Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TRẦN ANH TUẤN THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN Đà Nẵng - Năm 2018 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: TS Dương Minh Quân Phản biện 1: TS Đoàn Anh Tuấn Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Hồng Anh Luận văn được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 09 tháng 03 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa  Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Nhu cầu điện ngày tăng cao đòi hỏi phải có giải pháp phát triển nguồn điện, đồng thời phải giảm thiểu tác động tiêu cực đến môi trường nguồn điện truyền thống gây nên Để giải vấn đề trên, lượng tái tạo giải pháp hàng đầu, nhận được quan tâm nghiên cứu phát triển mạnh mẽ, dần tích hợp vào lưới điện và tương lai gần trở thành phận quan trọng hệ thống điện quốc gia Với loại hình lượng tái tạo nay, Năng lượng mặt trời ngày có xu hướng được trọng đầu tư cao, tại Việt Nam Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016, thông tư 16/2017/TT-BCT ban hành ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg chế khuyến khích phát triển dự án điện mặt trời cho thấy được quan tâm phủ Việt Nam loại hình lượng sạch Tuy nhiên, lượng mặt trời lại chịu ảnh hưởng nhiều từ vấn đề thời tiết: nhiệt độ, xạ,… làm cho lượng thu được thiếu ổn định Các chuyển được kết hợp sử dụng để giữ ổn định lại thu được hiệu suất lượng cao từ hệ thống pin mặt trời thiếu phương pháp bắt điểm cơng suất cực đại-MPPT tích hợp Hiện nay, hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance), song hai phương pháp này vẫn tồn tại nhiều nhược điểm: khả đáp ứng chậm, gây thất thoát phần lượng,… Do đó, thuật tốn cải tiến cần phải được nghiên cứu thêm Để giải vấn đề này, chọn đề tài: “Thiết kế chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời” Nội dung luận văn tập trung vào phân tích thuật tốn MPPT, đánh giá ưu nhược điểm thuật tốn sử dụng, từ đưa thuật tốn cải tiến với mục đích khắc phục nhược điểm tồn tại Dưa phương pháp mơ hình hóa, mơ lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế, kết quả thuật toán mới được so sánh và đánh giá cụ thể Mục tiêu nghiên cứu Phân tích khả hoạt động, ưu nhược điểm thuật toán MPPT được sử dụng Đưa thuật toán MPPT cải tiến sử dụng phương pháp lai để khắc phục nhược điểm tồn tại thuật tốn trước Phân tích, đánh giá kết quả thu được thơng qua mô phần mềm Matlab/Simulink kết hợp lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: - Các thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại hệ thống mặt trời; - Phương pháp mơ hình hóa, mơ thuật toán; - Thiết kế lắp mạch chuyển đổi thực tế Phạm vi nghiên cứu: - Nghiên cứu thuật toán MPPT thường sử dụng hệ thống mặt trời; - Nghiên cứu thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai; - Thiết kế mạch chuyển đổi thực tế; - Thời gian nghiên cứu: 06 tháng Nội dung nghiên cứu Đề tài “Thiết kế chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời” tập trung nghiên cứu mô mạch chuyển đổi lượng kết hợp với thuật toán MPPT, đưa nhược điểm tồn tại từ đề xuất giải phái