Thiết kế lắp đặt bộ giảm áp DC DC dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA B I THI T K ANH HUY ẮP Đ T B GIẢ ÁP DC DC D NG TRONG H THỐNG N NG Ƣ NG T TRỜI NỐI Ƣ I Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện ã số: 60.52.02.02 UẬN V N THẠC SĨ KỸ THUẬT Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS DƢƠNG Đà Nẵng - Năm 2018 INH QUÂN ỜI CA ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Trong luận văn có trích dẫn số tài liệu chuyên ngành điện Việt Nam số tổ chức khoa học giới hệ thống lượng mặt trời Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn B i Anh Hu TRANG TÓ THI T K TẮT TI NG VI T, TI NG ANH ẮP Đ T B GIẢ ÁP DC/DC D NG TRONG H THỐNG N NG Ƣ NG T TRỜI NỐI Ƣ I Học viên: i Lê nh Huy Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: K34 t i Nha Trang Trường Đ i học ách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Trư c t nh tr ng nguồn n ng lư ng truyền thống có nguy c thiếu h t n ng lư ng g y nhi m tr m trọng Nguồn n ng lư ng tái t o có n ng lư ng mặt trời đư c nghiên c u ng ng r ng rãi nhiều l nh v c Xu hư ng s ng điện n ng lư ng mặt trời nối lư i gi i pháp vận hành đ n gi n r t th n thiện v i m i trường Hệ thống kh ng s ng c quy nên gia đ nh oanh nghiệp kh ng ph i tốn chi ph o tr o ng Hệ thống t m pin n ng lư ng mặt trời đư c l p đặt mái nhà nhà xưởng mặt hồ giúp h p thu ánh n ng mặt trời t o nguồn điện s ch để hòa vào lư i điện cung c p tr c tiếp cho thiết ị điện Tuy nhiên nguồn pin mặt trời chịu nhiều nh hưởng o thời tiết làm cho điện áp lu n thay đổi V iến đổi điện t c ng su t c n đư c t ch h p kèm theo phư ng pháp điều khiển V i thời gian có h n luận v n ch m m ch gi m áp Matla Simulink thiết kế điều khiển PI để điều khiển điện áp đ u c a m ch gi m áp C C T kết qu thiết kế l p đặt gi m áp C C có điều khiển để đ m o đ ổn định điện áp đ u cho ph t i C v i m c đ ch kiểm ch ng kh n ng ho t đ ng th c tế so v i l thuyết Kết qu đ t đư c cho th y m ch th c tế ho t đ ng r t ổn định đáp ng thu đư c g n giống v i tr nh m Nhờ vào đề tài phát triển theo hư ng nối lư i sau Từ khóa: DC/DC; Buck; PID; Hệ thống n ng lư ng mặt trời; N ng lư ng điện mặt trời nối lư i Abstract: Traditional energy sources are at risk of energy shortages and serious pollution Renewable energy sources which include solar energy are being researched and widely applied in many fields The trend of usage solar electric on – grid is simple and environmental friendly method Because the system oesn’t use atteries people an usinesses on’t have to spen maintenance costs Solar cells panel system are installed on roofs, factories, lakes and so on which absorb sunlight and generate clean electricity to match the electricity supply directly to electrical devices However, solar cells is influenced by the weather, so the voltage always changes Therefore, power electronics converters need to be integrated with the control method Because of the limited time, this thesis only simulates buck on the Matlab/ Simulink, designing the PI controller to control the output voltage of the DC/DC buck From this result, the design buck is to ensure the output voltage stabilization for the DC loads for the purpose of verifying actual operating performance against the theory The results show that the actual circuit is very stable and the response is close to the simulation process Thanks to this task, the topic could be developed according to the solar electric on – grid connection later Key words: DC/DC, Buck, PID, solar energy systems, solar electric on – grid C C TRANG BÌA TRANG T M T T TIẾNG VIỆT TIẾNG NH MỤC LỤC NH MỤC C C K HIỆU C C CH VIẾT T T NH MỤC C C NG NH MỤC C C H NH