Xây dựng giải thuật nâng cao hiệu suất của cánh đồng pin mặt trời (phần điện)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM LÊ THANH PHÙNG LÊ THANH PHÙNG LUẬN VĂN THẠC SĨ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA CÁNH ĐỒNG PIN MẶT TRỜI (PHẦN ĐIỆN) 2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LÊ THANH PHÙNG XÂY DỰNG GIẢI THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA CÁNH ĐỒNG PIN MẶT TRỜI (PHẦN ĐIỆN) LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LÊ THANH PHÙNG XÂY DỰNG GIẢI THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT CỦA CÁNH ĐỒNG PIN MẶT TRỜI (PHẦN ĐIỆN) LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS TRƯƠNG VIỆT ANH TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2013 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP Cán hướng dẫn khoa học : TS TRƯƠNG VIỆT ANH (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 18 tháng 01 năm 2014 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 TS Nguyễn Thanh Phương Chủ tịch TS Võ Hoàng Duy Phản biện PGS.TS Trần Thu Hà Phản biện TS Đinh Hoàng Bách Ủy viên TS Nguyễn Minh Tâm 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 HCM, ngày … tháng… năm 20 … NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Thanh Phùng Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 15/10/1983 Nơi sinh: Tp.HCM Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1241830023 I- Tên đề tài: Xây dựng giải thuật nâng cao hiệu suất cánh đồng Pin mặt trời ( Phần điện) II- Nhiệm vụ nội dung: - Xây dựng mơ hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng bóng che, phân tích đặc tuyến I-V, P-V pin mặt trời, phụ thuộc đặc tính pin mặt trời điều kiện môi trường - Nghiên cứu giải thuật MPPT pin mặt trời, đề xuất phương pháp MPPT xét đến ảnh hưởng bóng che - Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời - Thi cơng phần cứng dị tìm điểm cực đại bị bóng che - Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời, chuyển đổi lượng giải thuật dị tìm điểm làm việc cực đại cho cánh đồng pin III- Ngày giao nhiệm vụ: 18/06/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 16/12/2013 V- Cán hướng dẫn: TS Trương Việt Anh CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) TS Trương Việt Anh LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa cơng bố cơng trình khác Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lê Thanh Phùng LỜI CẢM ƠN Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập nghiên cứu luận văn đánh dấu cuối trình học cao học Để có thành hơm nay, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn Nhà trường, Thầy Cơ, Gia đình bạn bè, người ln cố gắng tạo điều kiện để em có kết tốt học tập Riêng luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc thầy Trương Việt Anh giáo viên hướng dẫn Thầy tận tình giảng dạy bảo hướng dẫn cho em, tạo điều kiện thuận lợi giúp em vượt qua nhiều trở ngại suốt trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy! Cuối cùng, xin cảm ơn tất bạn, người đồng hành em suốt khoá học trình thực chuyên đề Học viên thực Lê Thanh Phùng TÓM TẮT Trong điều kiện thay đổi môi trường, làm cho đặc tuyến PV pin mặt trời thay đổi Có nhiều chuyển đổi lượng đề xuất từ nghiên cứu tác giả khác bao gồm giải thuật tìm điểm MPP Nhưng có tác giả xét đặc tuyến PV điều kiện bị bóng che xạ Luận văn tập trung nghiên cứu cải thiện chuyển đổi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm cực đại pin mặt trời cấu hình chuyển đổi NL cho hệ thống cánh đồng pin mặt trời xét điều khiện bị bóng che Cấu hình chuyển đổi NL đề xuất chia cánh đồng pin thành nhiều phần tử pin nhỏ, phần tử pin, phần từ trang bị DC/DC riêng, ghép song song lại với bus voltage Bộ MPPT dò từ đến 90%, q trình dị lưu lại điểm có cơng suất lớn nhất, dị xong xuất điểm có cơng suất lớn làm việc Kết mô thực nghiệm cho thấy cấu hình truyền cơng suất lưới lớn so với cấu hình