Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại trong hệ thống điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO THỊ VUI XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐÀO THỊ VUI XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số: 60520202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS Phạm Đức Đại HÀ NỘI, NĂM 2017 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan cơng trình nghiên cứu thân Các kết nghiên cứu kết luận luận văn trung thực, không chép từ nguồn hình thức Việc tham khảo nguồn tài liệu thực trích dẫn ghi nguồn tài liệu tham khảo quy định Tác giả luận văn Đào Thị Vui i LỜI CẢM ƠN Luận văn “Xây dựng thuật tốn điều khiển bám điểm cơng suất cực đại hệ thống điện mặt trời” kết trình cố gắng khơng ngừng thân giúp đỡ, động viên, khích lệ thầy bạn bè đồng nghiệp Tơi xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc tới thầy TS Phạm Đức Đại tận tình hướng dẫn, chia sẻ kinh nghiệm cung cấp tài liệu khoa học để tơi hồn thành luận văn Tôi xin cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy, hướng dẫn suốt trình học tập, nghiên cứu rèn luyện trường Đại học Thủy lợi Cảm ơn đồng nghiệp trường Cao đẳng nghề Ninh Thuận giúp đỡ đóng góp ý kiến để luận văn hồn thành Xin chân thành cảm ơn! ii MỤC LỤC MỤC LỤC iii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH vi DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC BẢNG BIỂU viii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ix MỞ ĐẦU x CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Nguồn lượng mặt trời .1 1.2 Bức xạ mặt trời 1.2.1 Bức xạ mặt trời đến bên ngồi bầu khí 1.2.2 Bức xạ mặt trời đến mặt đất .5 1.3 Hiệu ứng nhà kính thu phẳng 1.3.1 Hiệu ứng nhà kính .6 1.3.2 Bộ thu lượng mặt trời phẳng 1.4 Cấu tạo, nguyên lý, tính chất pin mặt trời 1.4.1 Cấu tạo pin mặt trời 1.4.2 Nguyên lý hoạt động pin lượng mặt trời 1.5 Nguyên lý tracking điều khiển 11 1.6 Các thông số lượng mặt trời Việt Nam 12 1.7 Một số ứng dụng lượng mặt trời 15 1.7.1 Phát minh máy bay sử dụng lượng mặt trời .15 1.7.2 Điện thoại di động sử dụng lượng mặt trời 16 1.7.3 Năng lượng sinh hoạt người .16 1.7.4 Trạm xe buýt chiếu sáng tự động .17 1.7.5 Những nhà tí hon ứng dụng cơng nghệ tích trữ lượng mặt trời 17 1.7.6 Siêu ôtô chạy lượng mặt trời 18 1.7.7 Ứng dụng lượng mặt trời Việt Nam 18 CHƯƠNG MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN TỪ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 21 iii 2.1 Mơ hình hệ thống PV 21 2.1.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống .21 2.1.2 Mơ hình tốn học PV 22 2.1.3 Dòng điện ngắn mạch 24 2.1.4 Điện áp hở mạch .25 2.1.5 Công suất cực đại 26 2.1.6 Hiệu suất pin mặt trời 27 2.2 Ảnh hưởng độ xạ nhiệt độ 27 2.2.1 Ảnh hưởng độ xạ 27 2.2.2 Ảnh hưởng nhiệt độ 27 2.3 Mơ hình MATLAB/SIMULINK mơ PV 28 2.3.1 Mơ hình chuyển đổi nhiệt độ từ độ C sang độ Kelvin 28 2.3.2 Mơ hình ánh sáng tạo dòng Iph 29 2.3.3 Mơ hình dòng ngược bão hòa diode 30 2.3.4 Mơ hình tính tốn dòng bão hòa mơ đun 31 2.3.5 Mơ đun tìm NsAkT 32 2.3.6 Mô hình dòng điện đầu PV 33 2.3.7 Mơ hình Simulink mô đun PV 34 2.4 Các phương pháp biến đổi DC/DC .36 2.4.1 Bộ chuyển đổi Buck 36 2.4.2 Bộ chuyển đổi Boost 37 2.4.3 Bộ chuyển đổi Buck - Boost .38 2.4.4 Bộ chuyển đổi Cuk 39 CHƯƠNG ĐẠI (MPPT) GIỚI THIỆU VỀ PHƯƠNG PHÁP BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC .41 3.1 Nhiễu quan sát P&O 42 3.2 Gia tăng độ dẫn INC .43 3.3 Điều khiển logic mờ .45 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT 47 4.1 Nguyên lý MPPT 47 4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm MPPT phương pháp P&O 51 iv 4.3 Mô kiểm nghiệm điều khiển bám MPPT MATLAB/SIMULINK 54 4.3.1 Thực thuật toán MATLAB/SIMULINK 54 4.3.2 Kiểm nghiệm thuật toán P&O tìm điểm MPP thơng qua mơ 57 4.4 Đánh giá điều khiển bám MPPT 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .64 TÀI LIỆU THAM KHẢO .65 v DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Sơ đồ hộp thu NLMT theo nguyên lý hiệu ứng nhà kính Hình 1.2 Cấu tạo pin mặt trời Hình 1.3 Nguyên lý pin mặt trời 11 Hình 1.4 Máy bay sử dụng lượng mặt trời 15 Hình 1.5 Điện thoại sử dụng lượng mặt trời .16 Hình 1.6 Trạm xe buýt sử dụng lượng mặt trời 17 Hình 1.7 Trại lều sử dụng lượng mặt trời 17 Hình 1.8 Ơ tơ chạy lượng mặt tời 18 Hình 1.9 Pin mặt trời sử dụng Việt Nam 19 Hình 2.1 Sơ đồ tổng quát điều khiển hệ thống 21 Hình 2.2 Sơ đồ tương đương Pin mặt trời 22 Hình 2.3 Mơ hình dòng điện ngắn mạch .24 Hình 2.4 Mơ hình điện áp hở mạch 25 Hình 2.5 Đồ thị V-A đồ thị công suất pin mặt trời 26 Hình 2.6 Hệ thống .28 Hình 2.7 Chuyển đổi nhiệt độ hoạt động từ C sang Kelvin 29 Hình 2.8 Hệ thống 29 Hình 2.9 Từ ánh sáng tạo dòng điện mô đun PV .30 Hình 2.10 Hệ thống 30 Hình 2.11 Mạch điện dòng ngược bão hòa Diode 31 Hình 2.12 Hệ thống 31 Hình 2.13 Dòng bão hòa PV 32 Hình 2.14 Hệ thống 32 Hình 2.15 Mạch điện NsAkT .33 Hình 2.16 Hệ thống 33 Hình 2.17 Dòng đầu PV 34 Hình 2.18 Mơ hình Simulink mơ đun PV .34 Hình 2.19 Mơ hình mơ Simulink 35 Hình 2.20 Đồ thị biểu diễn mối quan hệ I-V P-V 36 Hình 2.21 Bộ DC/DC Buck .37 Hình 2.22: Bộ DC/DC Boost 38 Hình 2.23 Bộ chuyển đổi Buck – Boost .39 Hình 2.24 Bộ chuyển đổi Cuk 40 Hình 3.1 Đặc tính làm việc I-V PV tải 41 Hình 3.2 Đường đặc tính P-V với phương pháp P&O 42 Hình 3.3 Đường đặc tính P-V phương pháp INC 44 vi Hình 3.4 Đường cong đặc tính dP/dV dàn Pin điện mặt trời .46 Hình 4.1 Mối quan hệ I-V .48 Hình 4.2 Đặc tính dòng điện – điện áp PV điển hình 49 Hình 4.3 Đường cong I-V thay đổi độ chiếu xạ thay đổi .50 Hình 4.4 Đặc tính P-V nhiệt độ không đổi 50 Hình 4.5 Đặc tính P-V độ xạ không đổi 51 Hình 4.6 Đặc trưng đường cong cơng suất 51 Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O 52 Hình 4.8 Mối quan hệ công suất điện áp mảng PV 53 Hình 4.9 Minh họa thất thường P & O tăng độ chiếu sáng nhanh 54 Hình 4.10 Mơ PV2 Simulink 55 Hình 4.11 Sự biên thiên điện áp VL = 10V, Gs = 1kW/m2 57 Hình 4.12 Sự biên thiên công suất VL = 10V, Gs = 1kW/m2 58 Hình 4.13 Sự biên thiên điện áp VL = 20V, Gs = 1kW/m2 58 Hình 4.14 Sự biên thiên công suất VL = 20V, Gs = 1kW/m2 59 Hình 4.15 Đặc tính P-V Gs = 1kW/m2 59 Hình 4.16 Sự biên thiên điện áp VL = 12V, Gs =200 W/m2 60 Hình 4.17 Sự biên thiên cơng suất VL = 12V, Gs = 200 W/m2 61 Hình 4.18 Sự biên thiên điện áp VL = 18V, Gs = 200W/m2 61 Hình 4.19 Sự biên thiên cơng suất VL = 18V, Gs = 200W/m2 .62 Hình 4.20 