Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN DUY AN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - NGUYỄN DUY AN NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ 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 2016 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : ……………………………………… (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp.HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN DUY AN Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI II- Nhiệm vụ nội dung: - Tổng quan tình hình khai thác sử dụng lượng điện mặt trời Việt Nam - Nghiên cứu mô đặc tính V-I V-P pin quang điện - Nghiên cứu phân tích đặc tính V-I V-P pin quang điện - Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin quang điện III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu kết nghiên cứu trình bày Luận văn trung thực chưa công bố đâu Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn Tôi xin cam đoan nội dung tham khảo Luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Nguyễn Duy An LỜI CÁM ƠN Đầu tên, xin chân thành cám ơn TS HUỲNH CHÂU DUY tận tình giúp đỡ, đóng góp ý kiến q báu hướng dẫn em thực Luận văn Xin cám ơn quý Thầy, Cô trang bị cho em kiến thức quý báu trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực Luận văn Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 động viên giúp đỡ em trình thực Luận văn Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học Cơ quan nơi em công tác tạo điều kiện tốt cho em thực Luận văn Nguyễn Duy An i Tóm tắt Luận văn tập trung vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin mặt trời” mà bao gồm nội dung sau: + Chương 1: Giới thiệu chung + Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu khai thác nguồn lượng điện mặt trời + Chương 3: Pin quang điện + Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại + Chương 5: Mô điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin mặt trời + Chương 6: Kết luận hướng phát triển tương lai ii Abstract The thesis presents issues relatng to "Maximum power point tracking control of solar energy systems" that includes the following contents: + Chapter 1: Introducton + Chapter 2: Literature review of the exploitaton and utlization of the solar energy source + Chapter 3: Photovoltaic cell + Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking + Chapter 5: Simulaton results of a solar energy system with maximum power point tracking + Chapter 6: Conclusions and future works MỤC LỤC Tóm tắt i Mục iii lục Danh sách hình vẽ vi Danh sách bảng x Chương - Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Đối tượng nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu 1.5 Mục têu nội dung nghiên cứu 1.6 Phương pháp nghiên cứu 1.7 Bố cục luận văn Chương - Tổng quan tình hình nghiên cứu khai thác nguồn lượng mặt trời 2.1 Cấu trúc mặt trời 2.2 Quỹ đạo trái đất quanh mặt trời 2.3 Góc cao độ mặt trời vào buổi trưa 2.4 Bức xạ mặt trời 10 2.5 Ứng dụng lượng mặt trời 13 2.5.1 Pin mặt trời 14 2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng lượng mặt trời 15 2.5.3 Động Strling chạy lượng mặt trời 16 2.5.4 Thiết bị đun nước nóng lượng mặt trời 17 2.5.5 Thiết bị làm lạnh điều hòa khơng khí dùng lượng mặt trời 18 2.6 Tình hình khai thác lượng mặt trời Việt Nam 19 2.7 Tổng quan tình hình nghiên cứu 23 68 25 Dac tinh Dien ap - Co ng suat (VP) t 10s < t < 20s :G= 20s < t < 40s : G = kW/m 40s < t < 80s :G= 80s < t < 100s : G =1 kW/m 10 kW/m 80 kW/m t 68 Buc xa mat troi, G(kW /m2) 1.8 1.6 1.4 1.2 10 20 30 40 50 60 Thoi gian, t(s) 