chuyển đổi NL dùng chung cho cánh đồng pin Giải thuật MPPT khắc phục nhược điểm dò sai điểm cực trị địa phương cánh đồng pin bị bóng che ABSTRACT In the changing conditions of the environment, PV characteristics of solar are changed Energy converters has been proposed from studies of different authors including algorithm maximum power point tracking But few authors consider the PV characteristics under partially shaded insolation conditions This thesis focus research and improve energy converters for solar fields under partially shaded insolation conditions This thesis presents the algorithm to maximum power point tracking and energy converter configuation for solar fields under partially shaded insolation conditions Solar fields are divided into several small elements for Energy converter configuation that is proposed, each element is a solar panel, each of which is equipped with a saperated DC/DC, and is installed together on the bus voltage parallelly The MPPT set tracks from to 90%, in the tracking process, it will save the maximum power point, when completing the track process, the maximum power point will be output for working Simulation and experimental results shows that this configuration transmits output power that is larger than configuration of energy converter used for whole the fields MPPT algorithm can overcome disadvantages of error detecting at the local maximum power point when solar fields is under shaded insolation conditions MỤC LỤC Trang tựa Xác nhận cán hướng dẫn Nhiệm vụ luận văn Lời cam đoan i Lời cảm tạ ii Tóm tắt iii Abstract iv Mục lục v Danh sách chữ viết tắt vi Danh sách bảng vii Danh sách hình viii CHƯƠNG 1:TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung lĩnh vực nghiên cứu, kết nghiên cứu nước cơng bố 1.2 Mục đích đề tài 1.3 Nhiệm vụ đề tài giới hạn đề tài 1.4 Phương pháp nghiên cứu CHƯƠNG 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình pin mặt trời 2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC 11 2.2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter .11 2.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter 14 2.3 Điểm làm việc cực đại Pin mặt trời 17 2.4 Các phương pháp tìm điểm cực đại pin mặt trời phổ biến 20 2.4.1 Phương pháp điện áp số 20 2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 22 2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance) .23 2.5 Pin mặt trời bị ảnh bóng che .25 CHƯƠNG 3: ĐỀ XUẤT BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI 3.1 Xây dựng cấu hình chung cho chuyển đổi lượng .29 3.2 Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời bị bóng 31 3.2.1 Cấu hình DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1) 31 3.2.2 Cấu hình DC/DC cho pin (cấu hình 2) 3.3 Xây dựng mơ hình mơ giải thuật 32 33 3.3.1 Mơ hình Pin mặt trời 33 3.3.2 Cấu hình chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất 3.3.3 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 37 39 CHƯƠNG 4:KẾT QUẢ MƠ PHỎNG 43 4.1.Mơ hình mơ .43 4.1.1 Mơ hình hệ thống mơ cấu hình 43 4.1.2 Mơ hình hệ thống mơ cấu hình 46 4.2 Kết mô .47 CHƯƠNG 5:KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 56 5.1 Mơ hình thực nghiệm 56 5.2 Kết thực nghiệm 62 CHƯƠNG 6:KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 67 6.1 Kết luận .67 6.2 Hướng phát triển đề tài TÀI LIỆU THAM KHẢO .68 .69 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT P&O (Perturb and Observe) INC (Incremental Conductance) NL: Năng lượng CĐNL: chuyển đổi lượng MPP: Maximum power point (điểm có cơng suất lớn nhất) MPPT: Maximum power point tracking (dị tìm điểm có cơng suất lớn nhất) DC/DC: Direct Curent/ Direct Curent Hình 5.9 Lưu đồ chương trình 5.4 Kết thực nghiệm Kết thực nghiệm việc đo điện áp hở mạch pin chưa bi bóng hồn tồn 12h10’ ngày 20/11/2013 Hình 5.10 Đo pin chưa bi bóng Hình 5.11 Điện áp pin chưa bị bóng Hình 5.12 Pin