Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời

Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời. Nêu các vấn đề thiết kế điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời. Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập. Kết quả mô phỏng hệ thống bằng MatlabSimulink.

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI HOÀNG ĐỨC DŨNG NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS VÕ MINH CHÍNH Hà Nội - năm 2018 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi lượng mặt trời” em tự thiết kế hướng dẫn PGS TS Võ Minh Chính Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành luận văn em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Hoàng Đức Dũng Mục lục MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH VẼ iii DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU v DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi LỜI NÓI ĐẦU Chương TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Giới thiệu hệ thống lượng mặt trời 1.1.1 Năng lượng mặt trời 1.1.2 Điện mặt trời 1.1.3 Nhiệt điện mặt trời 1.2 Quang điện mặt trời 1.2.1 Khái niệm về pin quang điện 1.2.4 Hiệu ứng quang điện 1.2.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 1.2.6 Các đặc trưng pin mặt trời 1.3 Ứng dụng pin mặt trời đời sống 13 1.3.1 Tích hợp vào thiết bị 13 1.3.2 Nguồn điện di động 13 1.3.3 Nguồn điện cho tòa nhà 14 1.3.4 Nhà máy điện mặt trời 15 1.4 Điện mặt trời Việt Nam 15 1.4.1 Tiềm điện mặt trời ở Việt Nam 15 1.4.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam 15 1.5 Kết luận chương 16 Chương CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ – ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 17 2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 17 2.2 Vấn đề tối ưu hóa hoạt động pin mặt trời – Bám điểm công suất cực đại 18 i Mục lục 2.3 Thuật toán bám điểm công suất cực đại – Maximum power tracking point 20 2.3.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch 20 2.3.2 Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observer) 21 2.3.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 26 2.3.4 Hạn chế của MPPT 29 2.4 Bộ biến đổi nguồn dùng cho hệ thống 30 2.4.1 Các cấu hình biến đổi DC/DC 31 2.4.2 Các cấu hình biến đổi DC/AC 34 2.5 Ắc quy phương pháp nạp ắc quy 41 2.5.1 Ắc quy 41 2.5.2 Phương pháp nạp ắc quy 42 2.5.3 Điều khiển sạc kết hợp MPTT 45 2.6 Kết luận chương 46 Chương THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HOẠT ĐỘNG ĐỘC LẬP 47 3.1 Yêu cầu thiết kế 47 3.1.1 Tính toán kích cỡ pin mặt trời 47 3.1.2 Tính toán yêu cầu DC/DC 50 3.1.3 Tính toán yêu cầu dung lượng ắc quy 51 3.2 Lựa chọn cấu hình biến đổi DC/DC 51 3.2.1 Tính toán tụ lọc đầu 54 3.2.2 Tính toán cuộn cảm 55 3.2.3 Tính tốn tham sớ 55 3.3 Thiết kế biến đổi DC/AC 56 3.3.1 Tính chọn van điều khiển 57 3.3.2 Mạch khuếch đại điều khiển Mosfet 57 3.3.3 Mạch lọc đầu của nghịch lưu 57 3.3.4 Biến áp AC/AC 58 3.4 Lựa chọn vi điều khiển giải thuật 58 3.4.1 Vi điều khiển 58 3.4.2 Chọn phương pháp điều khiển MPPT 60 3.5 Thiết kế mạch đo 61 3.5.1 Mạch đo điện áp 61 3.5.2 Mạch đo dòng điện 61 ii Mục lục 3.5.3 Mạch đo nhiệt độ 62 3.6 Thiết kế mạch sạc ắc quy 62 3.7 Sơ đồ mạch tổng thể hệ thống 63 3.8 Thiết kế phần mềm hệ thống 65 3.8.1 Lưu đồ thuật tốn chương trình chính - điều khiển sạc ắc quy bám MPPT 65 3.8.2 Lưu đờ tḥt tốn chương trình bám điểm cơng śt cực đại 66 3.8.3 Lưu đờ tḥt tốn chương trình điều khiển nghịch lưu 67 3.9 Kết luận chương 69 Chương KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB/SIMULINK 70 4.1 Mô phỏng pin mặt trời 70 4.1.1 Khối Iph 70 4.1.2 Khối Irs 70 4.1.3 Mơ hình pin mặt trời 71 4.2 Mơ hình hóa giải thuật MPPT 71 4.2.1 Giải thuật P&O 71 4.2.2 Giải thuật INC 72 4.2.3 Khảo sát công suất của hệ có điều khiển MPPT 72 4.2.4 Mô phỏng làm việc nghịch lưu SPWM 74 4.3 Kết luận chương 76 KẾT LUẬN 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 PHỤ LỤC 82 iii Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động nhà máy điện mặt trời Hình 1.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời Hình 1.3 Hiện tượng hiệu ứng quang điện Hình 1.4 Cấu tạo pin măt trời Hình 1.5 Hoạt động pin mặt trời Hình 1.7 Đặc tính V-A đặc tính P-V pin mặt trời Hình 1.8 Đặc tính V-A ở nhiệt độ khác 10 Hình 1.9 Điểm làm việc điểm công suất cực đại 11 Hình 1.10 Trạm vũ trụ ISS Robot tự hành hỏa 13 Hình 1.11 Nguồn sạc di động hệ thống điện tàu biển 14 Hình 1.13 Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời 15 Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời 17 Hình 2.2 Đặc tính I-V, P-V pin mặt trời với điểm công suất cực đại 18 Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống MPPT tiêu biểu 20 Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu Iref 21 Hình 2.6 Đường đặc tính quan hệ công suất dòng điện P – I pin mặt trời 22 Hình 2.7 Lưu đồ thuật tốn P&O điều khiển thơng qua dòng tham chiếu Iref 23 Hình 2.8 Sơ đồ khối phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 24 Hình 2.9 Mối quan hệ tổng trở vào mạch boost với chu kỳ nhiệm vụ D 24 Hình 2.9 Lưu đờ thuật tốn P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 25 Hình 2.10 Độ dốc (dP/dV) PV 26 Hình 2.11 Lưu đờ thuật tốn INC điều khiển thông qua chu kỳ nhiệm vụ D 28 Hình 2.12 Lưu đờ thuật tốn INC điều khiển thông qua dòng điện tham chiếu Iref 29 Hình 2.13 Mô hình đặc tính I – V, P – V hệ thống pin mặt trời 30 Hình 2.14 Mô hình hệ thống pin mặt trời 31 Hình 2.15 Phân loại cấu hình biến đổi DC-DC 31 Hình 2.16 Cấu hình DC-DC không cách ly 32 iii Danh mục hình vẽ Hình 2.17 Cấu hình biến đổi Forward & Push-Pull 32 Hình 2.18 Cấu hình biến đổi Flyback 33 Hình 2.19 Cấu hình Half-Bridge Full-Bridge 34 Hình 2.20 Nghịch lưu cầu pha 34 Hình 2.21 Nghịch lưu có điểm trung tính 34 Hình 2.22 Giản đồ xung nghịch lưu cầu pha 36 Hình 2.23 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu pha 37 Hình 2.24 a) Nghịch lưu cộng hưởng song song – b) Giản đồ xung 37 Hình 2.25 a) Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp – b) Sơ đồ thay 37 Hình 2.26 Luật điều khiển 38 Hình 2.27 Sơ đồ khối điều khiển van PWM 39 Hình 2.28 Điện áp nghịch lưu điều khiển bởi xung đơn cực 40 Hình 2.29 Điện áp nghịch lưu điều khiển bởi xung lưỡng cực 40 Hình 2.30 Sơ đồ nạp với dòng điện không đổi 42 Hình 2.31 Quan hệ nồng độ dung dịch điện phân trạng thái điện ắc quy 43 Hình 2.32 Bốn giai đoạn sạc ắc quy 45 Hình 2.33 Giải thuật sạc ắc quy hai giai đoạn kết hợp MPPT 46 Hình 3.