Thiết kế, mô phỏng, lắp đặt bộ tăng áp DC DC của pin mặt trời cho tải một chiều

PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Đề tài “Thiết Kế, Mô Phỏng, Lắp Đặt Bộ Tăng Áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một chiều” tập trung nghiên cứu và mô phỏng mạch chuyển đổi Boost và áp dụng phương p

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS Dương Minh Quân

Phản biện 1: TS Trịnh Trung Hiếu

Phản biện 2: TS Vũ Phan Huấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ Trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

Trung tâm Học liệu và Truyền thông, Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, khi các vấn đề ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, …) ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng ta phải thay đổi hướng phát triển và tìm cách khai thác tối đa nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, …) Với những ưu điểm nổi bật như: vô tận, sạch, có sẵn; năng lượng tái tạo càng được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các nước trên thế giới Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm kể trên, chúng cũng có nhiều hạn chế về hiệu suất làm việc và chịu ảnh hưởng nhiều bởi các điều kiện thời tiết: bức xạ, nhiệt độ… Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công suất cần được tích hợp kèm theo phương pháp điều khiển

Một số bộ chuyển đổi DC/DC không thể đảm bảo khả năng hoạt động liên tục để cung cấp năng lượng cho phụ tải, điển hình là

bộ giảm áp DC/DC Khi điện áp đầu vào thấp hơn mong muốn ở đầu

ra, thì bộ chuyển đổi này không thể hoạt động nếu như tải một chiều yêu cầu điện áp cao hơn mức có thể biến đổi, có thể thấy rõ nhất là khi ánh sang yếu (buổi tối, pin bị che khuất nhiều) Do đó cần có một

bộ chuyển đổi DC/DC trong mọi điệu kiện ánh sáng và vẫn phải đảm bảo độ ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các tải 1 chiều

Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế, mô phỏng, lắp đặt bộ tăng áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một chiều”

Nội dung luận văn tập trung thiết kế tìm ra các thông số của mạch tăng áp, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink Từ đó, bộ điều khiển PI được thiết kế để điều khiển và đảm bảo sự ổn định điện

áp đầu ra của mạch tăng áp DC/DC Một mô hình mạch tăng áp DC/DC được lắp đặt cho thấy khả năng hoạt động thực tế

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tính toán lựa chọn các thông số phù hợp cho mạch tăng áp DC/DC Thiết kế bộ điều khiển Phân tích kết quả thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC thực tế

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Cách chọn lựa thông số của mạch tăng áp DC/DC;

- Sơ lược thuật toán bắt điểm công suất cực đại của pin mặt trời;

- Bộ điều khiển mạch tăng áp;

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài “Thiết Kế, Mô Phỏng, Lắp Đặt Bộ Tăng Áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một chiều” tập trung nghiên cứu và mô phỏng mạch chuyển đổi Boost và áp dụng phương pháp điều khiển PI để đưa ra điện áp đầu ra như mong muốn gần giống với thực tế Đề tài được xây dựng dựa trên ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời Các mạch tính toán thiết kế được kiểm tra tính đúng đắn bằng phương pháp mô phỏng trên công cụ toán học Matlab/Simulink, sau đó thực hiện lắp đặt bộ tăng áp DC/DC

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng trong các nghiên cứu về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng Tính toán,

mô hình hóa và lắp đặt mạch tăng áp DC/DC có điều khiển kiểm

chúng giữa lí thuyết và thực tế Đề tài có khả năng phát triển tạo thành một bộ chuyển đổi hoàn thiện cho năng lượng mặt trời theo chiều hướng kết nối với lưới điện

Tính thực tiễn: Kiểm chứng và đánh giá được khả năng hoạt động thực tế của mạch tăng áp DC/DC Có thể ứng dụng cao trong đời sống: dùng cho đèn đường, đèn tín hiệu, …

6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan năng lượng mặt trời và các bộ chuyển đổi năng lượng

Chương 2: Tính toán thiết kế bộ giảm áp DC/DC

Chương 3: Mô hình hóa, mô phỏng bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC

Chương 4: Xây dựng mô hình bộ giảm áp DC/DC

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ

CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 1.1 Năng lượng mặt trời tại Việt Nam

1.1.1 Tình hình tổng quát về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng

đã được coi trọng trong nhiều thập kỷ qua Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới nên được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam của đất nước, với cường độ BXMT trung bình khoảng 5 kWh/m2, nhờ vào đặc điểm địa lý thuận lợi gần xích đạo cùng với khu vực Tây Nguyên có độ cao lớn Trong khi đó cường độ BXMT lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết bất thuận lợi hơn so với hai miềm còn lại Ở Việt Nam, BXMT trung bình 230-250 kcal/cm2 chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE, lượng BXMT thu được càng cao khi di chuyển về hướng phía nam [1] Ở Việt Nam, Năng lượng mặt trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng

300 ngày/năm Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt Với tất cả những điều kiện thuận lợi đó, chính phủ Việt Nam ngày càng có nhiều hành động khuyến khích phát triển loại hình năng lượng này Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18 tháng 3 năm 2016 phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 -

