O: 19 Phương pháp điều khiển nghịch lưu pha: 21 4.2.1 Phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng (Proportional ResonantPR): 22 4.3 Hồn thiện mơ hệ thống pin mặt trời nối lưới psim:………………………………………………………………… 25 CHƯƠNG V: ĐÁP ỨNG CỦA TỒN BỘ HỆ THĨNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI: 26 5.1 Đáp ứng dòng điện Iivt theo tín hiệu đặt Iref: 26 5.1.1 Đáp ứng dòng điện Iivt tần số lưới thay đổi……………27 5.1.2 Đáp ứng dòng điện Iivt điện áp lưới thay đổi………….28 5.2 Đáp ứng toàn hệ thống : 29 5.3 Khảo sát đáp ứng biến đổi DC/DC với thuật toán MPPT điều kiện môi trường thay đổi: 30 5.3.1 ĐỒ ÁN MÔN HỌC Công suất ngõ hiệu suất biến đổi DC/DC độ rọi thay đổi: 30 GVHD: THS TƠ HỮU PHÚC 5.3.2 Cơng suất ngõ hiệu suất biến đổi DC/DC nhiệt độ thay đổi: 31 CHƯƠNG VI: GIỚI THIỆU VỀ DSP TMS320F28335………………….… 32 6.1 Tổng quan xử lí tín hiệu số……………………………… 32 6.2 Sơ lược họ TMS320……………………………………….……….32 6.3 DSP TMS320F28335…………………………………………….……33 6.3.1 Bộ phận vào (I/O)…………………………………….….… 35 6.3.2 Khối tạo xung PWM……………………………………….…… 38 6.3.3 Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số………….………39 6.4 Code Composer Studio…………………………………………………40 CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN…….41 7.1 Kết luận 41 7.2 Hạn chế: 41 7.3 Hướng phát triển 41 PHỤ LỤC 1: CODE CỦA THUẬT TOÁN 42 Tài liệu tham khảo: 45 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TƠ HỮU PHÚC DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1: Sơ đồ cấu tạo pin quang điện Hình 2: Nguyên lý hoạt động pin quang điện Hình 3: Hai mức lượng E1>E2 Hình 4: Các vùng lượng 10 Hình 5: Thơng số kỹ thuật đặc tính I-V P-V pin quang điện STP24020/Wde, SUNTECH 12 Hình (t-t): Thơng số kỹ thuật đặc tính I-V P-V pin quang điện STP24020/Wde, SUNTECH 13 Hình 1: Hệ thống pin mặt trời nối lưới 13 Hình 2: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng MPPT 14 Hình 3: Sơ đồ Push-Pull Converter .16 Hình 4: Mạch nghịch lưu pha kiểu cầu 17 Hình 5: Dạng sóng điện áp ngõ 18 Hình 1: Sơ đồ khối thuật toán PO 21 Hình 2: Sơ đồ mạch nghịch lưu nối lưới pha 23 Hình 3: Bộ nghịch lưu nối lưới pha với điều khiển PR 23 Hình 4: Hệ thống pin mặt trời nối lưới 25 Hình 1: Đáp ứng dòng điện ngõ Iivt theo tín hiệu đặt Iref f=50Hz 26 Hình 2: Khi tần số lưới f=51Hz 27 Hình 3: Khi tần số lưới f=49Hz .27 Hình 4: Biên độ điện áp lưới thay đổi theo thời gian 28 Hình 5: Đáp ứng dòng điện ngõ Iivt biên độ điện áp lưới thay đổi (Ug=220) 28 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TƠ HỮU PHÚC Hình 6: Đáp ứng toàn hệ thống độ rọi thay đổi với thuật tốn PO 29 Hình 7: Thuật toán PO độ rọi thay đổi 30 Hình 8: Thuật toán PO nhiệt độ thay đổi 31 Hình 1: Sơ đồ ngoại vi TMS320F28335 35 DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU Bảng 1: Hiệu suất phương pháp PO chịu ảnh hưởng độ rọi 30 Bảng 2: Hiệu suất phương pháp PO chịu ảnh hưởng nhiệt độ 31 Bảng 1: Bảng PORTA(GPIO0-GPIO31) 36 Bảng 2: Bảng PORTB(GPIO32-GPIO63) 37 Bảng 3: Bảng PORTC(GPIO33-GPIO87) 38 Bảng 4: Các dạng file vai trò CCS 40 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 1.1 - CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN MÔN HỌC: Nhiệm vụ đồ án mơn học: Tìm hiểu pin quang điện Dùng psim mô solar micro inverter nối lưới Khảo sát phương pháp điều khiển MPPT (phương pháp PO) Tìm hiểu DSP28335 CHƯƠNG II: PIN QUANG ĐIỆN (PV) 2.1 Cấu tạo pin quang điện: Pin