70 80 90 100 Hình 5.9 Mơ thay đổi chậm xạ mặt trời pin quang điện RS - P618 - 22 50 Cong suat, P(W) 40 Sử dụng thuật toán P&O 30 20 Khơng sử dụng thuật tốn P&O 10 0 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.10 Công suất ngõ đạt trường hợp sử dụng khơng sử dụng thuật tốn P&O tương ứng với thay đổi chậm xạ mặt trời 69 50 40 Cong suat, P(W ) Sử dụng thuật tốn P&O cải tến 30 Khơng sử dụng thuật tốn P&O cải tến 10 0 10 20 30 40 50 60 Thoi gian, t(s) 70 80 90 100 Hình 5.11 Công suất ngõ đạt trường hợp sử dụng khơng sử dụng thuật tốn P&O cải tến tương ứng với thay đổi chậm xạ mặt trời 50 : Sử dụng thuật toán P&O cải tiến : Sử dụng thuật toán P&O Cong suat, P(W) 40 30 20 Không sử dụng hai thuật toán P&O P&O cải tiến 10 0 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.12 So sánh công suất ngõ đạt trường hợp sử dụng thuật toán P&O thuật toán P&O cải tến tương ứng với thay đổi chậm xạ mặt trời 70 Hình 5.9 mơ tả thay đổi xạ mặt trời Quá trình thay đổi xem q trình thay đổi chậm Công suất ngõ đạt 71 trường hợp sử dụng khơng sử dụng thuật tốn P&O sử dụng không sử dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với thay đổi chậm xạ mặt trời biểu diễn hình 5.10 5.11 Có thể nhận công suất ngõ đạt sử dụng thuật tốn P&O P&O cải tến ln ln tối ưu thích nghi với thay đổi xạ mặt trời luôn lớn công suất ngõ đạt trường hợp không sử dụng thuật tốn P&O nào, hình 5.12 Mặt khác, kết đặc tuyến hình 5.12 khẳng định tính hiệu thuật tốn P&O cải tến so sánh với thuật tốn P&O thơng thường 5.4 Mô kết trường hợp xạ mặt trời thay đổi nhanh Mô thuật toán P&O P&O cải tến cho pin quang điện, RS P618 - 22 với giả sử sau: - Nhiệt độ, T = 25 C khơng thay đổi q trình mơ - Bức xạ mặt trời, G thay đổi nhanh sau: Buc xa mat troi, G(kW/m2) t  20 s 20s < t  60s 60s < t  100s 2 : G = kW/m : G = kW/m : G = kW/m 1.8 1.6 1.4 1.2 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.13 Mơ thay đổi nhanh xạ mặt trời pin quang điện RS - P618 - 22 72 Cong suat, P(W) 50 Sử dụng thuật tốn P&O 40 30 20 Khơng sử dụng thuật toán P&O 10 0 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.14 Cơng suất ngõ đạt trường hợp sử dụng không sử dụng thuật toán P&O tương ứng với thay đổi nhanh xạ mặt trời 50 Sử dụng thuật toán P&O cải tiến 40 Cong suat, P(W ) 30 20 Khơng sử dụng thuật tốn P&O 10 0 10 20 30 40 50 60 Tho i gian, t(s) 70 80 90 100 Hình 5.15 Cơng suất ngõ đạt trường hợp sử dụng không sử dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với thay đổi nhanh xạ mặt trời 73 50 : Sử dụng thuật toán P&O cải tến : Sử dụng thuật toán P&O 40 Cong suat, P(W ) 30 20 Khơng sử dụng hai thuật tốn P&O P&O cải tến 10 0 10 20 30 40 50 60 Thoi gian, t(s) 70 80 90 100 Hình 5.16 So sánh công suất ngõ đạt trường hợp sử dụng thuật toán P&O thuật toán P&O cải tến tương ứng với thay đổi nhanh xạ mặt trời Một khảo sát khác thực với thay đổi xạ mặt trời mà xem q trình thay đổi nhanh, hình 5.13 Cơng suất ngõ đạt trường hợp sử dụng không sử dụng thuật tốn P&O sử dụng khơng sử dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với thay đổi chậm xạ mặt trời biểu diễn hình 5.14 5.15 Trong khảo sát này, kết cho thấy công suất ngõ đạt sử dụng thuật toán P&O P&O cải tiến luôn tối ưu thích nghi với thay đổi xạ mặt trời luôn lớn công suất ngõ đạt trường hợp không sử dụng thuật tốn P&O nào, hình 5.16 Mặt khác, kết hình 5.16 lại lần khẳng định tính hiệu thuật tốn P&O cải tến so sánh với thuật tốn P&O thơng thường 74 5.5 Mô kết trường hợp xạ mặt trời thay đổi (tăng giảm) Mơ thuật tốn P&O P&O cải tến cho pin quang điện, RS P618 - 22 với giả sử sau: - Nhiệt độ, T = 25 C khơng thay đổi q trình mơ - Bức xạ mặt trời, G thay đổi sau: t < 10 s : G = kW/m 75 t kW/m 10 10s < t < 15s :G= 15s < t < 50s : G = 1.5 kW/m 50s < t < 55s :G= 55s < t < 100s : G = 1.2 kW/m 70 kW/m t Buc xa mat troi, G(kW/m2) 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.17 Mơ tăng giảm xạ mặt trời pin quang điện RS - P618 - 22 35 Cong suat, P(W) 30 Sử dụng thuật tốn P&O 25 20 Khơng sử dụng thuật toán P&O 15 10 0 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.18 Công suất ngõ đạt trường hợp sử dụng khơng sử dụng thuật tốn P&O tương ứng với tăng giảm xạ mặt trời 35 Sử dụng thuật toán P&O cải tến Cong suat, P(W) 30 25 20 Khơng sử dụng thuật tốn P&O cải tến 15 10 0 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.19 Cơng suất ngõ đạt trường hợp sử dụng không sử dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với tăng giảm xạ mặt trời 35 Cong suat, P(W) 30 25 20 Không sử dụng hai thuật toán P&O P&O cải tiến 15 : Sử dụng thuật toán P&O cải tiến : Sử dụng thuật toán P&O 10 0 20 40 60 Thoi gian, t(s) 80 100 Hình 5.20 So sánh cơng suất ngõ đạt trường hợp sử dụng thuật toán P&O thuật toán P&O cải tến tương ứng với tăng giảm xạ mặt trời Hình 5.17 mơ tả thay đổi xạ mặt trời Công suất ngõ đạt trường hợp sử dụng khơng sử dụng thuật tốn P&O sử dụng không sử dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với thay đổi xạ mặt trời biểu diễn hình 5.18 5.19 Có thể nhận cơng suất ngõ đạt sử dụng thuật tốn P&O P&O cải tến ln ln tối ưu thích nghi với thay đổi xạ mặt trời luôn lớn công suất ngõ đạt trường hợp không sử dụng thuật tốn P&O nào, hình 5.20 Thêm vào đó, kết hình 5.20 khẳng định tính hiệu thuật tốn P&O cải tến so sánh với thuật tốn P&O thơng thường Chương Kết luận hướng phát triển tương lai Có thể nhận thấy lượng mặt trời nguồn lượng sạch, có trữ lượng lớn đến mức xem vơ hạn tương lai, nguồn lượng nguồn lượng cho nhu cầu lượng giới Mặc dù nghiên cứu khai thác từ sớm việc khai thác sử dụng lượng mặt trời nhiều hạn chế, trữ lượng người khai thác khiêm tốn so với tềm Đặc biệt phương pháp khai thác chuyển đổi thành lượng điện để phục vụ cho nhu cầu sử dụng lượng điện Để khai thác hiệu nguồn lượng mặt trời phục vụ cho sống loài người trái đất, cần tối ưu hóa hoạt động hệ thống điện lượng mặt trời, có vấn đề làm để thu nhiều lượng mặt trời nhất, hiệu suất chuyển đổi pin mặt trời lớn nhất, điều khiển để hệ thống làm việc điểm công suất cực đại,… Trong phạm vi hẹp luận văn này, tác giả nghiên cứu tập trung cải tến thuật toán điều khiển bám điểm cơng suất cực đại, thuật tốn P&O Tác giả đề xuất thuật toán P&O cải tến nhằm khắc phục khuyết điểm thuật toán P&O truyền thống Thuật toán P&O cải tến dựa phân tích dòng điện ngắn mạch, Isc phân tích phạm vi thay đổi thông thường điện áp điểm cơng suất cực đại, VMPP Đề xuất thuật tốn P&O cải tến theo Isc khắc phục nhược điểm lớn giải thuật P&O truyền thống không xác định việc tăng công suất tăng lượng xạ hay tăng/giảm điện áp Đề xuất nâng cao chất lượng giá trị hội tụ thuật toán Đề xuất thuật toán P&O cải tến theo phạm vi thay đổi VMPP rút ngắn thời gian tính tốn cải thiện tốc độ hội tụ thuật toán Trong tương lai, nghiên cứu khác liên quan đến việc cải thiện tốc độ giá trị hội tụ thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại cần triển khai Ngồi ra, thuật tốn bám điểm công suất cực đại cần triển khai khảo sát cho hệ pin quang điện làm việc điều kiện khác điều kiện che khuất Tài liệu tham khảo [1] Trang thông tn điện tử - Dự án lượng tái tạo www.renewableenergy.org.vn [2] Đặng Đình Thống, Cơ sở lượng tái tạo, Nhà xuất khoa học kỹ thuật, 2006 [3] N Femia, D Granozio, G Petrone, G Spaguuolo, M Vitelli, “Optmized onecycle control in photovoltaic grid connected applicatons”, IEEE Trans Aerosp Electron Syst., Vol 2, No 3, 2006 [4] W Wu, N Pongratananukul, W Qiu, K Rustom, T Kasparis and I Batarseh, “DSP-based multple peak power tracking for expandable power system”, Proc APEC, 2003 [5] C Hua and C Shen, “Comparatve study of peak power tracking techniques for solar storage system”, Proc APEC, 1998 [6] D P Hohm and M E Ropp, “Comparatve study of maximum power point tracking algorithms using an experimental, programmable, maximum power point tracking test bed”, Proc Photovoltaic Specialist Conference, 2000 [7] K H Hussein, I Muta, T Hoshino and M Osakada, “Maximum power point tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditons”, IEE Proc Gener Transm Distrib., Vol 142, No 1, 1995 [8] X Sun, W Wu, X Li and Q Zhao, “A research on photovoltaic energy controlling system with maximum power point tracking”, Power Conversion Conference, 2002 [9] T L Kottas, Y S Boutalis and A D Karlis, “New maximum power point tracker for PV arrays using fuzzy controller in close cooperation with fuzzy cognitve network”, IEEE Trans Energy Conv., Vol 21, No 3, 2006 [10] J Jiang, T Huang, Y Hsiao, and C Chen, “Maximum power tracking for photovoltaic for power systems”, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol 8, No 2, 2005 [11] D Sera, T Kerekes, R Teodorescu and F Blaabjerg, “Improved MPPT algorithms for rapidly changing environmental conditons”, IEEE Conference, 2008 [12] M A Younis, T Khatb, M Najeeb and A M Ariffin, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using Artficial neural network”, Malaysian Journal, 2012 [13] B Das, A Jamatia, A Chakrabort, P R Kasari and M Bhowmik, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validaton using data from PV module”, Internatonal Journal of Advances in Engineering and Technology, IJAET, Vol.4, Iss 1, pp 579-591, 2012 [14] G Deb and A B Roy, “Use of solar tracking system for extractng solar energy”, Internatonal Journal of Computer and Electrical Engineering, Vol 4, No 1, pp 42-46, 2012 [15] T Tudorache, C D Oancea, L Kreindler, “Performance evaluaton of solar tracking PV panel”, U P B Sci Bull, Vol 74, Iss 1, pp 3-10, 2012 [16] J Rizk and Y Chaiko, “Solar tracking system: more efficient use of solar panels”, World Academy of Science, Engineering and Technology, Vol 41, pp 313-315, 2008 [17] N Barsoum, P Vasant, “Simplified solar tracking prototype”, Global Journal on Technology & Optmizaton, Vol 1, pp 38-45, 2010 [18] G M Master, Renewable and efficient electric power systems, A John Wiley & Sons, Inc., Publicaton, 2004 [19] D P Hohm and M E Ropp, “Comparatve study of maximum power point tracking algorithms”, IEEE Conference, 2008 [20] www.redsun-vn.com ... hình nghiên cứu khai thác nguồn lượng điện mặt trời + Chương 3: Pin quang điện + Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại + Chương 5: Mô điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin mặt trời. .. liệu điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời sử dụng PV - Phân tích, tổng hợp đề xuất thuật tốn điều khiển bám điểm cơng suất cực đại hệ thống điện lượng mặt trời sử... lượng mặt trời, đề tài nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại kết nối lưới hệ thống điện lượng mặt trời thật cần thiết để nghiên cứu triển khai 1.3 Đối tượng nghiên cứu Các nghiên cứu