bị che cell Bảng 5.1: Kết điện áp hở mạch pin bóng che, thơng số pin hình 5.3 gồm 36 cell nối tiếp STT Số cell bị che Điên áp hở mạch (V) 19,40 18.15 17,41 18 13,85 Hình 5.13 Cơng suất PV thu từ 14h00 đến 15h00’ ngày 20/11/2013 Hình 5.13 cho thấy cơng suất ln thay đổi, thay đổi vùng bóng (thực cách che pin) xạ vùng bóng khơng thay đổi cơng suất thu tương đối ổn định Hình 5.14 Sự thay đổi biến Duty (độ rộng xung) Hình 5.14 cho thấy, lập trình chạy thực nghiệm, cho duty chạy từ đến 88% tưng ứng với 12 đến 86%, mục đích việc làm nhằm loại bỏ vùng không cần thiết, tránh trường cố ngắn mạch pin tăng tốc độ dị tìm điểm MPP Hình 5.15 Điện áp PV Tại giá trị cực đại, điện áp rơi khỏi vùng 73 đến 80% phương pháp số khơng đổi Hình 5.16 Đặc tuyến P-V mô ghép pin 80 làm việc song song tưng ứng với xạ 0.2 0.4 0.6 0.8 kW/m2 Trong pin 80W bị bóng tồn phần cell Ở hình 5.13 5.16 ta thấy, với công suất thu từ thời gian 945 đến 2125 nằm xạ khoảng 0.6 kW/m2 so với mô thực nghiệm Công suất việc mô thực nghiệm giống nhau, hình 5.13 5.14, hình 5.14 duty chạy từ đến 90% (các đường dốc đứng) cơng suất tăng lên giảm xuống, MPPT lưu lại giá trị công suất lớn nhất, sau đến 90% xuất giá trị làm việc CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 6.1 Kết luận Mơ hình xây dựng Matlab/Simulink với hàm I theo phương trình tốn học pin mặt trời thực nghiệm dựa sản phẩm pin mặt trời thương mại Ngoài từ mơ hình dạng tín hiệu phát triển thành mơ hình dạng vật lý giúp mơ tả xác chất pin mặt trời với đáp ứng dòng điện điện áp lên tải tiêu thụ điều kiện mơi trường Mơ hình khảo sát đặc tuyến P-V, I-V pin xét kiện xạ, nhiệt độ thay đổi, phần pin bị bóng che, dẫn đến xạ không pin Đè tài nghiên cứu số chuyển đổi NL buck ,boost, giải thuật tìm điểm cực đại pin mặt trời gồm giải thuật điện áp số, P&O InC Trong đó, giải thuật P&O Inc hai giải thuật phổ biến tính đơn giản giải thuật hiệu việc tìm điểm MPP pin mặt trời Tuy nhiên, với cánh đồng pin mặt trời điều kiện môi trường thay đổi chúng khơng đáp ứng kịp, điều kiện pin bị bóng che, giải thuật dị sai điểm MPP hay với cấu hình cánh đồng pin chúng cho công suất chưa lớn cỏ thể Để khắc phục nhược đểm để tài đưa cấu hình cánh đồng pin mặt trời sử dụng DC/DC mạch boost, DC/DC trang bị cho pin cánh đồng pin, việc làm làm cho cơng suất thu lớn cánh đồng pin Kết mô Matlab & Simulink cho thấy chuyển đổi lượng đề xuất cho cơng xuất lớn cấu hình thơng thường, thời gian tìm đến điểm MPP nhanh Kết thực nghiệm cho thấy giải thuật dị tìm điểm MPP pin bị bóng đúng, kết dị tìm nhanh 6.2 Hướng phát triển đề tài Cần có cấu hình cho chuyển đổi NL tốt nhơn nửa, cần xem xét đến mạch hiệu suất DC/DC Tích hợp nghịch lưu hịa lưới cho hệ thống cánh đồng pin NL mặt trời TÀI LIỆU THAM KHẢO Viện khí tượng thủy văn: http://www.imh.ac.vn/ First Solar Việt Nam – dự án công nghệ cao đầu năm 2011, http://www.hepza.hochiminhcity.gov.vn 3.Đặng Đình Thống “Cơ sở lượng tái tạo” Nhà xuất khoa học kỹ thuật 2006 Jeyraj Selvaraj and Nasrudin A Rahim’Multilevel Inverter For Grid-Connected PV System Employing Digital PI Controller’ IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL LECTRONICS, VOL 56, NO 1, JANUARY 2009 Syafrudin Masri, Pui-Weng Chan ‘Development of a microcontroller – based boost converter for photovoltaic system’ ISSN 1450-216X Vol.41 No.1 (2010) Ahmed A A Hafez ‘Simple maximum power point contronller for single – phase grid connected PV system’ Cairo University, Egypt, December 19-21, 2010, paper ID 123 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 Marcio Mendes Casaro*, Denizar Cruz Martins Power Electronics Institute, Federal University of Santa Catarina ‘Grid-Connected PV System: Introduction to Behavior Matching’ A.P.S Ramalakshmi ‘Comparision of solar panel power under varying load and irradiance conditions’ 10 Jing Li , Fang Zhuo , Xianwei Wang , Lin Wang , Song Ni ‘A Grid-Connected PV System with Power Quality Improvement Based on Boost + Dual-Level Four-Leg Inverter’ 11 Samatcha Phuttapatimok, Anawach Sangswang, Member, IEEE, and Krissanapong Kirtikara ’ Effects on Short Circuit Level of PV Grid-Connected Systems under Unintentional Islanding’ 12 Fei Wang, Chengcheng Zhang, Zengqiang Mi ’ Anti-islanding Detection and Protection for Grid connected PV System Using Instantaneous Power Theory’ 13 Fei Wang, Zengqiang Mi ‘Passive Islanding Detection Method for Grid Connected PV System’ 2009 International Conference on Industrial and Information Systems 14 M.B Bana Sharifian ‘Single-Stage grid connected photovoltaic system with Reactive power control and adaptive predictive current controller’ Journal of applied sciences (8): 1593-1509, 2009 15 N Hamrouni and A.Cherif ‘Modelling and control of a grid connected photovoltaic system’ Revue des Energies Renouvelables Vol 10 No3 September 2007) 16 Roberto F Coelho, Filipe M Concer, Denizar C Martins ‘A MPPT Approach Based on Temperature Measurements Applied in PV Systems’ Electrical Engineering Departament, Power Electronics Institute, Federal University of Santa Catarina, P.O 5119 - Florianópolis, SC 88040-970, Brazil 17.Vocational School of Technical Studies, Marmara University, Kadıkoy, 34722 Istanbul, Turkey ‘Recent Developments inMaximumPower Point Tracking Technologies for Photovoltaic Systems’ 18 Ibrahim, H E.-S A and Houssiny, F F., “Microcomputer Controlled Buck Regulator for Maximum Power Point Tracker for DC Pumping System Operates from Photovoltaic System,” Proceedings of the IEEE International Fuzzy Systems Conference, August 22-25,Vol 1, pp 406-411 (1999) 19 Jawad Ahmad, and Hee-Jun Kim “A Voltage Based Maximum Power Point Tracker for Low Power and Low Cost Photovoltaic Applications” World Academy of Science, Engineering and Technology 60 2009 20 Masoum, Mohammad A S Dehbonei, Hooman, “Design, Construction and Testing of a Voltagebased Maximum Power Point Tracker (VMPPT) for Small Satellite Power Supply” SSC99-XII-7 21 Enslin, J H R and Snyman, D B., “Simplified Feed-Forward Control of the Maximum Power Pont in PV Installations” Proceedings of the IEEE International Conference on Power Electronics Motion Control, Vol.1, pp 548-553 (1992) 22.Sree Manju B, Ramaprabha R, Mathur B.L “Design and Modeling of Standalone Solar Photovoltaic Charging System”International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 18– No.2, March 2011 23 Mayssa Farhat, Lassâad Sbita “Advanced Fuzzy MPPT Control Algorithm for Photovoltaic Systems ” Science Academy Transactions on Renewable Energy Systems Engineering and Technology Vol 1, No 1, March 2011 24 D P Hohm and M E Ropp“Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms” Res Appl 2003 25 R Belaidi, M Fathi, A Haddouche, A Chikouche, G Mohand Kaci and Z Smara, “ Study and Simulation of a Mppt controller based on Fuzzy logic controller for photovoltaic system” IGEC-VI2011-208 26.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 27 Huan-Liang Tsai “Insnolation oriented model of PV using Matlab/Simulink” Solar Energy 13181326 28 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 PHỤC LỤC Chương trình dị điểm MPP cánh đồng pin bị bóng: function [y,U,P,t2,t3,t4,t5] = fcn(a,b,c,d,f,duty,u,t, p,Pmpp,Umpp,power,timer) timer = timer + 1; if (timer >=50) c = 0; b = b + 1; if (b>5) t = t + 1; c = 1; end if (c == 1) a = a + 0.01; b = 0; c = 0; end c = 0; if (t140) a = duty; end if (t>=220) f = 0.9*Pmpp; d = 1.1*Pmpp; if (p>=d) t = 0; timer = 0; Pmpp = 0; Umpp = 0; a = -1; end if (p 220) { duty = Dmpp; } trunggian_tren = Pmpp*12; trunggian_tren = trunggian_tren/10; can_tren = trunggian_tren; trunggian_duoi = Pmpp*8; trunggian_duoi = trunggian_duoi/10; can_duoi = trunggian_duoi; if (timer > 300) { if (P1>=can_tren) { timer = 30; duty = 30; Dmpp = 0; Pmpp = 0; Vmpp = 0; } if (P1