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời 47 Hình 3.2 Đồ thị đặc tính Kyocera KC130GHT-2 48 Hình 3.3 Đồ thị đặc tính IV PV hệ cường độ bức xạ 1kW/m2 49 Hình 3.4 Đồ thị đặc tính IV PV hệ mức cường độ bức xạ khác 50 Hình 3.5 Mô hình biến đổi tăng áp 52 Hình 3.6 Sơ đồ thay a) Mosfet đóng, b) Mosfet cắt 52 Hình 3.7 a) Dạng sóng điện áp cuộn cảm, b) Dạng sóng dòng điện tụ điện 53 Hình 3.7 c) Dạng sóng điện áp dòng điện ở chế độ dòng liên tục 53 Hình 3.8 Dạng sóng điện áp đầu 54 Hình 3.9 Dạng sóng dòng điện cuộn cảm 55 Hình 3.10 Nghịch lưu cầu H 57 iv Danh mục hình vẽ Hình 3.11 Sơ đồ kết nối IR2101 57 Hình 3.12a Vi điều khiển 18F2331 59 Hình 3.12b Vi điều khiển 18F2331 60 Hình 3.13 ACS 712 62 Hình 3.14 Mạch sạc ắc quy nạp/xả 63 Hình 3.15 Sơ đồ mạch hệ thống 64 Hình 3.16 Lưu đờ thuật tốn chương trình sạc ắc quy bám MPPT 66 Hình 3.17 Lưu đờ thuật tốn chương trình bám điểm cơng suất cực đại MPPT 67 Hình 3.18 Lưu đờ thuật tốn chương trình điều khiển nghịc lưu 68 Hình 4.1 Mô phỏng Iph 70 Hình 4.2 Mô phỏng Irs 70 Hình 4.3 Mô hình pin mặt trời với thông số H, T, V, I 71 Hình 4.4 Sơ đồ giải thuật P&O 71 Hình 4.5 Sơ đồ giải thuật INC 72 Hình 4.6 Hệ pin mặt trời với điều khiển MPPT 73 Hình 4.7 Đồ thị điện áp đầu vào Boost converter 73 Hình 4.8 Đồ thị điện áp đầu Boost converter 74 Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng inverter pha 74 Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển PWM 75 Hình 4.11 Đặc tính I, V sau qua nghịch lưu 75 Hình 4.12 Đặc tính I V tải 76 v Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Bảng 3.1 Kyocera KC130GHT-2 47 Bảng 3.2 Bảng thông số IXSH30N60AUI 56 Bảng 3.3 Bảng thông số SW04PCN020 56 v Danh mục từ viết tắt DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT MPPT Maximum Power Tracking Point Tìm điểm công suất cực đại PV Photovoltaic Pin quang điện P&O Perturb and Observer Nhiễu loạn quan sát INC Incremental Conductance Điện dẫn gia tăng CMC Current Mode Control Điều khiển dòng EMI ElectroMagnetic Interference Nhiễu điện từ DC Direct Current Điện chiều AC Alternating Current Điện xoay chiều VAC Voltage Alternating Current Điện áp xoay chiều VDC Voltage Direct Current Điện áp chiều IC Intergrated Control Chip điều khiển BAX - Biến áp xung MBA - Máy biến áp vi Chương Kết mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink Trên thực tế thời tiết làm bức xạ mặt trời thay đổi liên tục ngày chứ không theo cấp ( theo nắng ngày ) cần thiết phải có điều khiển MPPT để hệ thống hoạt động tốt 77 KẾT LUẬN ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN Sau trình làm luận văn em thu kết định Những kết luận sau đánh giá tởng hợp cho tồn q trình thực hiện: - Nghiên cứu cấu hình biến đổi DC/DC DC/AC dùng hệ thống lượng mặt trời - Nghiên cứu giải thuật nâng cao công suất làm việc hệ thống lượng mặt trời - Tính đắn việc mơ hình hóa thiết kế điều khiển kiểm chứng bằng mô phỏng qua phần mềm Matlab/Simulink - Xây dựng, tính toán yêu cầu để xây dựng hệ thống lượng mặt trời đáp ứng nhu cầu hộ gia đình KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO Qua kết trình bày luận văn, mạch điều khiển dừng lại ở mô phỏng hệ thống hoạt động còn ở mức thụ động, từ mở hướng nghiên cứu tiếp theo: - Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ thống điều khiển thông minh nhằm thiết kế hệ thống cung cấp điện thông minh cho hộ gia đình Ngày với phát triển vũ bão công nghệ Việt Nam cũng khơng nằm ngồi chuyển mình công nghiệp 4.0 với hướng nghiên cứu phát triển xây dựng hệ sinh thái Smarthome dựa tảng IoT, hệ thống lượng mặt trời cũng không nằm ngồi hệ sinh thái Với ưu điểm ng̀n lượng xanh giá thành ngày giảm, việc nghiên cứu áp dụng hệ thống lượng mặt trời thông minh ứng dụng hệ sinh thái Smarthome cần thiết đem lại nhiều lợi ích kinh tế cho người dùng - Hệ thống thiết kế còn cờng kềnh chưa tối ưu hóa Ngày giới có nhiều giải pháp vi điều khiển tích hợp cho hệ thống lượng mặt trời với hiệu suất cao Do cần thiết nghiên cứu thiết kế hệ thống tảng cung cấp bởi hãng sản xuất IC nổi tiếng giới Texas Instrucment, STMicroelectronic 78 Bên cạnh kết thu được, thì thời gian cũng kỹ thực nghiệm còn hạn chế, nên luận văn chắc chắn còn có thiếu sót Vì thế, em kính mong nhận lời nhận xét, đánh giá góp ý thầy để chúng em khắc phục Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn, giúp đỡ tận tình PGS.TS Võ Minh Chính nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành luận văn Em xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2018 Học viên Hoàng Đức Dũng 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Aryuanto Soetedjo, Abraham Lomi, Yusuf Ismail Nakhoda, Awan Uji Krismanto 2012 Modeling of Maximum Power Point Tracking Controller for Solar Power System [2] Abonyo Carlvin W.Omondi, A Microcontroller based MPPT charger controller, Department of Electrical and Information Engineering, University of Nairobi, 2016 [3] Erickson, Fundamentals of Power Electronics, Second Edition, 2004 [4] K Lingeswaran, Microcontroller-Based MPPT Control for Standalone PV System with Sepic converter, Middle-East Journal of Scientific Research 20 (8): 945-950, 2014 ISSN 1990-9233 [5] Marian K.Kazimierczuk, Pulse-width Modulated DC–DC Power Converters, Willy, 2008 [6] M G Villalva, J R Gazoli, E Ruppert F, Modeling and circuit-based simulation of photovoltaic arrays, Brazilian Journal of Power Electronics, 2009 vol 14, no 1, pp 35 45, ISSN 1414-8862 [7] Riza M., et al., “A maximum power point tracking for photovoltaic-SPE system using a maximum current controller”, Solar Energy Materials &Solar Cells, vol.75 , pp 697–706, 2003 [8] Saurav Satpathy, Photovoltaic power control using MPPT and boost converter Department of Electrical Engineering National Institute of Technology, Rourkela,2012 [9] Telkomnika O Bingol, A Altinta, and Y Oner, “Microcontroller based solartracking system and its implementation,” Journal of Engineering Sciences, vol 12, pp 243–248, 2006 [10] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh, Điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2008 [11] Phạm Quốc Hải, Hướng dẫn thiết kế điện tử công suất, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2009 [12] Dương Hùng Hoàng, Năng lượng mặt trời-Lý thuyết ứng dụng, Thư viện học liệu mở Việt nam, http://voer.edu.vn/c/8b9f5858 80 [13] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội, 2006 [14] Đặng Đình Thống, Pin Mặt Trời Và Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học Kỹ Thuật,152 trang, 2008 [15] Phùng Quang Khải, Nghiên cứu đơn giản hóa tốn tổng hợp hệ thớng điện mặt trời nới lưới, Luận văn tiến sĩ kỹ thuật, Học viện Kỹ thuật quân sự, 2016 81 Phụ lục PHỤ LỤC P.1 Code chương trình Matlab a) P&O function D = PO(V,I,T) % MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm % D output = Duty cycle of the boost converter (value between and 1) % Enabled input = to enable the MPPT controller % V input = PV array terminal voltage (V) % I input = PV array current (A) % Param input: Dinit = 0.5; %Initial value for D output Dmax =0.9; %Maximum value for D Dmin = 0.1; %Minimum value for D deltaD =0.01; %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D % ( increasing D = decreasing Vref ) % persistent Vold Pold Dold n P; dataType = 'double'; if isempty(Vold) 82 Phụ lục Vold=0; end if isempty(n) n=1; end if isempty(Pold) Pold=0; end if isempty(Dold) Dold=Dinit; end %%%%%%%%%%%%%%%%%%%%% if (T > n*0.02) %0.02s P= V*I; dV= V - Vold; dP= P - Pold; if dP ~= if dP < 158 if dV < D = Dold - deltaD; else D = Dold + deltaD; 83 Phụ lục end else if dV < D = Dold + deltaD; else D = Dold - deltaD; end end else D=Dold; end if D >= Dmax || Dn*0.02) % sample time is 0.02s n=n+1; if CC if V5.0 temp_i=0; temp_v=1; temp_signal=2; else 175 temp_fault=0; end end end signal=temp_signal; SD=temp_fault; Iref=temp_i; Vref=temp_v; end 86 Phụ lục P.2 Code chương trình 18F2331 #include #device adc=10 #use delay(clock=20000000) long pwm_charge = 0; unsigned int8 count_down = 0; unsigned int8 matrix_PWM[8]={2000,4000,6500,8000,8000,6500,4000,2000}; // Thong so fix truoc #define V_OC 405 //theo V cua ac quy #define I_BULK 0.2 // #define I_STEADY 2.94 // #define K 10// // Ham bam cong suat cuc dai MPPT void MPPT_Function() { float delta_P=Psolar-PrevPsolar; float delta_V=Vsolar-PrevVsolar; float delta_I=Isolar-PrevIsolar; float gradient=delta_P/delta_V; Psolar= Vsolar*Isolar if(delta_V!=0) { if(gradient>0){ pwm_duty+=delta; PrevPsolar=Psolar; PrevVsolar=Vsolar; 87 Phụ lục PrevIsolar=Isolar; set_power_pwm1_duty(pwm_duty); } else if(gradient0) { pwm_duty+=delta; PrevPsolar=Psolar; PrevVsolar=Vsolar; PrevIsolar=Isolar; set_power_pwm1_duty(pwm_duty); } else if(delta_IAN4 setup_adc(ADC_CLOCK_INTERNAL);// cai dat thoi gian lay mau cho adc setup_ccp1(CCP_PWM);// configure CCP1 as a PWM 88 Phụ lục setup_timer_2(T2_DIV_BY_1,127,1); // cai dat timer voi clock = (1/20Mhz)*4*(period+1)=39062 Hz setup_power_pwm(PWM_CLOCK_DIV_4 |PWM_FREE_RUN|PWM_DEAD_CLOCK_DIV_4,1,0,20,0,1,0);// cau hinh bo pwm tao sine voi tan so voi //setup_power_pwm(modes, postscale, time_base, period, compare, compare_postscale, dead_time);// setup_power_pwm_pins(PWM_COMPLEMENTARY,PWM_COMPLEMENTARY, PWM_PINS_DISABLED, PWM_PINS_DISABLED);// ket noi voi cap chan pwm while(TRUE) { // doc adc set_adc_channel(2); delay_us(10); value = read_adc(); VSolar = (value/1023)*5*(1+100)/1; // doc adc set_adc_channel(3); delay_us(10); value = read_adc(); ISolar = (value*5.0)/1024; // doc adc set_adc_channel(0); delay_us(10); value = read_adc(); 89 Phụ lục Vb = (value/1023)*5*(1+100)/1; // doc adc set_adc_channel(1); delay_us(10); value = read_adc(); Ib = (value*5.0)/1024; if(Vb>=V_OC) { if(pwm_duty>=K) pwm_duty-=K; else pwm_duty = 0; if(Ib