cải tiến cách sử dụng phương pháp lai Đề tài được xây dựng dựa ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời Phương pháp đề xuất được kiểm tra tính đắn phương pháp mơ cơng cụ tốn học Matlab/Simulink kết hợp với lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế Ý nghĩa khoa học thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng nghiên cứu lượng tái tạo nói chung và lượng mặt trời nói riêng Mơ hình hóa hệ thống lượng mặt trời sử dụng thuật toán bắt điểm công suất cực đại Thiết kế lắp đặt mạch tăng áp DC/DC (Boost Converter) có sử dụng thuật tốn điều khiển bắt điểm công suất cực đại Kiểm chứng lí thuyết thực tế Tính thực tiễn: Xây dựng được thiết kế sở cho chuyển đổi tăng áp DC/DC sử dụng thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại MPPT lai Đề tài có khả phát triển tạo thành chuyển đổi hoàn thiện cho lượng mặt trời kết nối với lưới điện phân phối cấp điện áp 0.4kV Bố cục đề tài Chương 1: Tổng quan hệ thống điện mặt trời và mơ hình chuyển đổi DC/DC Chương 2: Một số thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại-MPPT Chương 3: Thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại-MPPT sử dụng phương pháp lai Chương 4: Thiết kế mạch tăng áp Boost Converter mức công suất 1500W Chương 5: Kết luận kiến nghị CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC 1.1 Tổng quan phát triển lượng tái tạo 1.2 Một số mơ hình khai thác lượng mặt trời 1.3 Pin lượng mặt trời 1.3.1 Phân loại pin lượng mặt trời 1.3.2 Mô hình hóa pin lượng mặt trời 1.4 Các chuyển đổi DC/DC 1.4.1 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) Mạch tăng áp [9-13] được sử dụng phổ biến với khả điều chỉnh điện áp đầu lớn điện áp đầu vào (Vo>Vin) L D + Vin S - + C Vout LOAD Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý mạch DC/DC tăng áp Boost Mạch tăng áp làm việc luân phiên trạng thái: khóa S đóng và khóa S mở Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ đóng cắt TS [10-11]: (1.6) 𝑇𝑆 = 𝑇𝑜𝑛 + 𝑇𝑜𝑓𝑓 Trong đó: Ton là thời gian khóa S đóng, Toff là thời gian khóa S mở IL L Vin - + + + C On Vout LOAD - - Hình 1.14 Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S đóng Khi khóa S đóng (Ton) thì dòng điện cuộn cảm được tăng lên nhanh, dòng điện chạy vòng qua cuộn cảm nguồn, là thời gian nạp lượng cho cuộn cảm, dòng điện cuộn cảm tăng lên Trong đó, dòng điện không qua diode phân cực ngược lúc này điện áp cung cấp cho tải được tạo từ lượng tích trữ tụ Ở thời điểm tải được cung cấp tụ điện Ở chu kỳ đầu, nói có nguồn cuộn cảm việc trạng thái này, tụ điện chưa tích điện tải chưa được cung cấp lượng làm việc Ở trạng thái làm việc chu kỳ tiếp theo, tụ điện được nạp lượng giai đoạn Toff khóa thì điện áp đầu được trì có trạng thái làm việc phần tử được mô tả hình 1.15 IL Vin L + + - C Off LOAD Vout - Hình 1.15: Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S mở Hình 1.15 mô tả trạng thái làm việc tải chiều dòng điện chạy mạch Khi khóa S mở (Toff), lúc cuối cuộn cảm xuất suất điện động được tạo nên từ việc thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn cảm Điện áp được tạo có xu hướng làm giảm thay đổi dòng điện, lúc cuộn cảm làm việc giống nguồn điện nối tiếp với nguồn điện ban đầu Điện áp tại đầu lúc tổng điện áp nguồn cấp và điện áp cuộn cảm, thông qua diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện Dựa vào nguyên lý hoạt động dạng sóng điện áp dòng điện ta thiết lập được mối liên hệ điện áp đầu vào và điện áp đầu sau: Do: 𝑣𝐿 = 𝐿 𝑑𝐼𝐿 𝑑𝑡 (1.7) Trong đó: IL = IC + Io là dòng điện qua cuộn cảm, IC là dòng điện qua tụ điện Io = Vo R là dòng điện tải Vì Vo = VC nên khóa S đóng (Ton): ∆𝐼𝐿 ∙ 𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 𝑇𝑜𝑛 Khi khóa S mở (Toff): (1.8) ∆𝐼𝐿 ∙ 𝐿 = (𝑉𝑜 − 𝑉𝑖𝑛 ) 𝑇𝑜𝑓𝑓 (1.9) Từ (3.3) (3.4) suy ra: 𝑉𝑜 = 𝑉𝑖𝑛 𝑇 1− 𝑜𝑛 𝑇𝑠 𝑉 𝑖𝑛 = 1−𝐷 Trong đó: - Vo (V) là điện áp đầu ra, - Vin (V) là điện áp đầu vào - 𝐷= 𝑇𝑜𝑛 𝑇𝑆 hệ số làm việc khóa S - Io (A) là dòng điện đầu ra, - ∆𝐼𝐿 (A) là độ lớn dao động dòng điện qua cuộn cảm L CHƯƠNG CÁC THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) 2.1 Giới thiệu chung 2.2 Đường đặc tính Vơn-Ampe đặc tính cơng suất pin Hình 2.2: Đường đặc tính làm việc pin tải trở có giá trị điện trở thay đổi được Từ đặc tính ta có nhận xét sau: Khi cho R thay đổi từ ∞ (tương ứng với trường hợp hở mạch) đến (tương ứng với trường hợp ngắn mạch) thì điện áp pin thay đổi từ VOC đến 0, dòng điện pin thay đổi từ đến ISC, công suất thay đổi theo đường cong P 2.3 Các thuật toán bắt điểm cơng suất cực đại 2.3.1 Tḥt tốn P&O Bắt đầu P&O Đo V(k), I(K) P(k)=V(k)I(k) ΔP=P(k)-P(k-1) ΔV=V(k)-V(k-1) S Đ Đ ΔP>0 ΔV>0 ΔV>0 S Δ=Δ+ΔD Đ S Δ=Δ-ΔD Δ=Δ+ΔD Δ=Δ-ΔD V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k) Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán P&O  Giải thích thuật tốn: Bộ điều khiển MPPT đo giá trị dòng điện I và điện áp V, sau tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra: - Nếu ∆V.∆P > thì giảm D để tăng giá trị điện áp đầu pin - Nếu ∆V.∆P < thì tăng D để giảm giá trị điện áp điện áp đầu pin Sau thuật tốn cập nhật giá trị mới thay cho giá trị trước V, P tiến hành đo thông số I, V cho chu kỳ làm việc 2.3.2 Thuật toán Conductance) điện dẫn gia tăng INC (Incremental Hình 2.6 Sơ đồ thuật tốn INC  Giải thích thuật tốn: Bộ điều khiển MPPT đo giá trị dòng điện I và điện áp V tại thời điểm k-1 tại thời điểm k, sau tính tốn độ sai lệch ∆I, ∆V so sánh: - Trong trường hợp ∆V = 0, ∆I>0 thì tăng Vref, ∆I0) thì giảm độ rộng xung điều khiển D - Nếu công suất giảm (∆P0 S DD>0 Đ DV>0 S Đ D = D+DD D = D-DD Đ D = D-DD D = D+DD D(k-1)=D(k) I(k-1)=I(k) V(k-1)=V(k) Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai 3.2.2 Chương trình thuật toán 3.2.3 Kết mơ tḥt tốn MPPT lai 15 3.3 So sánh thuật toán MPPT lai với thuật tốn INC P&O: Kết quả so sánh cơng suất thu được thuật toán được thể qua hình 3.3 16 Vùng Vùng Hình 3.3 Công suất hệ thống PV thu được thuật tốn  Phân tích so sánh cơng suất hệ thống PV của thuật tốn MPPT: Xét cơng suất thu được vùng 1: khoảng thời gian từ 1.5s đến 2s, lúc xạ mặt trời tăng và nhiệt độ khơng đổi Thuật tốn P&O INC khơng bám được MPP nên công suất thu được thấp Đối với thuật toán MPPT lai cải thiện được việc bám điểm công suất cực đại vùng Xét công suất thu được vùng 2: khoảng thời gian từ 4s đến 5s, lúc xạ mặt trời khơng đổi nhiệt độ giảm Thuật tốn P&O và INC không bám được MPP nên công suất thu được thấp Đối với thuật toán MPPT lai cải thiện được việc bám điểm công suất cực đại vùng Ở khoảng thời gian không xét vùng cơng suất thu được hệ thống là tương đương đối với thuật toán 3.4 Kết luận 17 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH TĂNG ÁP BOOST CONVERTER 4.1 Giới thiệu 4.2 Tính chọn thơng số biến đổi DC/DC - Điện áp vào Vin = 200 (VDC) - Dòng điện vào Iin = 8(A) - Điện áp Vout = 400(VDC) Dòng điện Iout = 4(A) Cơng suất lớn Pmax = 1600(W) Tần số đóng cắt f = 40 (kHz) 4.2.1 Tính tốn thiết kế cuộn cảm L L được tính theo cơng thức: L= Vout *(Vout  Vin ) Vin * DI L * f DI L = (10  40)% I out *Vout Vin Vậy giá trị dòng điện biến thiên qua cuộn cảm được tính sau: DI L = 0.2* I out * Vout 400 = 0.2*4* = 1.6(A) Vin 200 Giá trị điện cảm L: L= Vout *(Vout  Vin ) 400*(400  200) = = 1.56(mH ) Vin * DI L * f 400*1.6*40000 Giá trị dòng điện hiệu dụng qua van đóng cắt cuộn cảm: IL = I DI L 1.6 + out = + = 8.8( A) 1 D  0.5 Từ giá trị L và dòng điện qua cuộn cảm IL Ta thiết kế cuộn 18 cảm sau: Chọn tiết diện dây quấn cuộn cảm: Ftt = I L 8.8 = = 2.5(mm2 ) jkt 3.5 Chọn kiểu dây quấn kép Mỗi sợi có đường kính 1.4mm2 có lớp emay cách điện Kiểm tra tiết diện dây quấn sau chọn: 3.14* d 3.14*1.42 = 2* = 3.07(mm )  Ftt 4 4.2.2 Tính tốn chọn mạch từ cho dây quấn: Với tần số làm việc 40kHz, tổn thất lõi Ferrite 0.1 W/cm3, giá trị từ cảm cực đại mạch từ Bm = 190 (mT) Chọn lõi ferrite EE55 (Gồm lõi chữ E ghép lại) với thông số: Hệ số điện cảm mạch từ quấn lõi vòng dây: AL = 1100nH/N2 Số vòng dây cuộn cảm: Fqd = n * N= L 1.56*103 = = 37.7 AL 1100*109 (vòng) Chọn số vòng dây quấn N=38 (vòng) Kiểm tra giá trị Bm: Bm = L * DI L 1.56*103 *1.6 = = 0.185 (T) Ae * N 3.54*104 *38 4.2.3 Tính chọn tụ điện mạch Việc tính chọn tụ C phụ thuộc vào thời gian lưu giữ lượng Dt=1/f Ta chọn độ gợn điện áp là ΔV=0.5% Khi C được tính theo cơng thức sau: 19 𝐷 ∗ 𝐼𝑜 0.5 ∗ = = 25(𝜇𝐹) 𝑓 ∗ 𝛥𝑉𝑜 40000 ∗ 0.005 ∗ 400 Chọn C =47 (𝜇𝐹) 𝐶> 4.2.4 Chọn khóa S diode Dòng qua khố S diode với dòng điện cực đại qua cuộn cảm L Do đó: IS = IĐ = IL = 8.8 (A) Điện áp làm việc MosFet diode lớn điện áp US = UĐ >= 400V Chọn van bán dẫn loại MOSFET IRFP460 loại N Chọn Diode loại MUR30600PT 4.2.5 Thiết kế mạch Mosfet Driver: Điện áp làm việc cực cổng (Gate) mosfet nằm phạm vi 10-20V Trong điện áp vi điều khiển 3.3V nên ta cần phải có IC đệm để tạo điện áp điều khiển cho chân cực cổng mosfet phù hợp Ở ta chọn IC IR2110 4.3 Thiết kế mơ hình mạch chuyển đổi DC/DC 4.3.1 Sơ đồ ngun lý mạch chuyển đổi DC/DC tích hợp tḥt tốn MPPT lai: a) Mạch chuyển đổi DC/DC: b) Mạch lấy tín hiệu đo lường vi điều khiển: c) Mạch bảo vệ áp dòng: d) Mạch Mosfet Driver: e) Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) nguồn +12VDC f) Mạch vi điều khiển STM32F103: 4.3.2 Thiết kế bảng mạch a) Bảng thiết kế mạch (kích thước mạch in 125mm x 158mm) 20 Hình 4.10 Mặt bảng mạch Hình 4.11 Mặt dưới bảng mạch Hình 4.12 Hình ảnh mạch chế độ 3D phần mềm Proteus 21 b) Mơ hình mạch lắp đặt thực tế: Hình 4.13 Mơ hình mạch thực tế 4.4 Kiểm tra hiệu suất mạch chuyển đổi DC/DC: Từ mơ hình mạch lắp đặt thực tế, trình đo lường thu thập liệu được tiến hành, kết quả được thể qua hình 4.14 Hình 4.14 Kết quả đo lường thực tế Công suất đầu vào chuyển đổi: Pin = PQS1 + PQS2 (hay Pin 22 Bảng 4.3 Kết quả tính tốn hiệu suất chuyển đổi Lần đo P1(W) P2 (W) Pin (W) Pout (W)  (%) 104,7 105,53 210,23 203,66 96,87 208,86 209,01 417,87 405,16 96,96 310,45 311,3 621,75 602,94 96,97 412,22 413,34 825,56 799,94 96,90 466,01 466,68 932,69 904,48 96,98 Hiệu suất (%) Hiệu suất (%) 100 097 097 097 097 097 090 Hiệu suất (%) 080 070 210,23 417,87 621,75 Công suất (W) 825,56 932,69 Hình 4.15 Đồ thị hiệu suất chuyển đổi 4.5 Kết thử nghiệm sử dụng thuật tốn MPPT tích hợp chuyển đổi DC/DC Kết quả thử nghiệm sử dụng pin lượng mặt trời có cơng suất 185 Wats peak 23 - Trường hợp ngày nắng, xạ thay đổi nhiều, thời gian lấy liệu lúc 11h30 đến 12h00: Hình 4.13 Kết quả trường hợp ngày nắng, xạ thay đổi nhiều - Trường hợp xạ thay đổi, thời gian lấy liệu lúc 9h30 đến 10h00: Hình 4.14 Kết quả trường hợp ngày nắng, xạ thay đổi 24 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận Trong luận văn này, mô hình lượng mặt trời sử dụng pin quang điện, chuyển đổi lượng chiều kết hợp thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại MPPT (thuật toán P&O, thuật toán INC, thuật tốn leo đồi Hill Climbing) được trình bày Đề tài đưa và phân tích ưu, nhược điểm thuật tốn MPPT Từ đề xuất thuật toán MPPT lai để cải thiện vấn đề tồn tại thuật tốn MPPT trước đây, hệ thống lượng mặt trời sử dụng pin quang điện Đồng thời, từ kết quả lý thuyết mơ thu được, mơ hình thực tế mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán bắt điểm công suất cực đại được lắp đặt kiểm chứng khả hoạt động thuật toán MPPT lai Trong trình đo đạc, mạch chuyển đổi được thiết kế có hiệu suất cao ( 97%) hoạt động tốt 5.2 Hạn chế kiến nghị Trong trình đo đạc thực tế, vẫn tồn tại vài sai số thiết bị đo lường và điều kiện tác động từ mơi trường bên ngồi Cùng với đó, thời gian hồn thiện luận văn ngắn nên mô và đo đạc thực tế nhiều trường hợp thời tiết để thu được nhiều kết quả Từ hạn chế tồn tại, hướng phát triển đề tài hồn thiện mơ hình tốt Sau nghiên cứu, thiết kế nghịch lưu làm việc độc lập để ứng dụng hệ thống pin mặt trời độc lập có hệ thống lưu trữ, nghịch lưu nối lưới có khơng có hệ thống lưu trữ Với mục tiêu xây dựng hệ thống hoàn thiện cho nguồn lượng mặt trời ... chế tạo mạch chuyển đổi DC/ DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời” tập trung nghiên cứu mô mạch chuyển đổi lượng kết hợp với thuật toán MPPT, đưa nhược... đó, thuật tốn cải tiến cần phải được nghiên cứu thêm Để giải vấn đề này, chọn đề tài: Thiết kế chế tạo mạch chuyển đổi DC/ DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện. .. 4.3 Thiết kế mơ hình mạch chuyển đổi DC/ DC 4.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC/ DC tích hợp tḥt tốn MPPT lai: a) Mạch chuyển đổi DC/ DC: b) Mạch lấy tín hiệu đo lường vi điều khiển: c) Mạch