Đặc tính P-V Gs = 200W/m2 62 vii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Giờ địa phương ứng với mặt trời 12 .13 Bảng 1.2 Bức xạ mặt trời (W/m2) lên bề mặt Trái đất ứng với mặt trời 12 giờ.14 Bảng 1.3 Bức xạ mặt trời lên dàn pin mặt trời ứng với mặt trời 12 14 viii Cơng suất Điện áp Hình 4.5 Đặc tính P-V độ xạ khơng đổi Hình 4.4 4.5 thể đặc tính PV coi nhiệt độ không đổi độ xạ không đổi Có thể thấy đặc tính phụ thuộc mạnh vào yếu tố thời tiết * Tìm điểm MPP Hình 4.6 Đặc trưng đường cong cơng suất Ở hình 4.6, vấn đề đặt tìm điểm VMPP điểm IMPP Điện áp MPP phụ thuộc nhiều vào độ xạ nhiệt độ nên điểm thường tìm bám MPP thuật tốn sai số Các thuật toán thường đáp ứng với thay đổi độ xạ nhiệt độ, nhiên số thuật toán phát huy hiệu xấp xỉ coi nhiệt độ không thay đổi 4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm MPPT phương pháp P&O Thuật toán xem xét tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Nếu biến thiên điện áp ( Vref  Vref  V 51 Vref  Vref V ) làm công suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm cơng suất giảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại Từ lưu đồ phương pháp P&O cho Hình 4.7 chu kỳ t, cơng suất đo PV P t  so sánh với với công suất P t 1 chu kỳ trước (t-1) Bắt đầu Điện áp làm việc Vref  V t 1 Đo V(t), I(t) Tính cơng suất P t  Sai Sai V t   V t 1 Đúng P t   P t 1 Đúng V t   V t 1 Sai Đúng Vref  Vref V Vref  Vref  V Vref  Vref V Vref  Vref  V Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O Về thuật toán - Khi công suất PV điện áp PV tăng lên lúc giảm lúc, điện áp làm việc tăng lên - Khi công suất PV tăng điện áp PV giảm công suất PV giảm điện áp PV tăng , điện áp làm việc giảm 52 - Do mục đích thuật tốn MPPT thu cơng suất cực đại, nên thuật toán MPPT lý thuyết không kết thúc (khi PV phát lượng) Tuy nhiên thuật tốn gây dao động điện áp điểm tìm gần với điểm MPPT Mơ tả thuật tốn đồ thị Cơng suất Điện áp Hình 4.8 Mối quan hệ cơng suất điện áp mảng PV Như hình 4.8 cho thấy tập hợp đường cong công suất - điện áp mảng PV mức độ chiếu sáng khác (G), độ rọi đồng nhiệt độ khơng đổi Những đường cong có điểm cực đại chung MPP Giả sử mảng PV hoạt động điểm A, cách xa MPP Trong thuật tốn P&O, điện áp hoạt động mảng PV bị nhiễu loạn gia tăng nhỏ, thay đổi kết công suất P đo đếm Nếu P dương xáo trộn điện áp hoạt động di chuyển vị trí vận hành mảng PV tới gần điểm MPP, nhiễu loạn điện áp tiếp tục hướng (cùng dấu đại số) nên di chuyển hoạt động MPP Nếu P âm điểm vận hành hệ thống di chuyển khỏi MPP (dấu dại số bị đảo ngược) để di chuyển phía MPP Các vấn đề gặp phải thực thuật toán P&O Hệ thống dao động xung quanh điểm MPP suốt trình tìm kiếm điều dẫn đến mát lượng Để khắc phục vấn đề này, giảm kích thước bước thay đổi điện áp nhiên lại làm chậm q trình dò tìm điểm MPP Khi độ xạ thay đổi nhanh 53 Hình 4.9 Minh họa thất thường P & O tăng độ chiếu sáng nhanh Một số cải tiến thuật toán P&O Trong luận văn này, tác giả sử dụng cải tiến cho thuật toán P&O hiệu  Đưa chức chờ đợi “dừng tạm thời” để giảm dao động điện áp mà điểm tìm kiếm gần với điểm MPP (ví dụ mà dấu đại số V t  V t 1 thay đổi nhiều lần liên tiếp)  Độ lớn V giảm có dao động 4.3 Mơ kiểm nghiệm điều