2020 có xét đến 2030, cụ thể: tăng công suất lắp đặt điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020; khoảng 4.000 MW vào năm 2025

và khoảng 12.000 MW vào năm 2030 Ngoài ra, thông tư 16/2017/TT-BCT ban hành ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Ngoài ra còn nhiều chính sách ưu tiên về sử dụng toàn bộ lượng công suất do các nhà máy năng mặt trời và gió phát ra đồng thời nâng cao giá bán điện của năng lượng mặt trời 1.1.2 Tiềm phát triển về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang đề xuất nhiều phương pháp để cố gắn tận dụng tối đa những nguồn lợi mà nguồn năng lượng này mang lại Theo đó, NLMT đang được ứng dụng rộng rãi dưới hai dạng chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời

- Điện mặt trời: Hiện nay loại hình này ngày càng phát triển mạnh Dựa trên hiện tượng quang điện trong, năng lượng mặt trời dưới dạng bức xạ và nhiệt được hấp thu thông quá các tấm pin quang điện (PV) chuyển hóa thành điện năng và được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các công cụ

hổ trợ biến đổi Điện mặt trời phát triển với nhiều quy mô khác nhau, ở đây ta xét quy mô lớn nối lưới, quy mô nhỏ nối lưới và quy mô nhỏ không nối lưới

- Nhiệt mặt trời: Loại hình này được sử dụng phổ biến cho các thiết bị đun nước nóng hay thiết bị đun bằng tấm thu nhiệt NLMT, thiết bị sấy NLMT, thiết bị chưng cất nước dùng NLMT, dùng chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling) Đối với các nhà máy điện kiểu nhiệt mặt trời, nhiệt năng thu được từ các tấm parabol được tập trung tại tiêu điểm làm nóng chất lỏng (dầu, nước) trải qua nhiêu

công đoạn sinh hơi làm quay tuabin, nhìn chung loại hình này khá giống với nhà máy nhiệt điện hiện nay

1.2 Pin Năng Lượng Mặt Trời

1.2.1 Giới thiệu

Pin năng lượng mặt trời (hay còn gọi là pin quang điện-PV) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện tử khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật chất), chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng trong đó tế bào quang điện là phần tử

cơ bản nhất trong hệ thống pin mặt trời

Có 3 loại PV:

- Pin Mono đơn tinh thể (Monocrystalline)

- Pin Poly đa tinh thể (Polycrystalline)

- Pin mặt trời dạng phim mỏng

1.2.2 Mô hình hóa

PV có phương pháp mô hình hóa thông dung: dựa trên mô hình một đi-ốt và dựa trên mô hình hai đi-ôt, song mô hình một đi-ôt thường được lựa chọn để khảo sát nhiều hơn

1.3 Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT

1.3.1 Giới thiệu các thuật toán MPPT

a) Giới thiệu chung

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC

b) Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong

hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin mặt trời Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ sử dụng thuật toán MPPT với phương pháp P&O

1.3.2 Thuật toán P&O

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất

Hình 1.1: Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O

1.3.3 Thuật toán INC

Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPPT, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP.Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (V/I∆∆), Thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP

Hình 1.18: Đường đặc tính PV và thuật toán INC

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆I, ∆V rồi so sánh

Sau khi các thuật bước so sánh trên đã hoàn thành, bộ điều khiển sẽ cập nhật các giá trị mới của I và V rồi tiến hành tiếp tục vòng lặp

1.4 Các bộ chuyển đổi năng lượng thường được sử dụng cho nguồn năng lượng mặt trời

1.4.1 Bộ chuyển đổi DC/DC

 Bộ giảm áp (Buck);

 Bộ tăng áp (Boost);

 Bộ đảo dấu điện áp (Buck – Boost)

Việc chọn lựa loại chuyển đổi tùy thuộc và yêu cầu của tải đối với điện áp ra của hệ PV

1.4.2 Bộ chuyển đổi DC/AC

Bộ chuyển đổi DC/AC là các thiết bị điện tử hoặc các mạch có khả năng biến một điện áp một chiều thành một điện áp xoay chiều

có giá trị tần số thay đổi được tùy thuộc vào luật đóng mở các van bán dẫn

1.4.3 Bộ chuyển đổi AC/AC

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều AC/AC được sử dụng để thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị số hiệu dụng có thể thay đổi được

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TĂNG ÁP DC/DC 2.1 Giới thiệu chung về bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện một chiều như các thiết bị điện tử hay các động cơ một chiều Chúng

có nhiệm vụ biến đổi các nguồn điện một chiều có điện áp không thông dụng thành nguồn điện một chiều ổn định thông dụng cho các tải một chiều

- Mạch đảo dấu điện áp

2.1.2 Cấu trúc chi tiết và nguyên lý hoạt động

a) Mạch tăng áp

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp

Mạch tăng áp làm việc luân phiên ở 2 trạng thái: khóa S đóng

và khóa S mở Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ TS:

Trong đó:

- Ton: Thời gian khóa S đóng

- Toff: thời gian khóa S mở

- Vin (V): điện áp đầu vào

- 𝐷 = : hệ số làm việc của khóa S

- I0 (A): dòng điện đầu ra

- ∆𝐼 (A): dao động của dòng điện qua cuộn cảm L

b) Mạch tăng áp

c) Mạch đảo dấu điện áp

2.2 Mạch điều khiển cho bộ chuyển đổi DC/DC

2.2.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển

a) Điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng xung PWM

b) Điều khiển theo phương pháp xung - tần

2.2.2 Phương pháp điều khiển PID

a) Giới thiệu

Bộ điều khiển PID - Proportional Integral Derivative là một cơ chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong

các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển

có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt

b) Các khâu chính của PID

 Khâu tỉ lệ

 Khâu tích phân

 Khâu vi phân c) Các phương pháp nhân tích PID

Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, phương pháp Ziegier – Nichols và điều chỉnh thủ công được chọn lựa để thiết kế bộ điều khiển

2.3 Thiết kế bộ tăng áp DC/DC

2.3.1 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động

Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện bộ giảm áp

(a) Sơ đồ mạch điện bộ giảm áp trạng thái 1; (b) Sơ đồ mạch điện bộ

giảm áp trạng thái 2

2.3.2 Mô hình toán học bộ tăng áp Boost theo phương pháp trung bình không gian trạng thái

2.3.3 Tính toán các phần tử của bộ giảm áp

Theo nguyên lý hoạt động đã đề cập ở mục 2.1.2, ta có được điều kiện chọn cuộn cảm theo công thức sau [13] (boost texzach):

𝐿 ≥ 𝑉 − 𝑉

Trong đó:

- Vo(V) là điện áp đầu ra

- Vin (V) là điện áp đầu vào

- fs (Hz) là tần số đóng cắt cài đặt cho khóa điện

Xét trong khoảng thời gian nhỏ (1 chu kỳ) và xét thời gian ∆𝑡 =

𝑇 , công thức (2.20) được tính lại như sau::

𝐶 ≥∆ × ×

∆ hay 𝐶 ≥ ∆ ×

Trong đó:

- C(F) là điện dung của tụ điện

- ∆𝐼 (A) là độ dao động dòng điện đi qua cuộn cảm, được tính trong công thức (2.19)

- fs(Hz) là tần số đóng cắt của khóa điện tử S

- ∆𝑉 (V) là độ dao động điện áp đầu ra ∆𝑉 càn

bé thì dạng song đầu ra một chiều càng phẳng Dòng điện chuyển mạch lớn nhất được tính:

- Iout(max) (A) là độ dòng điện ra cực đại

Trong luận văn này, bộ chuyển đổi kiểu Boost được thiết kế có thông số như sau: điện áp nguồn Vin=35V, điện áp ra Vo=60V cho dòng tải lớn nhất I0=1,5A, tần số chuyển mạch fs=95kHz Chọn độ dao động điện áp đầu ra là ∆𝑉 =0,2%

Độ dao động dòng điện của cuộn cảm: ∆𝐼 = 0,2 × 𝐼 =0,2 × 1,5 = 0,3(𝐴)

Độ dao điện áp đầu ra: ∆𝑉 = 0,002 × 𝑉 = 0,002 × 60 =0,12 (𝑉)

𝐿 > 𝑉 − 𝑉

∆𝐼 × 𝑓 =

60 − 350,3 × 95000= 0,9 (𝑚𝐻)

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC 3.1 Mô phỏng mạch tăng áp DC/DC và phân tích ảnh hưởng của các thông số phần tử trong mạch:

3.1.1 Lựa chọn thông số mô phỏng và khiểm tra hoạt động mạch đơn giản

Dưa trên cơ sở lý thuyết về mô hình toán học và tính toán như

đã trình bày ở trên, một chương trình mô phỏng được thực hiện với thông số phần tử ban đầu: L=1mH, C=50µF kết hợp với tần số băm xung fs=95kHz và chỉ dung phương pháp điều khiển PWM với điện

áp đầu vào không đổi, được thể hiện qua hình 3.1

Hình 3.3: Đồ thị mô phỏng sự thay đổi điện áp đầu ra khi thay đổi

giá trị tụ điện

Với các giá trị của tụ điện 50µF, 100µF, 200µF tương ứng với dạng sóng điện áp đầu ra VO1, VO2 và VO3, ta có thể thấy rằng đường cong điện áp đã sự thay đổi so với thông số ban đầu khi độ giao động điện áp đã giảm (còn khoảng ±0.1V) tuy nhiên nó lại có thời gian quá độ khá dài

3.2 Mô phỏng mạch tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI:

Từ các yêu cầu về tính ổn định điện áp đầu ra, phương pháp điều khiển PI (bộ điều khiển PI) được kết hợp vào mô hình mô phỏng như hình 3.4

Hình 3.4 Mach tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI