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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng, 03/2019 i 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: TS DƯƠNG MINH QUÂN Đà Nẵng, 03/2019 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Trong luận văn có trích dẫn số tài liệu chun ngành điện Việt Nam, số tổ chức khoa học giới hệ thống lượng mặt trời số liệu, kết nghiên cứu luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tác giả luận văn Trần Anh Tuấn iii MỤC LỤC MỤC LỤC iv DANH MỤC CÁC BẢNG vi DANH MỤC CÁC HÌNH vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Nội dung nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Bố cục đề tài 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 10 1.3.2 Mơ hình hóa pin lượng mặt trời 11 1.4 Các chuyển đổi DC/DC 15 1.4.1 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) 15 1.4.2 Mạch giảm áp 18 1.5 Kết luận 20 CHƯƠNG CÁC THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) 22 2.1 Giới thiệu chung 22 2.2 Đường đặc tính Vơn-Ampe đặc tính cơng suất pin 22 2.3 Các thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại 24 2.3.1 Thuật toán P&O 24 2.3.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 26 2.3.3 Thuật toán leo đồi (Hill Climbing) 27 2.4 Mô thuật toán Matlab Simmulink 29 2.4.1 Giới thiệu 29 2.4.2 Giải thích khối hàm mơ hình Matlab simulink 31 2.4.3 Các kết mô 32 2.5 Kết luận 36 CHƯƠNG THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI 37 3.1 Giới thiệu 37 3.2 Thuật toán MPPT lai 37 3.2.1 Sơ đồ thuật toán MPPT lai 37 iv 3.2.2 Chương trình thuật tốn 38 3.2.3 Kết mơ thuật tốn MPPT lai 39 3.3 So sánh thuật toán MPPT lai với thuật toán INC P&O: 41 3.4 Kết luận: 41 CHƯƠNG THIẾT KẾ MẠCH TĂNG ÁP BOOST CONVERTER 42 4.1 Giới thiệu 42 4.2 Tính chọn thơng số biến đổi DC/DC 43 4.2.1 Tính tốn thiết kế cuộn cảm L 44 4.2.2 Tính tốn chọn mạch từ cho dây quấn: 45 4.2.3 Tính chọn tụ điện mạch 46 4.2.4 Chọn khóa S diode 46 4.2.5 Thiết kế mạch Mosfet Driver: 46 4.3 Thiết kế mơ hình mạch chuyển đổi DC/DC 47 4.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC/DC tích hợp thuật tốn MPPT lai: 47 a) Mạch chuyển đổi DC/DC: 47 b) Mạch lấy tín hiệu đo lường vi điều khiển: 47 c) Mạch bảo vệ áp dòng: 48 d) Mạch Mosfet Driver: 49 e) Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) nguồn +12VDC 49 f) Mạch vi điều khiển STM32F103: 49 4.3.2 Thiết kế bảng mạch 50 a) Bảng thiết kế mạch (kích thước mạch in 125mm x 158mm) 50 b) Mô hình mạch lắp đặt thực tế: 52 4.4 Kiểm tra hiệu suất mạch chuyển đổi DC/DC: 52 4.5 Kết thử nghiệm sử dụng thuật tốn MPPT tích hợp chuyển đổi DC/DC 54 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56 5.1 Kết luận 56 5.2 Hạn chế kiến nghị 56 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57 PHỤ LỤC 59 v DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu bảng Tên bảng Trang 1.1 Số liệu xạ mặt trời Việt Nam 1.2 Tổng lượng xạ số địa phương miền Trung nước ta 1.3 Số năm số địa phương miền Trung nước 4.1 Các thông số MOSFET IRFP460 45 4.2 Các thông số Diode MUR3060PT 45 4.3 Kết tính tốn hiệu suất chuyển đổi 52 vi DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu hình Tên hình Trang 1.1 Bản đồ xạ mặt trời Việt Nam 1.2 Bản đồ nhiệt độ trung bình năm Việt Nam 1.3 Năng lượng mặt trời dạng lắp mái trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng 1.4 Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời 1.5 Cấu tạo tế bào pin mặt trời 1.6 Pin mono pin poly 11 1.7 Sơ đồ mạch tương đương Solar Cell 11 1.8 Sơ đồ mạch tương đương pin mặt trời 12 1.9 Đặc tính I-V pin BXMT thay đổi nhiệt độ môi trường giữ nguyên 13 1.10 Đặc tính P-V pin BXMT thay đổi nhiệt độ môi trường giữ nguyên 13 1.11 Đặc tính I-V pin nhiệt độ môi trường thay đổi BXMT giữ nguyên 14 1.12 Đặc tính P-V pin nhiệt độ môi trường thay đổi BXMT giữ nguyên 14 1.13 Sơ đồ nguyên lý mạch DC/DC tăng áp Boost 15 1.14 Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S đóng 15 1.15 Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S mở 16 1.16 Dạng sóng điện áp dịng điện mạch tăng áp chu kỳ 17 1.17 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp 18 1.18 Trạng thái làm việc mạch giảm áp khóa S đóng 18 1.19 Trạng thái làm việc mạch giảm áp khóa S mở 19 1.20 2.1 Dạng sóng điện áp dòng điện mạch giảm áp chu kỳ Tấm pin mặt trời mắc trực tiếp với tải trở với giá trị thay đổi vii 19 21 2.2 Đường đặc tính làm việc pin tải trở có giá trị điện trở thay đổi 22 2.3 Nguyên lý tìm điểm làm việc cơng suất lớn P&O 23 2.4 Lưu đồ thuật toán P&O 24 2.5 Nguyên lý tìm điểm cơng suất cực đại phương pháp INC 25 2.6 Sơ đồ thuật toán INC 26 2.7 Giải thuật Hill Climbing dị tìm điểm cơng suất cực đại 27 2.8 Đặc tính mơ hình pin quang điện 28 2.9 Mơ hình mơ 29 2.10 Khối đầu vào xạ, nhiệt độ pin quang điện 30 2.11 Khối thuật tốn MPPT 30 2.12 Mơ hình chuyển đổi tăng áp (Boost converter) 31 2.13 Mô hình phía kết nối với lưới điện 31 2.14 Kết mơ thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại P&O 32 2.15 Kết mơ thuật tốn bắt điểm công suất cực đại INC 33 3.1 Sơ đồ thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai 37 3.2 Kết mơ thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại lai 30 3.3 Công suất hệ thống PV thu thuật tốn 40 4.1 Mơ hình hệ thống lượng mặt trời độc lập có sử dụng ắc quy lưu trữ 41 4.2 Sơ đồ khối chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT 42 4.3 Tổn thất mạch từ 44 4.4 Sơ đồ thiết kế chuyển đổi DC/DC 46 4.5 Sơ đồ mạch lấy tín hiệu đo lường 47 4.6 Sơ đồ mạch bảo vệ dòng 47 4.7 Sơ đồ mạch Mosfet Driver 48 4.8 Sơ đồ mạch Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) nguồn +12VDC 48 4.9 Sơ đồ mạch vi điều khiển STM32F103 49 4.10 Mặt bảng mạch 49 4.11 Mặt bảng mạch 50 4.12 Hình ảnh mạch chế độ 3D phần mềm Proteus 50 4.13 Mơ hình mạch thực tế 51 4.14 Kết đo lường thực 51 4.15 Đồ thị hiệu suất chuyển đổi 52 viii 4.16 Kết trường hợp ngày nắng, xạ thay đổi nhiều 53 4.17 Kết trường hợp ngày nắng, xạ thay đổi 53 ix DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT Ký hiêu, từ viết tắt Tên Tiếng Việt MPPT Bắt điểm công suất cực đại MPP Điểm công suất cực đại DC/DC Chuyển đổi lượng chiều/một chiều BXMT Bức xạ mặt trời NLMT Năng lượng mặt trời PV Pin quang điện P&O Thuật toán nhiễu loạn quan sát INC Thuật toán điện dẫn gia tăng Hill Climbing Thuật toán leo đồi DC/AC Chuyển đổi lượng chiều/xoay chiều PWM Điều rộng xung x 1339~1354, May 2012 [15] Y Shasi Kumar, Rajesh Gupta, (2012), Maximum Power Point Tracking of Multiple Photovoltaic A Ned Mohan, (2003), Power Electronics and Drives New York: Wiley [16] Wenkai Wu, N Pongratananukul, Weihong Qiu, K Rustom, T Kasparis, and I Batarseh “DSP-based Multiple Peak Power Tracking for Expandable Power System” School of Electrical Engineering