khiển bám MPPT MATLAB/SIMULINK 4.3.1 Thực thuật toán MATLAB/SIMULINK Trong thực tế hệ thống làm việc độ xạ thay đổi Sau tác giả thực điều khiển bám MPPT Matlab /Simulink trường hợp khác để thấy rõ việc tìm điểm MPP thuật toán P&O Trong thuật toán này, việc đo điện áp công suất sau thay đổi điện áp làm việc hệ PV thay đổi độ xạ thực lý tưởng hóa khâu mơ simulink PV2 (xem chương 2) hình 4.10 54 Hình 4.10 Mơ PV2 Simulink Chương trình Matlab thực thuật toán P&O clear; dv=0.25; % bước thay đổi điện áp làm việc %%%%%%%%%%%%% Điện áp làm việc ban dau %%%%% V(1)=18; Vs=V(1); Gs=1; % độ xạ %%%%% Mo phong mo hinh PV2 %%%%%%%%%% options = simset('SrcWorkspace','current'); sim('PV2',[],options); %%%%% Lấy liệu đo công suất %%%%%%%%%%%%%%%% P(1)=Ppv(1); %%%%%%%%%%%%%%% nhieu thay doi dien ap ban đầu%%%%%%%% Vs=11; Vl=11; %%%%% thuật toán chạy 30 bước %%%%%%%%%%%%%%%%%%% for k=2: 30 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%% Mô đo công suất P(k) Vs=Vl; options = simset('SrcWorkspace','current'); sim('PV2',[],options); V(k)=Vpv(1); P(k)=Ppv(1); %%%% P(k) 55 %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% P(k) V(k) P(k-1) V(k-1) %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% if(P(k)>P(k-1)) % P(k)>P(k-1) if(V(k)>V(k-1)) %%% tang V V= V(k)+dV Vl=Vl+dv; else %%% giam V= V(k)-dV Vl=Vl-dv; end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% elseif(P(k)10) Gs=0.2; end end %%%%%%%%% Ve %%%%%%%%%%%%%%% 56 figure; stairs(V,'r','linewidth',1.5); xlabel('k'); ylabel('Dien ap V') grid; figure; stairs(P,'b','linewidth',1.5); xlabel('k'); ylabel('Cong suat P') grid; 4.3.2 Kiểm nghiệm thuật tốn P&O tìm điểm MPP thơng qua mơ 4.3.2.1 Trường hợp độ xạ không đổi Gs = 1KW/m2 a Giả sử hệ PV làm việc điện áp VL = 10V Lập trình, mơ MPPT Matlab /Simulink ta thu biến thiên điện áp với nấc V, theo cơng suất thay đổi Khi tìm điểm cơng suất lớn nhất, điện áp dao động quanh điểm tạo cơng suất lớn * Biến thiên điện áp Hình 4.11 Sự biên thiên điện áp VL = 10V, Gs = 1kW/m2 57 Điện áp làm việc tăng dần, điều chứng tỏ điện áp làm việc 10V nhỏ điện áp điểm MPP Tại V = 17.5V, điện áp dao động xung quanh điểm * Biến thiên cơng suất Hình 4.12 Sự biên thiên công suất VL = 10V, Gs = 1kW/m2 Công suất tăng dần từ 25W lên tới 40.5W b Giả sử hệ PV làm việc điện áp VL = 20V * Biến thiên điện áp Hình 4.13 Sự biên thiên điện áp VL = 20V, Gs = 1kW/m2 58 * Biến thiên công suất Hình 4.14 Sự biên thiên cơng suất VL = 20V, Gs = 1kW/m2 Nhận xét: Khi VL thay đổi điện áp cực đại ln 17.5V công suất cực đại 40,5W * Kiểm nghiệm mơ Hình 4.15 Đặc tính P-V Gs = 1kW/m2 59 Điểm MPP P=40.5W 17.5V điện áp Ta thấy kết khớp với thuật toán điều chỉnh 4.3.2.2 Trường hợp độ xạ thay đổi Giả sử Gs = 200 W/m2 a Giả sử điện áp làm việc VL = 12V Tại thời điểm bắt đầu thuật toán tác động thay đổi từ điện áp VL=12 (V) xuống điện áp 11(V) Sự biến thiên điện áp q trình thực thuật tốn Hình 4.16 Sự biên thiên điện áp VL = 12V, Gs =200 W/m2 Sự biến thiên công suất trình thực thuật tốn 60 Hình 4.17 Sự biên thiên công suất VL = 12V, Gs = 200 W/m2 a Giả sử điện áp làm việc VL = 18V Biến thiên điện áp trình thực thuật tốn Hình 4.18 Sự biên thiên điện áp VL = 18V, Gs = 