Thiết kế bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời thành điện 3 pha, 220v

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA O BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: THIẾT KẾ BỘ NGHỊCH LƯU NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN PHA, 220V/50Hz 3KW Mã số đề tài: T-ĐĐT-2012-13 Thời gian thực hiện: 2/2012-8/2013 Chủ nhiệm đề tài: Hồ Thanh Phương, Phan Thị Thu Vân Cán tham gia đề tài: PGS.TS Lê Minh Phương KS Nguyễn Minh Huy Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng 09/2013 DANH SÁCH CÁC CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI ThS Hồ Thanh Phương, môn Cung cấp điện, khoa Điện – Điện tử ThS Phan Thị Thu Vân, môn Cung cấp điện, khoa Điện – Điện tử PGS TS Lê Minh Phương, môn Cung cấp điện, khoa Điện – Điện tử KS Nguyễn Minh Huy, môn Cung cấp điện, khoa Điện – Điện tử LỜI CẢM ƠN Cơng trình thực Phịng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Cơng Suất, khuôn khổ đề tài Nghiên Cứu Khoa Học Cấp Trường, chương trình Hướng Dẫn CBGD trẻ tham gia NCKH Nhóm tác giả xin chân thành cảm ơn thầy PGS TS Phan Quốc Dũng tất Thầy Cô Bộ Mơn Cung Cấp Điện, Phịng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất giúp đỡ đồng hành nhóm tác giả thời gian thực đề tài Tp Hồ Chí Minh, ngày 02 tháng 09 năm 2013 TÓM TẮT Đề tài nghiên cứu thiết kế điều khiển biến đổi lượng pin mặt trời thành lượng điện xoay chiều Khối lượng luận văn thực gồm hai nhiệm vụ chính: thiết kế, điều khiển biến đổi điện áp chiều DC/DC thiết kế, điều khiển biến đổi điện áp xoay chiều DC/AC Bộ DC/DC ứng dụng giải thuật dò tìm điểm cơng suất cực đại pin lượng mặt trời (MPPT – Maximum Power Point Tracking), để xác định điểm làm việc tối ưu thiết lập hệ thống làm việc điểm Bộ DC/DC làm nhiệm vụ nâng giá trị điện áp thấp từ phía pin thành điện áp DC Bus có giá trị đủ lớn để cung cấp cho tầng nghịch lưu Trong DC/DC áp dụng giải thuật điều khiển dòng điện, điện áp để thiết lập điểm làm việc cho hệ thống điểm công suất cực đại (MPP – Maximum Power Point) pin PV (photovoltaic – pin lượng mặt trời) Bộ DC/AC thực nhiệm vụ biến đổi điện áp DC Bus thành điện áp xoay chiều ba pha Tầng DC/AC bao gồm điều khiển vịng khố pha (PLL – Phase Lock Loop), để xác định tần số, góc pha điện áp lưới, nhờ điều khiển nghịch lưu điều khiển dòng điện ngõ pha, tần số với điện áp lưới, điện áp nghịch lưu có biên độ biên độ điện áp lưới để thực hồ lưới Bộ DC/AC cịn có nhiệm vụ điều khiển điện áp DC Bus giữ giá trị cố định Ngồi điều khiển PLL, DC/AC cịn sử dụng điều khiển dòng điện, điện áp Đề tài sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực mơ hình mơ để kiểm chứng lý thuyết đề tài Mơ hình thực nghiệm xây dựng sử dụng với card điều khiển DSP C2000 (TMS320F28335/TMS320F28035) Các kết đề tài bao gồm: + Mơ hình nghịch lưu điện pha, 220V/50Hz sử dụng nguồn lượng mặt trời + Các thuật toán điều khiển tối ưu công suất pin mặt trời điều khiển biến đổi công suất DC/DC, DC/AC MỤC LỤC DANH SÁCH CÁC CÁN BỘ THAM GIA THỰC HIỆN ĐỀ TÀI LỜI CẢM ƠN TÓM TẮT MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các vấn đề hệ thống lượng mặt trời 10 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 10 1.3.1 Tình hình nghiên cứu nước 10 1.3.2 Tình hình nghiên cứu nước 11 CHƯƠNG KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA BỘ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 12 2.1 Thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại pin lượng mặt trời MPPT 12 2.1.1 Đặc tuyến pin lượng mặt trời 12 2.1.2 Giải thuật PO: Perturbation Observe 13 2.1.3 Giải thuật Incremental Conductance (IncCond) 13 2.1.4 Giải thuật điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic): 16 2.1.5 So sánh lựa chọn: 19 2.2 Mơ hình hố mô 20 CHƯƠNG KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 29 3.1 Điều khiển tầng biến đổi điện áp chiều DC/DC 29 3.1.1 Cấu hình cơng suất tầng DC/DC 29 3.1.2 Sơ đồ khối điều khiển DC/DC 30 3.2 Điều khiển tầng nghịch lưu DC/AC 31 3.2.1 Tổng quát điều khiển tầng DC/AC 31 3.2.2 Phương pháp điều khiển nghịch lưu ba pha 32 3.3 Nhúng thuật toán điều khiển xử lý DSP 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 35 4.1 Thiết kế mạch công suất 35 4.2 Thiết kế mạch điều khiển đo lường 36 4.2.1 Cảm biến dòng, áp 36 4.2.2 Mạch xử lý trung tâm sử dụng KIT DSP F28035 36 4.2.3 Các mạch truyền thông 37 4.2.4 Mạch hoàn chỉnh 37 4.3 Kết thực nghiệm 38 CHƯƠNG KẾT LUẬN 41 5.1 Các kết đạt 41 5.1.1 Kết phần mềm: 41 5.1.2 Mơ hình thực nghiệm 42 5.1.3 Bài báo 42 5.2 Hướng phát triển đề tài 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1 Đặc tuyến I-V P-V pin mặt trời thời điểm 12 Hình 2.2 Đặc tuyến I-V P-V yếu tố môi trường thay đổi 13 Hình 2.3 Giải thuật PO 14 Hình 2.4 Dị tìm MPP với giải thuật IncCond 14 Hình 2.5 Giải thuật IncCond 16 Hình 2.6 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào E 18 Hình 2.7 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào dE 18 Hình 2.8 Hàm liên thuộc cho biến ngõ ∆Vref 18 Hình 2.9 Mơ hình mô giải thuật MPPT 21 Hình 2.10 Đồ thị xạ cho mô 21 Hình 2.11 Giải thuật PO dị cơng suất cực đại 22 Hình 2.12 Giải thuật PO - Vref Vpv 22 Hình 2.13 Giải thuật IncCond - dò MPP 23 Hình 2.14 Giải thuật IncCond - Vpv Vref 23 Hình 2.15 Giải thuật Fuzzy - dị MPP 23 Hình 2.16 Giải thuật Fuzzy – Vref Vpv 23 Hình 2.17 Đồ thị xạ 24 Hình 2.18 PO - dị MPPT - mơ 24 Hình 2.19 PO - đáp ứng Vref Vpv – mô 25 Hình 2.20 IncCond - dị MPP - mơ 25 Hình 2.21 IncCond - Vref, Vpv - mơ 25 Hình 2.22 Fuzzy - dị MPP - mơ 26 Hình 2.23 Fuzzy - đáp ứng Vref, Vpv - mô 26 Hình 2.24 Đồ thị nhiệt độ - mơ 26 Hình 2.25 PO – dị MPP – mô 27 Hình 2.26 PO - đáp ứng Vref, Vpv – Mô 27 Hình 2.27 IncCond – dị MPP - Mô 27 Hình 2.28 IncCond – đáp ứng Vref, Vpv - mô 27 Hình 2.29 Fuzzy – dị MPP – mô 28 Hình 2.30 Fuzzy – đáp ứng Vref, Vpv – mô 28 Hình 3.1 Bộ biến đổi điện áp chiều DC/DC dạng Push-pull 29 Hình 3.2 Sơ đồ khối điều khiển tầng DC/DC với giải thuật MPPT 30 Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tầng nghịch lưu DC/AC 32 Hình 3.4 Cấu hình nghịch lưu sáu khố 33 Hình 3.5 Các vector điện áp chuẩn sector 34 Hình 4.1 Sơ đồ khối biến đổi điện áp DC/DC dạng push-pull thiết kế đề tài 35 Hình 4.2 Thử nghiệm toàn hệ thống 37 Hình 4.3 Chạy thực nghiệm mơ hình DC/DC (khơng kết nối với mạch nghịch lưu ) 38 Hình 4.4 Xung kích FET VDS duty=0.25 39 Hình 4.5 Dạng dịng điện nghịch lưu (CH3) phân tích FFT dịng điện nghịch lưu 39 Hình 4.6 Điện áp ba pha dòng điện ba pha sau nghịch lưu 39 Hình 4.7 Điện áp DC-Link dịng điện pha ngõ 40 CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Các nguồn lượng truyền thống dầu mỏ, than đá,… dần cạn kiệt vấn đề thiết đặt cho nhà khoa học toàn giới tìm nguồn lượng thay Trong nhiều nguồn lượng mới, lượng mặt trời đóng vai trị quan trọng quan tâm nhiều nhà khoa học Tiếp cận nguồn lượng mặt trời khơng góp phần giải vấn đề cung cấp điện năng, mà nguồn lượng cịn nguồn lượng sạch, khơng gây ô nhiễm môi trường.Trong tất nguồn