and Computer Science University of Central Florida Orlando, FL 32816 [17] Chihchiang Hua and Chihming Shen “Comparative Study of Peak Power Tracking Techniques for Solar Storage System” Department of Electrical Engineering National Yunlin University of Science & Technology [18] D P Hohm, M E Ropp “Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms Using an Experimental, Programmable, Maximum Power Point Tracking Test Bed” Electrical Engineering Department South Dakota State University Brookings, SD 57007-2220 [19] Aleksandar Prodic, Dragan Maksimovic and Robert W Erickson, “Design and Implementation of a Digital PWM Controller for a High-Frequency Switching DC-DC Power Converter”, IECON'01: The 27th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp 893-898 [20] Siew-Chong Tan, Chi Kong Tse (auth.), Francesco Vasca, Luigi Iannelli (eds.), “Dynamics and Control of Switched Electronic Systems: Advanced Perspectives for Modeling, Simulation and Control of Power Converters”, Chapter 2, pp 25-61, 2012 [21] Santhosh Raikar.M, Dr.K.S.Aprameya, “Investigations on Various Power Electronic Converter Using PWM”, Vol 3, Issue 1, January 2014 [22] Trần Trọng Vũ, Huỳnh Minh Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2014, trang 57-59 [23] Brigitte Hauke, “Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage, Low Power DC/DC Application” Texas Instrument, 1-2014 [24] Minh Quan Duong, Hien Tran, Chowdhury Akram Hossain, “Influence of elemental parameter in the boost and the buck converter”, 2017 IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), Year: 2017, P.p 528 - 531 58 PHỤ LỤC Chương trình MPPT lai viết vi điều khiển STM32F103C8T6 #include STM32ADC myADC(ADC1); int Sample; #define Ipv PA2 #define Upv PA3 #define Uout PA1 #define PWMpin PB0 HardwareTimer pwmtimer(3); double Power, Power_old, dP, delta_D = 0, dV, U_pvold, P = 0, P1 ; double U_pv, I_pv , U_out, I_out; double fold_vin = 0, fold_iin = 0, Kp, Ki; double k = 0, i = 0; double V1 = 0, V2 = 0, I1 = 0; int D, D_old, MPPT_STEP =10; int j, p; unsigned long time1, MaxDuty, Duty_gh; void setup() { time1 = 25; MaxDuty = 72000000 / (1000000 / time1); Duty_gh = 0.70 * MaxDuty; Serial.begin(500000); pinMode(PC13, OUTPUT); pinMode(PA1, INPUT_ANALOG); //U2 pinMode(PA2, INPUT_ANALOG); //I1 pinMode(PA3, INPUT_ANALOG); //U1 pinMode(PC14, INPUT); pinMode(PWMpin, PWM); // setup the pin as PWM myADC.calibrate(); myADC.setSampleRate(ADC_SMPR_239_5);//set the Sample Rate myADC.setScanMode(); //set the ADC in Scan mode myADC.setContinuous(); //set the ADC in continuous mode myADC.startConversion(); pwmtimer.setPrescaleFactor(1); 59 pwmtimer.setPeriod(time1); // 40kHz PWM // 4800 max Duty i = 0; delay(100); V1 = 0; V2 = 0; I1 = 0; Sample = 1000; for (j = 0; j < Sample; j++) { V1 += analogRead(Upv); I1 += analogRead(Ipv); V2 += analogRead(Uout); } U_pv = V1 * 0.118 / Sample ; U_out = V2 * 0.118 / Sample ; I_pv = I1 * 0.016117 / Sample; Power_old = U_pv * I_pv; pwmWrite(PWMpin, 800); } void loop() { Serial.print("200"); delayMicroseconds(1); Serial.print(" "); delayMicroseconds(1); Serial.print("0"); delayMicroseconds(1); Serial.print(" "); delayMicroseconds(1); Serial.print(D * 100.0 / MaxDuty, 1); delayMicroseconds(1); Serial.print(" "); delayMicroseconds(1); Serial.print(U_pv, 1); delayMicroseconds(1); Serial.print(" "); delayMicroseconds(1); Serial.println(Power, 