MỞ ĐẦU 1 L o chọn đề tài M c đ ch nghiên c u Đối tư ng ph m vi nghiên c u .1 Phư ng pháp nghiên c u .1 ngh a khoa học th c ti n c a đề tài Bố c c đề tài CH NG : TỔNG QU N HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TR I VÀ C C CHUYỂN ĐỔI N NG L NG 1.1 Tổng Quan Về N ng Lư ng Mặt Trời Tình hình tổng quát ngu n lượng mặt trời Việt Nam phát tri n ngu n lượng mặt trời Việt Nam 1.2 Pin N ng Lư ng Mặt Trời iới thiệu .9 hình hóa 10 1.3 Thuật Tốn B t Điểm Cơng Su t C c Đ i MPPT 15 iới thiệu thuật toán T 15 Thuật toán 17 1.4 Các B Chuyển Đổi N ng Lư ng Thường Đư c S ng Cho Nguồn N ng Lư ng Mặt Trời .21 Bộ chuy n đổi DC/DC 21 Bộ chuy n đổi DC/AC 21 CH NG 2: T NH TO N THIẾT KẾ GI M P C C 23 2.1 Gi i Thiệu Chung Về B Chuyển Đổi DC/DC .23 hân loại chuy n đổi 23 Cấu trúc chi tiết nguyên lý hoạt động .24 2.2 M ch Điều Khiển Cho B Chuyển Đổi DC/DC .31 iới thiệu phương pháp điều n .31 hương pháp băm xung – Các khâu c n thiết 33 hương pháp điều n ID 35 2.3 Thiết Kế Gi m p DC/DC 40 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động .40 hình tốn học giảm áp Buck theo phương pháp trung bình khơng gian trạng thái .40 Tính tốn ph n tử giảm áp 42 CH NG 3: M PHỎNG VÀ L P ĐẶT GI M P C C .45 3.1 L a Chọn Thông Số M Phỏng .45 3.2 Mô Phỏng B Điều Khiển PI 46 3.3 Mô Phỏng Kết Qu Và Phân Tích 47 3.4 L p M ch Gi m p C C Th c Tế .48 Cấu tạo mạch động lực thực tế 48 ạch điều n 50 3.5 Kết Qu Đo Th c Tế .52 KẾT LU N VÀ KIẾN NGH 55 TÀI LIỆU TH M KH O 56 PHỤ LỤC QUYẾT Đ NH GI O ĐỀ TÀI LU N V N THẠC SĨ ( N S O) N S O KẾT LU N CỦ H I ĐỒNG N S O NH N XÉT CỦ CÁC PH N IỆN DANH C CÁC K HI U, CÁC CH Ký hiệu BXMT VI T TẮT Giải thích c x mặt trời DC/AC Direct Current/ Alternating Current DC/DC Direct Current/ Direct Current IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor MOSFET Metal – Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor MPP Maximum Power Point MPPT Maximum Power Point Tracking NLMT N ng lư ng mặt trời OP Operational amplifier PID Proportional Integral Derivative PV Photovoltaic System PWM Pulse – Width – Modulation TOE Ton of Oil Equivalent DANH Số T n bảng hiệu 1.1 Số liệu Trang c x mặt trời t i Việt Nam Lư ng tổng x 1.2 C CÁC BẢNG c x mặt trời trung nh ngày c a tháng n m m t số địa phư ng c a nư c ta (đ n vị: MJ/m2.ngày) DANH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 C CÁC H NH Tên hình Trang n đồ c x mặt trời Việt Nam Máy nư c nóng n ng lư ng mặt trời S đồ tổng thể hệ thống nhà máy điện mặt trời S đồ khối hệ thống điện mặt trời cho t i C C u t o c a m t tế pin mặt trời S đồ m ch điện tư ng đư ng c a PV M h nh m àn PV nhiệt đ cường đ cx thay đổi Đặc t nh tư ng quan c a PV c x mặt trời thay đổi Đặc t nh tư ng quan c a PV nhiệt đ thay đổi V t m pin mặt trời đư c m c tr c tiếp Đường đặc t nh làm việc c a pin c a t i thu n trở có giá trị điện trở thay đổi đư c Đường đặc t nh làm việc c a pin cường đ c x thay đổi c ng m t m c nhiệt đ 9 10 Đặc t nh làm việc I – V c a pin C u trúc điều khiển MPPT c a àn PV Đường đặc t nh P-V thuật toán P&O 17 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển Phư ng pháp t m điểm làm việc c ng su t l n nh t P&O S đồ khối tổng quát chuyển đổi C C S đồ nguyên l c a m ch gi m áp Tr ng thái làm việc c a m ch gi m áp khóa S đóng Tr ng thái làm việc c a m ch gi m áp khóa S mở ng sóng điện áp òng điện c a m ch gi m áp m t chu kỳ S đồ nguyên l c a m ch t ng áp Tr ng thái làm việc c a m ch t ng áp khóa S đóng Tr ng thái làm việc c a m ch t ng áp khóa S đóng ng sóng điện áp òng điện c a m ch t ng áp m t chu kỳ S đồ nguyên l c a m ch đ o u điện áp 19 11 13 14 15 15 16 18 18 20 23 24 24 25 25 27 27 27 28 29 Số hiệu 2.11 