quang điện thiết bị sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển hóa quang thành điện năng, kỹ thuật chế tạo pin quang điện gần với kỹ thuật chế tạo linh kiện bán dẫn transistor, diode,…Vật liệu để chế tạo pin quang điện loại linh kiện bán dẫn khác, thường tinh thể silicon tinh khiết thuộc nhóm IV bảng phân loại tuần hoàn thêm vào Boron (B) hay phosphorous (P), thuộc nhóm III nhóm V Galium arsenic dùng để tạo vật liệu quang điện GaAs, cadmium tellurium dùng để tạo vật liệu quang điện CdTe Hầu hết vật liệu pin quang điện sử dụng bán dẫn silic hai loại pin quang điện chiếm thị phần lớn pin quang điện silicon monocrystalline (đơn tinh thể) polycrystalline (đa tinh thể) Hình 1: Sơ đồ cấu tạo pin quang điện ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 2.1.1 Nguyên lý hoạt động: Hình 2: Nguyên lý hoạt động pin quang điện Thông thường điện tử chiếm mức lượng thấp E2 Khi chiếu sáng, lượng tử ánh sáng (photon) mang lượng hv ( h số Plank v tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ chuyển lên múc E1 Hình 3: Hai mức lượng E1>E2 Phương trình cân lượng: hv = E1 –E2 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 10 Trong tế bào quang điện gồm nhiều mức lượng sát tạo thành vùng lượng Vùng lượng thấp bị điện tử chiếm đầy trạng thái cân gọi vùng hóa trị mà mức bên có lượng Ev Vùng lượng phía tiếp hoàn toàn trống bị chiếm phần gọi vùng dẫn, mức bên vùng dẫn có lượng EC, cách ly vùng hóa trị vùng dẫn gọi vùng cấm có độ rộng lượng Eg, khơng có mức lượng cho phép điện tử Khi ánh sáng chiếu đến tế bào quang điện có vùng lượng nói trên, photon có lượng hv bị điện tử vùng hóa trị hấp thụ chuyển lên vùng dẫn để trở thành điện tử tự e, lúc vùng hóa trị có lỗ trống di chuyển “hạt” mang điện tích nguyên tố ( kí hiệu h+) Lỗ trống di chuyển tham gia trình dẫn điện Hình 4: Các vùng lượng Vậy chiếu sáng vào tế bào quang điện, điện tử vùng hóa trị thấp hấp thụ lượng photon hv chuyển lên vùng dẫn tạo cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e-h, tức tạo điện Hiện tượng gọi tượng quang điện bên Nguyên lý hoạt động pin mặt trời tượng quang điện xảy lớp tiếp xúc p-n Một photon cần có lượng lớn lượng đủ để kích thích electron lớp ngồi dẫn điện, nên phần lớn lượng mặt trời lớn mức cần thiết (1,12eV với silic) chuyển thành nhiệt ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 35 ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ - Up to Six Capture Inputs Up to Two Quadrature Encoder Interfaces Up to 32-bit Timers Three 32-Bit CPU Timers Serial Port Peripherals Up to SPI Modules Up to SCI (UART) Modules Up to CAN Modules One SPI Module One Inter-Integrated-Circuit (I2C) Bus 16 kênh ADC 12-Bit x Channel Input Multiplexer lấy mẫu (Sample-and-Hold) Chế độ lấy mẫu đơn lẻ, trích mẫu liên tục (Single/Simultaneous Conversions) Tần số lấy mẫu lớn: 80 ns x Channel Input Multiplexer Two Sample-and-Hold Single/Simultaneous Conversions Internal or External Reference Các đặc tính Chip nâng cao Chức phân tích đặc điểm dừng (Breakpoint) Gỡ rối thời gian thực Hardware (Real-Time Debug via Hardware) Development Support Includes ANSI C/C++ Compiler/Assembler/Linker Code Composer Studio IDE DSP/BIOS Digital Motor Control and Digital Power Software Libraries Low-Power Modes and Power Savings IDLE, STANDBY, HALT Modes Supported Disable Individual Peripheral Clocks Temperature Options A: –40°C to 85°C (PGH,ZHZ,ZJZ) S: –40°C to 125°C (PTP,ZJZ) Q: –40°C to 125°C (PTP,ZJZ) ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TƠ HỮU PHÚC 36 Hình Sơ đồ ngoại vi TMS320F28335 6.3.1 - Bộ phận vào/ số (I/O): Tất I/O nhóm lại với thành ports, gọi GPIOA,GPIOB GPIOC GPIO có nghĩa đầu ra- đầu vào mục đích chung F28335 có tổng cộng 88 chân I/O, GPIO0 đến GPIO87 Thiết bị kèm với nhiều phận nội bổ xung, tất tính kết nối với chân riêng gói thiết bị lúc.Điều có nghĩa , chân vật lý thiết bị sử dụng chức người lập trình định chức chọn 1- Phân chia chân F28335: 88 chân I/O chia thành cổng, chức riêng chân chọn bảng sau: a PORTA(GPIO0-GPIO31): ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 37 Bảng 1: Bảng PORTA(GPIO0-GPIO31) ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 38 b PORTB(GPIO32-GPIO63): Bảng 2: Bảng PORTB(GPIO31-GPIO63) ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 39 c PORTC(GPIO33-GPIO87): Bảng 3: Bảng PORTC(GPIO33-GPIO87) 6.3.2 - Khối tạo xung PWM (ePWM: Enhanced Pulse Width Modulator ) F28335 có đến sáu module PWM (ePWM1, ePWM2, ePWM3, ePWM4, ePWM5, ePWM6) Các module ePWM đại diện cho kênh PWM hoàn chỉnh bao gồm hai đầu PWM: EPWMxA EPWMxB Các module hoạt động tần số khác nhau, cấu hình để hoạt động đồng với thơng qua hệ thống đồng với xung clock cho phép chúng hoạt động hệ thống yêu cầu Ngoài ra, hệ thống ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 40 đồng hóa mở rộng đến nắm bắt thiết bị ngoại vi Các module hoạt động cách độc lập Mỗi module ePWM hỗ trợ tính sau: - Bộ đếm 16-bit time-base counter, dùng để thiết lập tần số, chu kỳ hoạt động xung PWM - Hai kết đầu PWM (ePWMA ePWMB) cấu hình để hoạt động cách độc lập đồng - Kiểm sốt ghi đè lên khơng đồng tín hiệu PWM thơng qua phần mềm - Cho phép điều khiển pha lệch sớm hay trễ tín hiệu PWM module module khác - Tạo deadtime xung ngõ - Các kiện kích hoạt để ngắt CPU (CPU interrupts) kích hoạt khối ADC (SOC: start of conversion) Tần số xung PWM điều khiển ghi time-base period (TBPRD) chế độ thời gian truy cập sở (time-base counter) Chu kỳ (Tpwm) tần số (Fpwm) quan hệ cho việc đếm lên (up-count), đếm xuống (down-count) đếm lên xuống (up-down-count) Thời gian tăng cho bước xác định time-base clock (TBCLK) 6.3.3 - Bộ chuyển đổi tín hiệu Analog sang tín hiệu số (ADC) Các module ADC bao gồm ADC 12-bit với mạch built-in sample-and-hold Chức module ADC bao gồm: - Độ phân giải 12 bit - Tín hiệu analog đầu vào: V đến 3V - Tần số lấy mẫu lớn: 160 ns - 6.25 MSPS - 16 kênh, đầu vào hỗn hơp - Có 16 ghi độc lập để lưu trữ giá trị số sau chuyển đổi từ tín hiệu analog ngõ vào ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 41 6.4 -CODE COMPOSER STUDIO (CCS) Code Composer Studio (CCS) môi trường phát triển tích hợp (IDE) có hỗ Microcontroller Embedded Processors danh mục Texas Instruments (TI) CCS bao gồm công cụ sử dụng để phát triển gỡ lỗi (debug) ứng dụng nhúng Nó bao gồm biên dịch C/C ++, biên tập mã nguồn, dự án xây dựng, debugger, profiler, nhiều tính khác hoạt động cách tối ưu Các công cụ giao diện gần gủi cho phép người dùng để bắt đầu nhanh hết CCS xây dựng tảng Eclipse kết hợp với khả debug nhúng tiên tiến từ TI CCS có nhiều dạng file dạng vai có vai trò khác nhau: Bảng 6.4 Các dạng file vai trò CCS STT Dạng file Vai trò *.pjt Tập tin tạo xây dựng project để quản lý file thông tin project *.c Các tập tin chứa code C, phần thuật tốn chương trình *.asm Các tập tin chứa mã hợp ngữ tạo trình biên dịch C, người sử dụng *.h Các tập tin tiêu đề hỗ trợ cho project, sử dụng để chứa hàm liệu *.lib Các thư viện hỗ trợ khởi tạo Chip, mạch, ADC thiết bị ngoại vi bảng mạch *.cmd Các tập tin liên kết giúp phân hoạch vùng chương trình liệu vào nhớ *.out Tập tin khả thi, tạo CMD file để nạp vào kit *.cdb Tập tin cấu hình, sử dụng dùng tính DSP/BIOS ➢ Download cài đặt Code Composer Studio trang chủ TI: http://processors.wiki.ti.com/index.php/Download_CCS ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 42 CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.1- Kết luận Trong đồ án trình bày sơ đồ khối Solar Micro Inverter; cấu trúc phần cứng giải thuật điều khiển biến đổi DC/DC DC/AC; xây dựng mơ hình mơ toàn hệ thống; khảo sát đáp ứng hệ thống với phương pháp điều khiển tìm điểm cơng suất cực đại (Maximum Power Point Tracking-MPPT); khảo sát đáp ứng dòng ngõ nghịch lưu Iivt điều kiện hệ thống có thay đổi hay ổn định từ lưới dựa phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng PR Đối với biến đổi DC/AC điều khiển phương pháp tỷ lệ cộng hưởng (PR- Proportional Resonant) có thiết kế đơn giản hoạt động tần số lưới cố định f=50Hz biên độ hiệu dụng lưới lúc bình thường Ug=220V hệ thống có thay đổi hay ổn định lưới dòng điện Iivt bám theo dòng điện đặt mong muốn Iref cho thấy sai số tín hiệu gần 7.2- Hạn chế: -Hệ thống pin mặt trời nối lưới tồn số điểm yếu đáp ứng chậm Dạng dòng điện ngõ chưa hình sine chuẩn 7.3- Hướng phát triển Mơ hình Solar Micro Inverter thực hoá thành mạch thật tương lai để thử tính xác mơ hình ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 43 PHỤ LỤC 1: CODE CỦA THUẬT TOÁN %PHẦN 1: THỜI GIAN LẤY MẪU double time; delt=1e-6; time=time+delt; if (time>0.001) { out[0]=in[0]; out[1]=in[1]; time=0; } %PHẦN 2: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN PO double time; delt=1e-6; time=time+delt; if (time>0.001) { out[0]=in[0]; out[1]=in[1]; time=0; } double delta_d; double d=0.45; double p[2]; double v[2]; ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 44 double i[2]; double delta[2]; delt=2e-6; v[1]=in[0]; i[1]= in[1]; delta[1]=d; p[1]=i[1]*v[1]; delta_d=0.001; if (p[1]>p[0]) { if (v[1]v[0]) { d=d-delta_d; } } else if (p[1]=0.95) d=0.95; if (d Vdc_max) Im = Im+0.05; else Im = Im_max*(in[0]-Vdc_min)/30; ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 46 if (ImIm_min) Im = Im; else if (Im>Im_max) Im = Im_max; else if (Im=2*pi) theta = 0; else theta = theta; v[0]=v[1]; out[0] = Im*in[1]/(220*sqrt(2)); out[1] = Im; ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 47 Tài liệu tham khảo: [1] Phuc Huu To and Dzung Quoc Phan, “A Photovoltaic Emulator Using dSPACE Controller with Simple Control Method and Fast Response Time” [2] Nguyễn Văn Nhờ - Điện Tử Công Suất [3] M Castilla, J Matas, L G Vicuna, and J M Guerrero, “Control design guidelines for single-phase grid-connected photovoltaic inverters with damped resonant harmonic compensators,” Industrial Electronics, IEEE Transaction on, vol.56, no.11, pp.4492-4501, 2009 [4] Trần Công Binh – Hệ thống lượng xanh [5] http://www.farnell.com/datasheets/2019014.pdf?_ga=2.55021291.1102249555.152614208 5-1566949123.1526142085 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 48 ĐỒ ÁN MÔN HỌC GVHD: THS TÔ HỮU PHÚC 49 ĐỒ ÁN MƠN HỌC GVHD: Ths Tơ Hữu Phúc