lượng tái tạo, lượng mặt trời phong phú biến đổi thời kỳ biến đổi khí hậu Thuận lợi Việt Nam: nước nằm dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều năm đồ xạ mặt trời giới nguồn lượng mặt trời Việt Nam phong phú Việt Nam có hàng nghìn đảo có cư dân sinh sống nhiều nơi đưa điện lưới đến Sử dụng nguồn lượng mặt trời có ý nghĩa “nguồn lượng chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện cư dân vùng Như vậy, yêu cầu sử dụng nguồn lượng mặt trời Việt Nam mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu ứng dụng lượng mặt trời Việt Nam chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng địi hỏi phải có nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo nghịch lưu pin mặt trời tạo thành nguồn điện có khả ứng dụng dân dụng công nghiệp Các nghịch lưu phải đảm bảo chất lượng điệp áp, tính ổn định giá thành hợp lý 1.2 Các vấn đề hệ thống lượng mặt trời Đầu tiên, lượng điện tạo pin mặt trời lượng điện chiều (DC), để sử dụng (trong công nghiệp, dân dụng, hồ lưới điện), phải chuyển đổi thành lượng điện xoay chiều AC Sự chuyển đổi thực nghịch lưu – inverter Thông thường, điện áp ngõ pin mặt trời chưa đủ để đưa vào DC-AC (hoặc nhu cầu muốn tăng hiệu suất biến đổi công suất), pin mặt trời tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm biến đổi công suất dạng DC/DC, tăng giảm áp (Boost/Buck) Tuy nhiên, công suất pin mặt trời đại lượng biến thiên liên tục phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,… khiến cho ngõ thường khơng ổn định không tận dụng công suất tối đa Do đó, tốn lượng mặt trời, để sử dụng công suất pin mặt trời hiệu nhất, hay nói cách khác để làm việc điểm công suất cực đại MPP (Maximum power point) vấn đề quan trọng Có nhiều kĩ thuật tối ưu điểm cơng suất cực đại, kĩ thuật tiếp tục nghiên cứu phát triển 1.3 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước Tình hình sử dụng nguồn lượng mặt trời: Trên giới, lượng mặt trời nhiều nước nghiên cứu vào sử dụng Tại nhiều nước phương Tây Mỹ, Hungary, Thuỵ Sĩ, Đức, từ nhiều năm nay, lượng mặt trời trở thành phần lượng quan trọng họ Năm 2009 Trung Quốc đầu tư tới 34 tỷ đô-la vào lượng tái tạo qua vượt qua Hoa Kỳ để trở thành nước hàng đầu giới vấn đề Trong thời gian gần nhiều nước vùng Đông Nam , đặc biệt Thái Lan Philippines, có nhiều hoạt động tìm kiếm nguồn lượng tái tạo cách tích cực 10 Ngược lại, áp DC Bus có xu hướng giảm xuống, nghịch lưu giảm dòng điện ngõ ra, từ giảm cơng suất ngõ ra, để giữ điện áp DC Bus không đổi Sơ đồ khối tổng quát điều khiển tầng DC/AC hình sau: PLL Bộ tạo sóng sine VDC_ref + Im Gcv(s) x Iref Áp lưới + VBUS OP.I Gci(s) Gobj1(s) Gobj2(s) Ksi Ksv Hình 3.3 Sơ đồ điều khiển tầng nghịch lưu DC/AC Bộ điều khiển tầng DC/AC bao gồm vòng Vòng điều khiển bên điều khiển dòng điện xoay chiều ngõ ra, vịng bên ngồi điều khiển điện áp DC Bus Vịng điều khiển điện áp có nhiệm vụ trì áp DC Bus giữ giá trị Vref Bộ điều khiển tính biên độ dịng nghịch lưu Im Im nhân với khối tạo sóng sine có giá trị đặt Iref Vịng điều khiển dòng điện làm nhiệm vụ điều chỉnh hệ thống cho nghịch lưu có dịng điện ngõ giá trị Iref Vòng điều khiển dòng điện vòng điều khiển điện áp sử dụng điều khiển cực – zero trình bày mục trước 3.2.2 Phương pháp điều khiển nghịch lưu ba pha Cấu hình cơng suất nghịch lưu sáu khoá sử dụng để tạo điện áp xoay chiều ba pha đề tài Cấu tạo bao gồm khóa bán dẫn (MOSFET IGBT), có chức biến đổi điện áp DC ngõ vào thành điện áp xoay chiều ba pha ngõ Các khóa (S1, S2), (S3, S4), (S5, S6) kích đối nghịch tạo khoảng thời gian trễ để tránh ngắn mạch nguồn DC Ba cặp khóa tạo trạng thái đóng ngắt, ứng với trạng thái, ta tính điện áp ngõ nghịch lưu 32 Hình 3.4 Cấu hình nghịch lưu sáu khố Có nhiều phương pháp điều khiển nghịch lưu để tạo điện áp có biên độ tần số mong muốn Trong đó, phương pháp điều chế vector không gian xem phương pháp xác đại Mục đích kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo vector không gian (SVPWM) xấp xỉ vector điện áp đặt sử dụng tám mẫu đóng ngắt khóa S1, S3, S5 Một phương pháp xấp xỉ đơn giản lấy trung bình ngõ nghịch lưu chu kì nhỏ Tám tổ hợp trạng thái đóng ngắt trình bày phần tám vector chuẩn (V0…V7) Trong đó, V0 V7 hai vector khơng điện áp ngõ nghịch lưu không Tám vector chia mặt phẳng thành phần nhau, phần có độ lớn 60o gọi sector Tùy vào vị trí vector điện áp tham khảo nằm sector nào, hai vector điện áp chuẩn liền kề chọn để thực vector điện áp Để chuyển từ vector sang vector khác nên thay đổi trạng thái khóa, điều tránh đóng ngắt nhiều khóa, từ giảm tổn hao đóng ngắt đặc biệt giảm tổn hao sóng hài bậc cao tạo q trình đóng ngắt tần số cao Ta có giản đồ đóng cắt khóa Trong sector tồn trạng thái 33 Hình 3.5 Các vector điện áp chuẩn sector 3.3 Nhúng thuật tốn điều khiển xử lý DSP Mơ hình đề tài sử dụng với chip DSP thuộc dòng C2000 hãng Texas Instruments (TI) TMS320F28335 TMS320F28035 DSP F28335 thuộc dịng Delfino, DSP F285035 thuộc dịng Piccolo, hai chip DSP tương thích với code Dòng Delfino vốn dòng DSP đời trước, sau TI phát triển thêm dịng Piccolo, gần tương tích tồn với dịng Delfino, nhiên tốc độ xử lý chậm giảm giá thành đáng kể Nhìn chung dịng chip có đặc điểm bật sau: + Lõi CPU 32-bit mạnh mẽ, hiệu quả, F28335 chạy tốc độ tối đa 150Mhz, F28035 60Mhz + Ngồi nhân xử lý CPU, có thêm nhân CLA (Control Law Accelerator), hỗ trợ tính toán số thực dấu chấm động (Floating Point) 32-bit Nhân CLA hoạt động độc lập với CPU, phép toán số thực đưa vào CLA tính tốn, yếu tố quan trọng để nâng cao tốc độ xử lý hệ thống Điều thích hợp với ứng dụng điện tử công suất ứng dụng đề tài Các dòng chip F28035 F28335 phù hợp với ứng dụng khơng cần tính tốn số thực với tốc độ cao, mà cịn địi hỏi điều khiển hoạt động real-time, nhằm cung cấp giải pháp điều khiển tin cậy, ổn định linh hoạt 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 4.1 Thiết kế mạch công suất Phần mạch công suất xem phần mạch đóng vai trị quan trọng định đến thành công đề tài Cả sơ đồ nguyên lý thiết kế mạch in (PCB) phải đảm bảo tuân thủ quy tắc thiết kế nghiêm ngặt để hạn chế nhiễu, gai áp đóng cắt Bộ biến đổi điện áp DC/DC thực đề tài có nhiệm vụ lấy điện áp từ pin PV (điện áp thấp) tăng áp lên mức VBUS Điện áp gọi mức điện áp tầng DC-link, trước đưa điện áp DC-link vào nghịch lưu VBUS L VPV NP NS VBUS+ D1 Ci1 Ci1a Ci2 Q1 D4 D5 NP Ci2a Q2 CO 0.1u 450V 2.2u 450V D D G G D2 D3 S S DC/DC CONVERTER CẤU HÌNH PUSH-PULL 5V ngoại vi Mạch lái MOSFET +/- 15V cảm biến Mạch nguồn phụ trợ LVTHS 2012 - HTP 5V/3.3V DSP IPV IPV VPV VPV- 15V mạch lái 1k 20W VBUS VPV+ Mạch xử lý tín hiệu Analog GNDBUS +/- 15V cảm biến 5V/ 3.3V Ngoại vi 5V/3.3V DSP 5V/ 3.3V Ngoại vi 5V/3.3V cách ly PWM 15V mạch lái DSP C28335/C28035 5V/3.3V cách ly PC GUI ADC SCI GPIOs LEDs trạng thái DC-AC Board Hình 4.1 Sơ đồ khối biến đổi điện áp DC/DC dạng push-pull thiết kế đề tài Cấu hình cơng suất sử dụng để thiết kế cấu hình push-pull Bộ DC/DC sử dụng cảm biến đo dòng, áp hãng LEM điều khiển card DSP Piccolo F28035 Thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại pin lượng mặt trời – MPPT ứng dụng tầng DC/DC để đạt giá trị cơng suất tối ưu Các khố bán dẫn sử dụng mơ hình MosFET Mỗi nhánh gồm MosFET mắc song song MosFET sử dụng linh kiện có mã hiệu IPP60R250CP 35 hãng Infineon Biến áp sử dụng tầng DC/DC phải đáp ứng tần số cao (HF – high frequency transformer) tần số đóng cắt MosFET (trong đề tài 100kHz) Điện áp cuộn thứ cấp biến áp xoay chiều cần chỉnh lưu diode để chuyển thành DC Diode dùng chỉnh lưu phải đáp ứng tần số đóng cắt cao (diode có thời gian phục hồi nhanh – ultrafast soft-recovery diode) Ngõ DC/DC lọc qua lọc LC Bộ nghịch lưu giữ nhiệm vụ nhận điện áp DC-link (ngõ tầng DC/DC) biến đổi thành điện áp xoay chiều pha, hoà đồng với lưới Linh kiện bán dẫn dùng với chức khoá điện tử phần nghịch lưu IGBT hãng Fairchild với mã hiệu FGP10N60UND 4.2 Thiết kế mạch điều khiển đo lường 4.2.1 Cảm biến dòng, áp Cảm biến dòng áp sử dụng đề tài sản phẩm hãng LEM, dựa hiệu ứng Hall, có độ tuyến tính cao cách ly phần sơ cấp (dịng áp lớn mạch cơng suất) với phần mạch điện tử đo lường phần thứ cấp Cảm biến áp dùng LEM LV25-P, có tín hiệu ngõ dịng điện tuyến tính so với điện áp đo Cảm biến đo dòng sử dụng đề tài cảm biến LEM LA25-NP Tín hiệu ngõ cảm biến dòng điện tuyến tính với cường độ dịng điện ngõ vào 4.2.2 Mạch xử lý trung tâm sử dụng KIT DSP F28035 Mỗi tầng DC-DC DC-AC sử dụng KIT điều khiển với chip DSP F28035 (hoặc F28335) Trên KIT có LED thị mode hoạt động mạch lọc thông thấp LC chân ADC Mạch DSP tầng DC/DC thực nhiệm vụ: + Đọc giá trị cảm biến dòng, áp từ pin PV giá trị áp DC-link + Thực thuật toán MPPT dị tìm điểm cơng suất cực đại pin mặt trời, điều chỉnh duty cycle kênh PWM để thay đổi điểm làm việc hệ thống tới điểm công suất tối ưu (MPP) + Giao tiếp với tầng DC/AC GUI để nhận liệu điều khiển 36 + Báo thị mode, bảo vệ mạch có cố áp DC-bus Mạch DSP tầng DC/AC thực nhiệm vụ: + Đọc giá trị điện áp DC Bus, áp lưới, dòng điện sau nghịch lưu + Điều khiển nghịch lưu + Bảo vệ cố (q áp, thấp áp, q dịng, khơng đủ dịng, tần số, thấp tần số, liên kết với tầng DC/DC) 4.2.3 Các mạch truyền thông Mạch cách ly tín hiệu số thiết kế dựa chip cách ly số ISO72xx (digital isolator) Texas Instruments Mạch giao tiếp với máy tính thơng qua cổng UART thực chip chuyển đổi USB – UART hãng FTDI (FT232RL), nhờ DSP kết nối với giao diện đồ hoạ người dùng (GUI) máy tính, cập nhật thơng tin trạng thái mạch vận hành (các số liệu đo lường, chế độ hoạt động) lên PC nhận giá trị thông số thiết lập từ máy tính gửi xuống 4.2.4 Mạch hồn chỉnh Hình 4.2 Thử nghiệm tồn hệ thống 37 4.3 Kết thực nghiệm Hình 4.3 Chạy thực nghiệm mơ hình DC/DC (khơng kết nối với mạch nghịch lưu ) Bộ DC/DC đáp ứng tần số đóng cắt tới 100Khz, hình sau dạng xung kích tần số 100Khz Kênh màu vàng (CH1) màu tím (CH3) xung kích cho nhánh FET (dời pha 180º) đo ngõ PWM DSP, kênh màu xanh (CH2) xung PWM nhánh FET sau tầng mạch kích (biên độ xung 15V) Hình sau mơ tả hoạt động DC/DC duty = 0.25 CH1 CH2 dạng xung kích đo chân MosFET, CH3 điện áp VDS (Drain-Source) MosFET nhánh (ứng với xung kích CH1), thử nghiệm điện áp DC đầu vào 12VDC, tần số đóng cắt 100Khz Khi tăng giá trị duty cycle giảm gai điện áp dạng xung linh kiện cơng suất, hay nói cách khác, giá trị duty nhỏ, xung áp dễ xuất gai nhiễu Trong kết đo đạc, giá trị duty nhỏ (0.25), ta thấy dạng xung kích điện áp FET tốt 38 Hình 4.4 Xung kích FET VDS duty=0.25 Dạng dịng điện nghịch lưu kết phân tích FFT tương ứng cho hình sau, với kết này, dịng điện ngõ có dạng sine với độ méo dạng chấp nhận Tần số điện áp nghịch lưu thay đổi khoảng 49.9Hz đến 50.2Hz Hình 4.5 Dạng dịng điện nghịch lưu (CH3) phân tích FFT dịng điện nghịch lưu Dạng điện áp dòng điện ba pha sau nghịch lưu hình đây: Hình 4.6 Điện áp ba pha dòng điện ba pha sau nghịch lưu 39 Trong hình sau trình bày kết thí nghiệm với điều kiện hệ thống khởi động với tải nhỏ 1/4 tải định mức, sau tăng lên tới giá trị tải định mức (1kW) Đường phía dạng điện áp đo DC-Link, phía dịng điện đo sau nghịch lưu Hình 4.7 Điện áp DC-Link dịng điện pha ngõ Hiệu suất biến đổi điện áp DC/DC đo đạc điều kiện tải khác cho Bảng 4.1, Hiệu suất đạt giá trị tốt 91.2% công suất 1kW ngõ Bảng 4.1 Hiệu suất biến đổi DC/DC Pin (W) 146 275 403 646 886 1125 Vin (V) 24.6 24.3 24 23.6 23.2 22.8 Iin(A) Po(W) Efficiency(%) 14.6 27.6 34.5 44.4 52.3 58.6 117 238 352 575 801 1027 78.2 85.5 87.3 89.0 90.3 91.2 40 CHƯƠNG KẾT LUẬN 5.1 Các kết đạt 5.1.1 Kết phần mềm: Đề tài đạt kết là: 1) Xây dựng thành cơng thuật tốn điều khiển dị tìm điểm cơng suất cực đại pin lượng mặt trời Kết thể giải thuật áp dụng mơ hình mô nhúng vào xử lý DSP 2) Xây dựng thành cơng thuật tốn điều khiển biến đổi công suất ứng dụng hệ thống lượng mặt trời Các thuật toán thực hai dạng giải thuật mô hình mơ mã nguồn nhúng vào xử lý DSP Với kết cụ thể: + Mô hệ thống biến đổi lượng pin mặt trời hồn chỉnh, bao gồm mơ pin PV, mơ cấu hình cơng suất DC/DC DC/AC, mơ thuật tốn MPPT dị tìm điểm cơng suất cực đại, thuật tốn điều khiển dịng/áp cho mạch công suất + Áp dụng giải thuật MPPT khác nhau, mô thành công ứng dụng kỹ thuật điều khiển Logic Mờ vào hệ thống lượng mặt trời, chứng tỏ ưu điểm thuật toán Logic Mờ so với thuật toán PO, IncCond + Kết luận thuật tốn dị tìm cơng suất cực đại pin lượng mặt trời: Giải thuật Logic mờ cho đáp ứng tốt giải thuật PO IncCond điều kiện môi trường làm việc thay đổi đột ngột, bao gồm thay đổi xạ thay đổi nhiệt độ Thời gian bắt MPP logic mờ điều kiện môi trường thay đổi nhanh hơn, đáp ứng điện áp pin Vpv bám theo điện áp đặt (ngõ điều khiển), Vpv không bị dao động quanh Vref, giá trị Vref bắt MPP giá trị cố định, không bị thay đổi giải thuật điều khiển IncCond, PO 41 5.1.2 Mơ hình thực nghiệm Đề tài thiết kế 01 mơ hình thực nghiệm để ứng dụng thuật tốn xây dựng + Thiết kế, thi cơng hồn chỉnh mơ hình, biến đổi lượng pin mặt trời thành lượng điện xoay chiều + Áp dụng giải thuật MPPT vào mơ hình thực nghiệm + Các thiết kế phần cứng hoạt động tốt + Bộ điều khiển hoạt động ổn định 5.1.3 Bài báo Nhóm tác giả công bố 02 báo Hội nghị quốc tế: [1] Phuong Ho-Thanh, Phuong Le-Minh, Huy Nguyen-Minh “An Experimental Grid-tie Inverter using DSP C2000 digital power framework”, in Proc APSAEM 2012, pp 404-407, ISBN 978-4-931455-20-7 [2] Huy Nguyen-Minh, Phuong Le-Minh, Hung Dang-Ngoc, Phuong Ho-Thanh “A three-phase grid-connected Photovoltaic (PV) System based on DSP Control”, in Proc APSAEM 2012, pp 398-403, ISBN 978-4-931455-20-7 5.2 Hướng phát triển đề tài + Cải thiện hiệu suất hệ thống + Thực nhiều mơ hình để tiến hành ghép nối với nhau, nâng cao công suất hệ thống + Xây dựng thêm thuật tốn điều khiển thơng minh khác mạng ANN, so sánh với giải thuật thực 42 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Trong thời gian thực đề tài, nhóm tác giả gặp số điều kiện khó khăn tình hình thời tiết ảnh hưởng đến việc khảo sát, đo đạc hệ thống lượng mặt trời, số khó khăn tìm kiếm nguồn linh kiện có chất lượng tốt thị trường nước, bên cạnh đó, nhóm hỗ trợ tận tình từ phía phịng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện tử cơng suất, Thầy Cơ mơn Cung Cấp Điện, nhờ hồn thành đề tài, cơng bố cơng trình khoa học hội nghị nước quốc tế Các kết đề tài tiếp tục sử dụng để thực nghiên cứu sâu hơn, nhằm tiếp tục đề nghị giải pháp hữu hiệu để ứng dụng hệ thống lượng tái tạo Kết đề tài dùng giảng dạy thực hành, hỗ trợ sinh viên học viên cao học nghiên cứu Tp.HCM, ngày 15 tháng 09 năm 2013 Chủ nhiệm đề tài Đồng chủ nhiệm đề tài Tp.HCM, ngày tháng năm TL HIỆU TRƯỞNG KT TRƯỞNG PHỊNG KHCN&DA PHĨ TRƯỞNG PHÒNG 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] M Kamil (07/2010) Grid-Connected Solar Microinverter Reference Design Using a dsPIC® Digital Signal Controller Microchip Technology Application Note, AN1338 [2] Dong Dong “Modeling and Control Design of a Bidirectional PWM Converter for Single-phase Energy Systems”, M.A Thesis , Faculty of the Virginia Polytechnic Institute and State University, 2009 [3] J S Kumari and Ch Sai Babu “Mathematical Modeling and Simulation of Photovoltaic Cell using Matlab-Simulink Environment” International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE).Vol 2, No 1, February 2012, pp 26-34 [4] K.Kachhiya “MATLAB/Simulink Model of Solar PV Module and MPPT Algorithm” in Proc National Conference on Recent Trends in Engineering & Technology, India, May 2011 [5] Z Chen, X Zhang, And J Pan (2007) An integrated inverter for a single-phase single-stage grid-connected PV system based on Z-source Bulletin of the polish academy of sciences technical sciences, Vol 55, No 3, 2007 [6] A Chaouachi, R.M Kamel, K Nagasaka “MPPT Operation for PV Gridconnected System using RBFNN and Fuzzy Classification” World Academy of Science, Engineering and Technology, 41, pp 97-105, 2010 [7] L.Wuidart (?) “Topologies for switched mode Power supplies” STMicoroelectronics Application note, AN513/0393 [8] Larry Nelson Jr., Eric Ruscitti “High Voltage DC-DC Converter, Project #SJB 2A06” B.E thesis, Worcester Polytechnic Institute, Apr 2007 [9] L Rozenblat, “Switching mode power supply (smps) topologies Overview, comparison and selection guide”, Internet: http://www.smps.us/topologies.html”, 2012 [10] R.S.R Babu, J Henry “A Comparative Analysis of DC-DC Converters for Renewable Energy System”, in Proc IMECS, Vol II, Mar 2012 [11] Ramesh Kankanala (2011) “Full-Bridge Quarter Brick DC/DC Converter Reference Design Using a dsPIC” Microchip Technology Application Note, AN1369 [12] Mutlu uslu “Analysis, design, and implementation of a kw zero voltage switching phase-shifted full-bridge dc/dc converter based power supply for arc welding machines” M.A Thesis, middle east technical university, Nov 2006 [13] J David Paolucci “Sovel current-fed boundary-mode parallel-resonant pushpull converter” M.A Thesis, Faculty of California Polytechnic State University, San Luis Obispo, Jun 2009 [14] Hèctor Beltran et al “Review of the Islanding Phenomenon Problem for Connection of Renewable Energy Systems”, in Proc ICREPQ, 2006 [15] Texas Instruments, “C28x Digital Power Library”, Module User’s Guide, C28x Foundation Software, retrieved Nov 2011 44 [16] H Lu, Y Gu, H YuU, W.Li “An Experimental System of Power Grid including Photovoltaic System based on TMS320F28027”, in Proceedings of 2nd AIMSEC International Conference, pp 3728-3731, China, Aug 2011 [17] F Ishengoma, S Schimpf, L Norum, “DSP-controlled Photovoltaic Inverter for Universal Application in Research and Education,” PowerTech, 2011 IEEE Trondheim pp 1-6, June 2011 [18] Roberto González et al (2007) “Transformerless Inverter for Single-Phase Photovoltaic Systems” IEEE transactions on power electronics, vol 22, no 2, Mar 2007 [19] Eftichios Koutroulis, Kostas Kalaitzakis, Nicholas C Voulgaris (2001) “Development of a Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System” IEEE transactions on power electronics, vol 16, no 1, Jan 2001 [20] Joung-Hu Park, Jun-Youn Ahn, Bo-Hyung Cho, Gwon-Jong Yu “DualModule-Based Maximum Power Point Tracking Control of Photovoltaic Systems” IEEE transactions on industrial electronics, vol 53, no 4, Aug 2006 [21] Weidong Xiao, Nathan Ozog, William G Dunford.“Topology Study of Photovoltaic Interface for Maximum Power Point Tracking” IEEE transactions on industrial electronics, vol 54, no 3, Jun 2007 [22] David Sanz Morales, “Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Applications”, M.A Thesis, Aalto University, School of Science and Technology, Dec 2010 [23] Hong Hee Lee et al “The New Maximum Power Point Tracking Algorithm using ANN-Based Solar PV Systems”, in Proc IEEE Region 10 Annual International Conference, Proceedings/TENCON, pp 2179-2184, 2010 [24] D Peftitsis, G Adamidis, A Balouktsis (2006) An investigation of new control method for MPPT in PV array using DC -DC buck – boost converter [25] T Esram, et al.(2006) Dynamic Maximum Power Point Tracking of Photovoltaic Arrays Using Ripple Correlation Control [26] T.Esram, P.L Chapman (2006) Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques [27] Stéphan Astier (2011) PV System and Application Course Materials at Viet Nam 2011 [28] Cape & Islands Self-Reliance (?) A Guide to Grid-Connected Photovoltaic Systems [29] David L King, Sigifredo Gonzalez, Gary M Galbraith, and William E Boyson (2007) Performance Model for Grid-Connected Photovoltaic Inverters [30] Andreas Theocharis, Thomas Zacharias, Dimitrios Tsanakas, John ilias-Argitis, University of Patras, Patras, Greece (2009) Modeling of a grid connected photovoltaic system using a geometrial transformer model [31] İbrahim SEFA, Necmi ALTIN (2008) Simulation of fuzzy logic controlled grid interactive inverter [32] C Liu, B Wu and R Cheung (2004) Advanced algorithm for mppt control of photovoltaic systems 45 [33] Michael E Ropp, Member, IEEE, Sigifredo Gonzalez, Member, IEEE (2007) Development of a MATLAB/Simulink Model of a Single-Phase Grid-Connected Photovoltaic System [34] Sachin Jain and Vivek Agarwal, Senior Member, IEEE (2007) A Single-Stage Grid Connected Inverter Topology for Solar PV Systems With Maximum Power Point Tracking [35] Yang Chen and Keyue Ma Smedley, Senior Member, IEEE (2004).A CostEffective Single-Stage Inverter With Maximum Power Point Tracking 46 ... 39 Hình 4.5 Dạng dịng điện nghịch lưu (CH3) phân tích FFT dịng điện nghịch lưu 39 Hình 4.6 Điện áp ba pha dịng điện ba pha sau nghịch lưu 39 Hình 4.7 Điện áp DC-Link dịng điện pha... dụng nguồn lượng mặt trời: Việt Nam nằm nhóm nước có nguồn lượng mặt trời phong phú dạng “tiềm năng? ??, chưa sử dụng Tình hình chế tạo nghịch lưu điện mặt trời: Cho đến nay, vấn đề thiết kế chế tạo... 5V/ 3. 3V Ngoại vi 5V /3. 3V DSP 5V/ 3. 3V Ngoại vi 5V /3. 3V cách ly PWM 15V mạch lái DSP C2 833 5/C28 035 5V /3. 3V cách ly PC GUI ADC SCI GPIOs LEDs trạng thái DC-AC Board Hình 4.1 Sơ đồ khối biến đổi điện