2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.20 2.21 2.22 2.23 2.24 2.25 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 3.8 3.9 3.10 3.11 3.12 Tên hình Tr ng thái làm việc c a m ch đ o u điện áp khóa S đóng Tr ng thái làm việc c a m ch đ o u điện áp khóa S mở ng sóng điện áp òng điện S đồ c u trúc m ch điều khiển m xung m t chiều kiểu PWM S đồ c u trúc m ch điều khiển M ch so sánh (a) M t cổng; ( ) Hai cổng Các s đồ c u trúc khối khuếch đ i xung M t số m ch phối h p xung Đồ thị PV theo thời gian (Kp Ki K h ng số) Đồ thị PV theo thời gian (Kp Ki K h ng số) Đồ thị PV theo thời gian (Kp Ki K h ng số) S đồ nguyên l m ch gi m áp S đồ m ch điện gi m áp gi m áp (a) S đồ m ch điện gi m áp uck tr ng thái ; ( ) S đồ m ch điện gi m áp uck tr ng thái Điện áp c a gi m áp gi m áp (chưa có điều khiển PI) Đồ thị m s thay đổi điện áp đ u điện c m thay đổi M ch m M ch điều khiển PWM kết h p PI M PI S thay đổi c a hệ số m xung Xung k ch mở van án n Các điện áp m ch m Điện áp đ u điện áp tham chiếu m Pin n ng lư ng mặt trời s ng t o nguồn đ u vào M ch đ ng l c m ch gi m áp M ch điều khiển Điện áp đ u vào th c tế c a m ch gi m áp Đáp ng điện áp đ u m ch gi m áp Trang 30 30 31 32 32 33 34 35 37 37 38 40 40 43 44 45 45 46 46 47 47 48 49 50 51 53 53 MỞ ĐẦU DO CHỌN Đ T I Ngày v n đề nhi m m i trường g y nh hưởng đến s c khỏe người nhiên liệu hóa th ch (than u ) ngày c n kiệt đòi hỏi ph i thay đổi hư ng phát triển t m cách khai thác tối đa nguồn n ng lư ng tái t o (mặt trời gió ) V i ưu điểm ật như: v tận s ch rẻ; n ng lư ng tái t o đư c ng ng r ng rãi h u hết nư c gi i Tuy nhiên ên c nh ưu điểm kể chúng có nhiều h n chế hiệu su t làm việc chịu nh hưởng ởi điều kiện thời tiết o iến đổi điện t c ng su t c n ph i đư c t ch h p Ngoài m t người làm c ng tác gi ng y ngành Kỹ thuật điện muốn ch ng minh kh n ng ho t đ ng th c tế c a m ch chuyển đổi điện áp m t chiều có điều khiển so v i l thuyết để ph c v c ng tác gi ng y Để gi i v n đề t i chọn đề tài: Thiết Kế L p Đặt Gi m p C C ng Trong Hệ Thống N ng Lư ng Mặt Trời Nối Lư i” N i ung luận v n tập trung thiết kế t m th ng số c a m ch gi m áp m Matla Simulink Thiết kế điều khiển PI để điều khiển điện áp đ u c a m ch gi m áp C C T kết qu thiết kế l p đặt gi m áp C C th c tế Ph n nối lư i phư ng hư ng phát triển sau c a luận v n C Đ CH NGHI N C U - Tính tốn l a chọn thơng số phù h p cho m ch gi m áp DC/DC; - Thiết kế b điều khiển PI; - Phân tích kết qu thông qua việc mô b ng ph n mềm Matlab/Simulink; - Thiết kế l p đặt gi m áp C C có điều khiển th c tế ĐỐI TƢ NG V PHẠ VI NGHI N C U 3.1 Đối tƣợng nghi n cứu - Thông số c a m ch gi m áp DC/DC; - B điều khiển PI; - L p m ch th c tế 3.2 Phạm vi nghi n cứu - Nghiên c u thiết kế điều khiển PI a phư ng pháp Ziegier- Nichols; - Thiết kế l p đặt gi m áp C C PHƢƠNG PHÁP NGHI N C U Đề tài Thiết Kế L p Đặt Gi m p C C ng Trong Hệ Thống N ng Lư ng Mặt Trời Nối Lư i” tập trung nghiên c u m m ch gi m áp áp ng kiểu điều khiển khác để đưa điện áp đ u mong muốn Đề tài đư c x y ng a ng ng cho hệ thống điện mặt trời nối lư i Các m ch tính ... Trang n đồ c x mặt trời Việt Nam Máy nư c nóng n ng lư ng mặt trời S đồ tổng thể hệ thống nhà máy điện mặt trời S đồ khối hệ thống điện mặt trời cho t i C C u t o c a m t tế pin mặt trời S đồ m... tập trung thiết kế t m th ng số c a m ch gi m áp m Matla Simulink Thiết kế điều khiển PI để điều khiển điện áp đ u c a m ch gi m áp C C T kết qu thiết kế l p đặt gi m áp C C th c tế Ph n nối lư... PHÁP NGHI N C U Đề tài Thiết Kế L p Đặt Gi m p C C ng Trong Hệ Thống N ng Lư ng Mặt Trời Nối Lư i” tập trung nghiên c u m m ch gi m áp áp ng kiểu điều khiển khác để đưa điện áp đ u mong muốn Đề