200W/m2 61 Sự biến thiên cơng suất q trình thực thuật tốn Hình 4.19 Sự biên thiên cơng suất VL = 18V, Gs = 200W/m2 Nhận xét: Khi VL thay đổi điện áp cực đại ln 7,1V cơng suất cực đại 15,5W * Kiểm nghiệm mô tìm điểm cực đại độ xạ 200W/m2 Hình 4.20 Đặc tính P-V Gs = 200W/m2 62 4.4 Đánh giá điều khiển bám MPPT Thực tế hiệu suất PV thấp điện phát pin quang điện thay đổi liên tục với điều kiện thời tiết khác Tuy nhiên, tổng qt cho thấy ln tồn điểm đường cong I-V P-V mà gọi điểm công suất cực đại MPP Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại MPPT dùng thuật toán P&O thực điều chỉnh điện áp làm việc để điều chỉnh công suất tới điểm mong muốn MPP Khi công suất chưa đạt MPP điện áp liên tục biến thiên để tìm điểm VMPP Tuy nhiên, từ đồ thị ta thấy điểm làm việc ln dao động quanh điểm cực đại Việc giảm bước thay đổi điện áp làm giảm dao động Hướng phát triển đề tài giải vấn đề điện áp dao động quanh điểm cực đại Thuật toán giúp cho hệ thống tìm điểm làm việc tối ưu để đưa công suất cực đại, hạn chế vấn đề hiệu suất thấp Pin mặt trời 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ  Những kết đạt luận văn: - Xây dựng mơ hình tốn học PV - Mơ hình mơ PV - Xây dựng thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại MPPT - Mô điều khiển bám Matlab / Simulink  Đề xuất kiến nghị Từ kết nghiên cứu luận văn, hướng phát triển thiết kế thiết bị đáp ứng nhu cầu ứng dụng vào thực tiễn 64 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M.Veerachary,“Power Tracking for Nonlinear PV Sources with Coupled Inductor SEPIC Converter,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol 41, No 3, July 2005 [2] I H Altas and A.M Sharaf, “A Photovoltaic Array Simulation Model for Matlab-Simulink GUI Environment” IEEE, Clean Electrical Power, International Conference on Clean Electrical Power (ICCEP '07), June 14-16, 2007, Ischia, Italy [3] S.Chowdhury, S.P.Chowdhury, G.A.Taylor, and Y.H.Song, “Mathematical Modeling and Performance Evaluation of a Stand-Alone Polycrystalline PV Plant with MPPT Facility” IEEE Power and Energy Society General Meeting Conversion and Delivery of Electrical Energy in the 21st Century, July 20-24, 2008, Pittsburg, USA [4] Lê Thị Hồng Nhinh, “Mơ hình tốn học pin mặt trời”, Trường Đại học Sao đỏ [5] N Pandiaraian and Ranganath Muthu Department, “Mathematical Modeling of Photovoltaic Module with Simulink”, International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES 2011), 3-5 Jan 2011 [6] Mohamed A Eltawil and Zhengming Zhao, “MPPT techniques for photovoltaic applications”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2013 65 ... bảo công suất ngõ lớn x Đề tài Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống điện mặt trời nghiên cứu với phương pháp nhiễu quan sát P&O, Thuật toán xem xét tăng, giảm điện. .. .45 CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT 47 4.1 Nguyên lý MPPT 47 4.2 Xây dựng thuật toán điều khiển bám điểm MPPT phương pháp... bám điểm công suất cực đại MPPT - Chương 4: Xây dựng thuật tốn điều khiển bám điểm cơng suất cực đại xi xii CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI Trong chương luận văn tập trung vào vấn đề chung điện