1); 60 V1 = 0; V2 = 0; I1 = 0; Sample = 1000; for (j = 0; j < Sample; j++) { V1 += analogRead(Upv); I1 += analogRead(Ipv); V2 += analogRead(Uout); } U_pv = V1 * 0.118 / Sample ; U_out = V2 * 0.118 / Sample ; I_pv = I1 * 0.016117 / Sample; if ( digitalRead(PC14) == 0) { mppt_lai(); } if ( digitalRead(PC14) == 1) { pwmWrite(PWMpin, 0); } } void mppt_lai() { dV = U_pv - U_pvold; Power = U_pv * I_pv; dP = Power - Power_old; if ((dP > && delta_D > 0) || (dP > && dV < 0) || (dP < && dV > 0) ) { D = D + MPPT_STEP; } if ((dP < && dV < 0) || (dP > && dV > 0)) { D = D - MPPT_STEP; } Power_old = Power; U_pvold = U_pv; delta_D = D - D_old; 61 D_old = D; if (D > Duty_gh) { D = Duty_gh; } if (D < 0) { D = 0; } } 62 CONG HOA x A HOI CHU NGHIA VIVI NAM DAI HOC DA NANG TRU'ONG DAI HOC BACH KHOA DOc 14p - Tv - Hanh phtic S6: 2413 /QD-DHBK Da NEing, 06 thong 41 nom 2018 QUYET DINH Ve viec giao dt tai va filch nhqm ciia nguiri hiro•ng clan luan van th#c si HItU TRU'ONG TRICONG BAI HOC BACH KHOA Can cir Nghi dinh so 32/CP 04/4/1994 ciia Chinh phu ve viec lap Dai h9c DA Nang; Can cir Th6ng to s6 08/2014/TT-BGDDT 20/3/2014 dm B6 trugng B6 Gido duc va Dao tao ve viec ban hanh Quy the to chirc va hog d6ng cua dai hoc viing va cac co sa gido dpc dai hoc vien; Quyet dinh so 6950/QD-DHDN 01/12/2014 dm Giarn_d6c Dai hoc Da Nang ye viec ban hanh Quy dinh nhiem vu, quyen han dm Dai hoc DA Nang, cac co sa giao chic dai hoc vien va cac don vi trixc thu6c; Can cir Thong to so 15/2014/TT-BGDDT 15/5/2014 cila B6 trirang B6 Giao dtic va Dao WI) ye viec ban hanh Quy the Dao tao trinh d6 thac si; Quyet dinh s6 598/QD-DHBK 27/12/2016 dm Hieu truing Trugng Dai hoc Bach khoa ve viec ban hanh Quy dinh ciao tao trinh d6 thac si; Can cir Quyet dinh s6 433/DHBK-DT 28/02/2017 cda Hieu truing Trugng Dai hoc Bach Khoa ve viec c6ng nhan hoc vien cao hoc triing tuyen; Can dr T6 trinh s6 25/KD 25/10/2018 cua khoa Dien ve viec To Quyet dinh giao de tai va ngirgi huang dan luan van thac si cho hoc vien cao hoc chuyen nganh Ky thuat dien, kh6a 34; Xet de nghi cua Twang Phong Dao tao, QUYET DINH: Ditu Giao cho hoc vien cao hoc TrAn Anh TuAn, lap K34.KTD, chuyen nganh Ky thudt dien, thvc hien de tai luan van "Thiet Ice va the too mach chuyen clai DC/DC sir dung thudt Wan MPPT lai de ndng cao hieu suit he thong dien mat dirai su huang clan dm TS Dwang Minh Qu an, Trwang Dgi hoc Bach Khoa - Dgi hoc Da Nang Dieu 1-19C vien cao hoc va ngirgi huang dan c6 ten Dieu dirge huang cac quyen lgi va thvc hien nhiern vu theo dung quy the dao tao thac si hien hanh cua B6 Gido dvc va Dao tao, quy dinh ciao tao thac si cua Truing Dai hoc Bach khoa Dieu Cac Ong/BA Truing PhOng Dao tao, Truing ph6ng Ke hoach — Titi chinh, Twang khoa Dien, ngirgi huang dan luan van va hoc vien c6 ten a Dieu can cir Quyet dinh thi hanh./ KT HIEU TRU'ONG U TRU'ONG Nal nhfin: - Nhu di6u 3; - Luu: Phong DT TS Phan Minh Dim ... 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 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT... đó, thuật tốn cải tiến cần phải 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? ??... INC Thuật toán điện dẫn gia tăng Hill Climbing Thuật toán leo đồi DC/ AC Chuyển đổi lượng chiều/xoay chiều PWM Điều rộng xung x THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/ DC SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI