Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm

1 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM NGUYỄN NGỌC THOẠI NGUYỄN NGỌC THOẠI LUẬN VĂN THẠC SĨ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG BÓNG RÂM KHÓA: 2012 LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số ngành: 605202202 Mẫu nhãn đĩa CD-ROM: Trường ĐH Công Nghệ Tp.HCM LUẬN VĂN THẠC SĨ Học Viên: Nguyễn Ngọc Thoại MSHV: 1241830033 Ngành: Kỹ Thuật Điện Mã ngành: 605202202 KHĨA: 2012 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG BÓNG RÂM Năm 2014 n BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP HCM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP Hồ Chí Minh, ngày …… tháng …… năm …… BẢN CAM ĐOAN Họ tên học viên: Nguyễn Ngọc Thoại Ngày sinh: 07/4/1977 Nơi sinh: TP.HCM Trúng tuyển đầu vào năm: 2012 Là tác giả luận văn: Điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin quang điện mặt trời có xét đến tượng bóng râm Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 605202202 Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014 Điểm bảo vệ luận văn: 6,9 Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài theo góp ý Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ Các nội dung chỉnh sửa: Trình bày lý chọn giải thuật Cần có so sánh kết giải thuật đề xuất với kết khơng có sử dụng giải thuật đề xuất Người cam đoan (Ký, ghi rõ họ tên) Cán Hướng dẫn (Ký, ghi rõ họ tên) Nguyễn Ngọc Thoại LỜI CÁM ƠN Trước tiên, xin chân thành cảm ơn quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện hết lòng động viên tinh thần lẫn vật chất thành viên gia đình suốt thời gian qua Đồng thời cảm ơn Thầy Huỳnh Châu Duy hướng dẫn, quan tâm tạo thuận lợi cho thân học viên suốt thời gian thực đề tài tốt nghiệp Bên cạnh đó, xin chuyển lời cảm ơn đến Ban Giám đốc Công ty Điện lực Gia Định, nơi học viên công tác tạo điều kiện thời gian điều kiện thuận lợi khác để học viên hồn thành chương trình cao học Ngoài học viên xin gởi lời cảm ơn đến tất Thầy Cô trực tiếp giảng dạy suốt khóa học, đồng nghiệp chia khó khăn, người bạn quan tâm, động viên giữ mối liên lạc tốt trình học tập rèn luyện vừa qua Học viên thực luận văn Nguyễn Ngọc Thoại TÓM TẮT Năng lượng cần thiết cho sống Gần đây, nhu cầu sử dụng lượng tăng lên nhiều toàn giới Điều dẫn đến khủng hoảng lượng biến đổi khí hậu Các nỗ lực nghiên cứu việc hướng tới việc khai thác sử dụng nguồn lượng tái tạo giải vấn đề So với nguồn lượng nhiên liệu hóa thạch truyền thống, nguồn lượng tái tạo có ưu điểm chủ yếu sau đây: bền vững, không cạn kiệt, miễn phí khơng gây nhiễm mơi trường Có thể dễ dàng hiểu lượng tái tạo nguồn lượng tạo từ nguồn tài nguyên thiên nhiên mà tái tạo xạ mặt trời, gió, thủy triều, sóng biển, v v Trong số nguồn lượng này, lượng mặt trời nguồn lượng tái tạo quan trọng sử dụng rộng rãi Năng lượng mặt trời sử dụng phổ biến để cung cấp nhiệt, ánh sáng điện Một công nghệ quan trọng lượng mặt trời pin quang điện (Photovoltaic, PV) mà chuyển đổi xạ trực tiếp thành điện hiệu ứng quang điện Tuy nhiên, thân trình chuyển đổi lượng điện lại có hai vấn đề cần giải Thứ nhất, hiệu suất chuyển đổi tế bào pin quang điện thấp (9 % đến 17 %), đặc biệt điều kiện xạ thấp Thứ hai, điện phát pin quang điện thay đổi liên tục với điều kiện thời tiết khác Ngoài ra, đặc tính VI pin quang điện phi tuyến tính thay đổi theo xạ nhiệt độ Nhưng tổng quát cho thấy, luôn tồn điểm đường cong VI VP mà gọi điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP) Điều có nghĩa hệ thống pin quang điện hoạt động với hiệu suất tối đa tạo công suất ngõ tối đa Điểm công suất cực đại trước đường cong VI VP, xác định thuật tốn tìm kiếm mà có ưu nhược điểm khác liên quan đến tính đơn giản, tốc độ hội tụ, thêm phần cứng hỗ trợ chi phí thực Luận văn trình bày thuật tốn P&O để tìm kiếm điểm cơng suất cực đại đặc tính VI hệ pin quang điện, đặc biệt xét đến ảnh hưởng tượng bóng râm ABSTRACT Energy is absolutely essential for our life Recently, energy demand has greatly increased all over the world This has resulted in an energy crisis and climate change The research efforts in moving towards renewable energy can solve these problems Compared to conventional fossil fuel energy sources, renewable energy sources have the following major advantages: they are sustainable, never going to run out, free and non-polluting Renewable energy is the energy generated from renewable natural resources such as solar irradiation, wind, tides, wave, etc Amongst these sources, solar energy is one of the most important renewable sources and is widely used Solar energy is popularly used to provide heat, light and electricity One of the important technologies of solar energy is photovoltaic (PV) which converts irradiation directly to electricity by the photovoltaic effect However, the solar PV generation panels have two main problems Firstly, the conversion efficiency of solar PV cells is very low (9% to 17%), especially under low irradiation conditions Secondly, the amount of electric power which is generated by solar PV panels changes continuously with various weather conditions In addition, the V-I characteristic of the solar cell is non-linear and varies with irradiation and temperature But in general, there is always a unique point on the V-I or V-P curve which is called the Maximum Power Point (MPP) This means that the solar PV system will operate with maximum efficiency and produce a maximum output power The MPP is not known on the V-I or V-P curve, but it can be located by search algorithms which can have several advantages and disadvantages concerned with simplicity, convergence speed, extra hardware and cost This thesis presents the P&O algorithm for searching a MPP on the V-I characteristic of the solar PV system, especially under partial shading conditions MỤC LỤC Bản cam đoan .i Lời cảm ơn ii Tóm tắt .iii Abstract iv Mục lục v Chương 1: Giới thiệu 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu nghiên cứu .2 1.3 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.4 Nội dung nghiên cứu .3 1.5 Bố cục luận văn .3 Chương : Tổng quan tình hình nghiên cứu 2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu nước 2.2 Tổng quan tình hình phát triển lượng mặt trời Việt Nam Chương 3: Pin quang điện 3.1 Giới thiệu .11 3.2 Sơ đồ thay đơn giản PV 15 3.3 Sơ đồ thay PV có xét đến tổn hao .16 3.4 Modul PV 17 3.5 Mảng PV 18 3.5.1 Nối nối tiếp nhiều modul PV 18 3.5.2 Nối song song nhiều modul PV .19 3.5.3 Nối hổn hợp nhiều modul PV .19 3.6 Phân loại hệ thống PV 20 3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện 20 3.6.2 Hệ thống PV độc lập .21 3.7 Các ảnh hưởng đến PV 22 3.7.1 Ảnh hưởng cường độ chiếu sáng 22 3.7.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 22 3.7.3 Ảnh hưởng tượng bóng râm 23 Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện 4.1 Giới thiệu 31 4.2 Bộ biến đổi DC/DC 33 4.2.1 Bộ biến đổi Buck 33 4.2.2 Bộ biến đổi Boost 36 4.2.3 Bộ biến đổi Buck – Boost .37 4.3 Điều khiển biến đổi DC/DC .38 4.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp 38 4.3.2 Điều khiển dòng điện hồi tiếp 39 4.4 Thuật tốn xác định điểm cơng suất cực đại 40 4.4.1 Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) 40 4.4.2 Thuật toán Incremental Conductance (IC) 43 4.4.3 Thuật tốn điện áp khơng đổi .45 4.4.4 Thuật tốn dòng điện ngắn mạch .46 Chương : Kết mô 5.1 Giới thiệu 48 5.2 Xây dựng mô hình mơ hệ thống pin quang điện 48 5.3 Kết mô cho array pin quang điện 53 5.3.1 Trường hợp khơng bị bóng râm 53 5.3.2 Trường hợp bị bóng râm .56 5.3.2.1 Trường hợp 56 5.3.2.2 Trường hợp 60 5.3.2.3 Trường hợp 63 5.3.2.4 Trường hợp 66 5.4 Kết luận 69 Chương : Kết luận hướng phát triển tương lai 6.1 Kết luận 70 6.2 Hướng phát triển tương lai 70 Tài liệu tham khảo 72 Danh mục từ viết tắt Hình 5.26 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp Tương tự, hình 5.25 5.26 biểu diễn đặc tuyến V-I V-P hệ pin quang điện xét đến hiệu ứng bóng râm module số 7, 13, 14, 19, 20 21 Do ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đặc tuyến V-P, hình 5.20 xuất nhiều điểm cực trị, số điểm cực trị tồn điểm cực đại tồn cục mà thuật tốn P&O cần xác định thực điều khiển bám điểm công suất cực đại tồn cục này, nhằm đảm bảo cơng suất thu hệ pin quang điện cực đại Hình 5.27 Cơng suất thu hệ pin quang điện, trường hợp Hình 5.28 Điện áp ngõ hệ pin quang điện, trường hợp Hình 5.29 Cường độ dòng điện ngõ hệ pin quang điện, trường hợp Hình 5.27 - 5.29 đặc tuyến công suất, điện áp cường độ dòng điện hệ pin quang điện tương ứng với module số 7, 13, 14, 19, 20 21 bị che Trong trường hợp số module bị che đáng kể, 06 module Khi ấy, lượng xạ nhận hệ pin quang điện giảm đáng kể, cơng suất thu hệ pin quang điện bị ảnh hưởng giảm lượng ∆P=2095,51 - 1706,96 = 388,55W VMPP = 72,39 (V) IMPP = 23,58 (A) PMPP = 1706,96 (W) 5.3.2.4 Trường hợp Giả sử array bị che phần với xạ nhận module là: G1 = G7 = G8 = G13 = G14 = G15 = G19 = G20 = G21 = G22 = 700 (W/m ), module lại khơng bị che có G = 1000 (W/m ) Hình 5.30 Array pin quang điện bị bóng râm Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 22 Hình 5.31 Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 72 Hình 5.32 Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp Tương tự, hình 5.31 5.32 biểu diễn đặc tuyến V-I V-P hệ pin quang điện xét đến hiệu ứng bóng râm module số 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 22 Do ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đặc tuyến V-P, hình 5.32 xuất nhiều điểm cực trị, số điểm cực trị tồn điểm cực đại toàn cục mà thuật toán P&O cần xác định thực điều khiển bám điểm cơng suất cực đại tồn cục này, nhằm đảm bảo công suất thu hệ pin quang điện ln cực đại 73 Hình 5.33 Cơng suất thu hệ pin quang điện, trường hợp 74 75 Hình 5.34 Điện áp ngõ hệ pin quang điện, trường hợp Hình 5.35 Cường độ dòng điện ngõ hệ pin quang điện, trường hợp Hình 5.33-5.35 đặc tuyến cơng suất, điện áp cường độ dòng điện hệ pin quang điện tương ứng với module số 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 22 bị che Trong trường hợp số module bị che đáng kể, 10 module Khi ấy, lượng xạ nhận hệ pin quang điện giảm đáng kể, cơng suất thu hệ pin quang điện bị ảnh hưởng giảm lượng, ∆P=2095,51 - 1668,21 = 427,30W VMPP = 71,63 (V) IMPP = 23,29 (A) PMPP = 1668,21 (W) 76 5.4 Kết luận Trong trường hợp xét đến hiệu ứng bóng râm, cơng suất thu ln nhỏ trường hợp khơng bị bóng râm Tùy theo tỷ lệ bóng râm mà cơng suất thu hệ pin quang điện bị suy giảm tương ứng Bằng việc sử dụng thuật tốn P&O phục vụ cho việc tìm kiếm điểm cơng suất cực đại tồn cục thực điều khiển bám điểm cơng suất cực đại tồn cục thông qua chuyển đổi công suất DC/DC, công suất thu hệ pin quang điện đảm bảo giá trị cực đại Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI 6.1 Kết luận Luận văn đạt kết bao gồm: - Nghiên cứu khảo sát đặc tính hệ pin quang điện điều kiện nhiệt độ xạ mặt trời khác - Nghiên cứu khảo sát đặc tính hệ pin quang điện điều kiện không xét xét đến tượng bóng râm - Nghiên cứu thuật tốn điều khiển bám điểm cơng suất cực đại Trong số thuật toán nghiên cứu, luận văn sử dụng thuật toán P&O thuật toán đơn giản hiệu để tìm kiếm điểm cơng suất cực đại tồn cục - Các kết mô cho thấy hiệu thuật tốn sử dụng cho việc tìm kiếm điều khiển bám điểm công suất cực đại tương ứng với trường hợp che khuất khác Khi ấy, công suất thu hệ pin quang điện bị suy giảm tương ứng với tỷ lệ che khuất khác 6.2 Hướng phát triển tương lai Phạm vi nghiên cứu đề tài giới hạn số điểm mà sở nghiên cứu phát triển tương lai: 77 - Hệ pin quang điện nghiên cứu nghiên cứu mở rộng để cung cấp cho tải AC thông qua biến đổi công suất DC/AC với chất lượng điện AC đảm bảo giá trị biên độ dạng sóng điện áp tần số - Hệ pin quang điện nghiên cứu nghiên cứu mở rộng để kết nối với lưới điện quốc gia - Khảo sát nghiên cứu ảnh hưởng ổn định hệ thống điện kết nối nguồn pin quang điện vào lưới điện quốc gia - Nghiên cứu tiếp tục phát triển cho thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại khác mà nâng cao hiệu khai thác nguồn lượng mặt trời 78 - Nghiên cứu tiếp tục phát triển mà xem xét cho trường hợp hiệu ứng bóng râm khác mà ảnh hưởng đến hiệu suất khai thác nguồn lượng mặt trời TÀI LIỆU THAM KHẢO [2.1] N Femia, D Granozio, G Petrone, G Spaguuolo, M Vitelli, “Optimized one- cycle control in photovoltaic grid connected applications”, IEEE Trans Aerosp Electron Syst., Vol 2, No 3, 2006 [2.2] W Wu, N Pongratananukul, W Qiu, K Rustom, T Kasparis and I Batarseh, “DSP-based multiple peak power tracking for expandable power system”, Proc APEC, 2003 [2.3] C Hua and C Shen, “Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system”, Proc APEC, 1998 [2.4] D P Hohm and M E Ropp, “Comparative study of maximum power point tracking algorithms using an experimental, programmable, maximum power point tracking test bed”, Proc Photovoltaic Specialist Conference, 2000 [2.5] K H Hussein, I Muta, T Hoshino and M Osakada, “Maximum power point tracking: an algorithm for rapidly chancing atmospheric conditions”, IEE Proc Gener Transm Distrib., Vol 142, No 1, 1995 [2.6] 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 [2.7] 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 cognitive network”, IEEE Trans Energy Conv., Vol 21, No 3, 2006 [2.8] 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 [2.9] D Sera, T Kerekes, R Teodorescu and F Blaabjerg, “Improved MPPT 79 algorithms for rapidly changing environmental conditions”, IEEE Conference, 2008 [2.10] M A Younis, T Khatib, M Najeeb and A M Ariffin, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using Artificial neural network”, Malaysian Journal, 2012 [2.11] B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari and M Bhowmik, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module”, International Journal of Advances in Engineering and Technology, IJAET, Vol.4, Iss.1, pp 579-591, 2012 [2.12] M Abdulazeez and I Iskender, “Simulation and experimental study of shading effect on series and parallel connected photovoltaic PV modules”, IEEE Conference, pp I28-I32 [2.13] R Ramaprabha, B L Mathur, “Impact of partial shading on solar PV module containing series connected cells”, International Journal of Recent Trends in Engineering, vol 2, no 7, pp 56-60, 2009 [2.14] G Venkateswarlu and P S Raju, “Maximization of electrical energy in PV cell using MPPT under partial shaded conditions with uniform isolations”, International Journal of Advanced Engineering Research and Studies, pp 98-101, 2011 [3.1] G M Master, Renewable and efficient electric power systems, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004 [3.2] www.theenergycollective.com [4.1] G M Master, Renewable and efficient electric power systems, A John Wiley & Sons, Inc., Publication, 2004 [4.2] C Hua and C Shen, “Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system”, Proc APEC, 1998 80 [4.3] D P Hohm and M E Ropp, “Comparative study of maximum power point tracking algorithms using an experimental, programmable, maximum power point tracking test bed”, Proc Photovoltaic Specialist Conference, 2000 [4.4] K H Hussein, I Muta, T Hoshino and M Osakada, “Maximum power point tracking: an algorithm for rapidly chancing atmospheric conditions”, IEE Proc Gener Transm Distrib., Vol 142, No 1, 1995 [4.5] 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 [4.6] 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 [4.7] D Sera, T Kerekes, R Teodorescu and F Blaabjerg, “Improved MPPT algorithms for rapidly changing environmental conditions”, IEEE Conference, 2008 [4.8] B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari and M Bhowmik, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module”, International Journal of Advances in Engineering and Technology, IJAET, Vol.4, Iss.1, pp 579-591, 2012 ... khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin quang điện mặt trời có xét đến tượng bóng râm để đảm bảo cơng suất ngõ lớn Khảo sát đường đặc tính V-I , V-P điều khiển để bám điểm công suất cực đại hệ. .. hưởng đến hiệu khai thác hệ thống pin quang điện 1.4 Nội dung nghiên cứu: - Tiến hành mô hệ thống điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ pin quang điện mặt trời có xét đến tượng bóng râm -... V-P tìm điểm cơng suất cực đại toàn cục hệ thống pin quang điện - Trình bày mơ thuật tốn tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống pin quang điện trường hợp khơng có có xét đến tượng bóng râm - So