Điều khiển bộ nghịch lưu đa bậc trong hệ thống pv sử dụng giải thuật di truyền

i ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRẦN MINH ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC TRONG HỆ THỐNG PV SỬ DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG, NHÀ MÁY ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2011 ii CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG ( Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 1: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Cán chấm nhận xét 2: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày… tháng…… năm…… Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành sau luận văn sữa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành iii TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc -oOo - Tp.HCM, ngày 30 tháng 08 năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN MINH Phái: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 24-09-1986 Nơi sinh: QUẢNG TRỊ Chuyên ngành: Thiết bị, mạng, nhà máy điện MSHV: 09180946 TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC TRONG HỆ THỐNG PV SỬ DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu pin lượng mặt trời, hệ thống pin lượng mặt trời giải thuật tìm điểm cơng suất cực đại Tìm hiểu nghịch lưu, phương pháp điều khiển nghịch lưu Đi sâu vào nghịch lưu đa bậc dạng ghép tầng Tìm hiểu giải thuật gen di truyền ứng dụng GA để giải phương trình tìm góc kích Xây dựng mơ hình mô đặc tuyến pin lượng mặt trời, giải thuật Int-Cond bắt điểm MPPT, mơ hình nghịch lưu MATLAB/SIMULINK Triển khai mơ hình thực nghiệm bắt điểm MPPT, điều khiển nghịch đa bậc dạng ghép tầng DSP TMS320F2812 NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Ngày 30 tháng 08 năm 2010 NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 04 tháng 07 năm 2011 HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG Nội dung đề cương Luận văn thạc sĩ Hội Đồng Chuyên Ngành thông qua CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH iv LỜI CẢM ƠN Trước hết, xin gửi lời cảm ơn chân thành đến PGS.TS Phan Quốc Dũng, người thầy tận tình hướng dẫn, tạo điều kiện tốt cung cấp cho nhiều tài liệu q giá giúp tơi hồn thành luận văn Đồng thời, xin cảm ơn Ths Lê Đình Khoa cộng thân thiết nhóm nghiên cứu lượng tái tạo Nguyễn Nhật Quang, Nguyễn Bảo Anh, Nguyễn Trường Đan Vũ, Đào Ngọc Đạt hỗ trợ cho nhiều suốt thời gian Bên cạnh đó, tơi cảm ơn đến thầy cô, bạn sinh viên làm việc học tập phịng Thí nghiệm nghiên cứu Điện tử cơng suất nhiệt tình trao đổi, truyền đạt kiến thức kinh nghiệm để tơi hồn thành luận văn tốt Cuối cùng, tơi muốn nói lời cảm ơn đến cha, mẹ sinh thành nuôi khôn lớn, động viên chỗ dựa vững tinh thần vật chất, tạo điều kiện thuận lợi cho học tập trưởng thành ngày hơm v TĨM TẮT LUẬN VĂN Ngày nay, kinh tế giới ngày phát triển mạnh mẽ, đơi với điều cạn kiệt nguồn lượng hoá thạch than đá dầu mỏ Hơn nữa, việc sử dụng nhiều lượng hố thạch gây ảnh hưởng đến mơi trường, sản sinh nhiều CO2 khí độc khác khiến nhiệt độ địa cầu tăng lên Bên cạnh lượng hoá thạch, nguồn lượng lớn khác sử dụng lượng ngun tử khơng thải khí gây hại cho mơi trường Tuy nhiên, có cố xảy lò phản ứng hạt nhân gây nổ rò rỉ, môi trường xung quanh bị nhiễm xạ nặng nề để lại hậu nghiêm trọng lâu dài nhiều so với nhiễm lượng hố thạch mang lại Bên cạnh thủy điện chịu ảnh hưởng nặng nề việc thiếu nguồn nước đồng thời gây lũ lụt nghiêm trọng Do vậy, người cần nguồn lượng an toàn hơn, lượng tái tạo tiêu biểu lượng mặt trời lượng gió đáp ứng yêu cầu Năng lượng mặt trời thường sử dụng ứng dụng công suất nhỏ vài kW hộ gia đình, số nhà máy lượng mặt trời đời Nhiều quốc gia chuyển hướng sang nguồn lượng Các nghịch lưu đa bậc phát triển nhằm mục đích giải vấn đề giới hạn giá trị áp dòng định mức linh kiện bán dẫn để ứng dụng vấn đề điều khiển tải công suất lớn lĩnh vực hệ thống điện Luận văn tập trung nghiên cứu pin mặt trời, hệ thống pin mặt trời giải thuật tìm điểm cơng suất cực đại pin giải thuật Inc-Cond trọng phần mô thực nghiệm Bên cạnh nghịch lưu đa bậc nghiên cứu đề cập kỹ đến phần nghịch lưu đa bậc dạng ghép tầng Ngoài ra, giải thuật gen di truyền ứng dụng để giải hệ phương trình góc kích đê điều khiển nghịch lưu đa bậc Mơ hình mơ thực MATLAB/SIMULINK mơ hình thực nghiệm thực DSP TMS320F2812 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU Vseries Điện áp hệ thống n pin mắc nối tiếp Iseries Dòng điện hệ thống n pin mắc nối tiếp Vparrallel Điện áp hệ thống n pin mắc song song Iparrallel Dòng điện hệ thống n pin mắc song song IP Dòng pin mặt Trời phát IB Dòng qua nạp cho acquy IL Dịng tải tiêu thụ MPPT Điểm cơng suất cực đại PV Năng lượng mặt trời ISC dòng quang điện, xem với dòng ngắn mạch tương ứng I0 dòng bão hòa diode Rs trở nối tiếp T nhiệt độ tuyệt đối, Kelvin G xạ, W/m2 Q điện tích electron = 1.6e-19 Coulomb K số Boltzmann = 1.38e-23 A hệ số phẩm chất diode Vg điện áp bandgap Lm Điện cảm tương hỗ R Điện trở mạch Buck-Boost D Tỉ số đóng cắt θi Góc kích thứ i vii MỤC LỤC CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1 SƠ LƯỢC VỀ PIN MẶT TRỜI 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Lịch sử Pin lượng mặt Trời 1.1.3 Hiệu ứng quang điện 1.1.3.1 Khái niệm 1.1.3.2 Hiện tượng 1.1.4 Lịch sử hiệu ứng quang điện 1.2 PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động Pin lượng mặt Trời 1.2.2 Công Nghệ Chế Tạo PV 1.2.3 Cấu tạo pin lượng mặt trời hệ thống pin mặt trời 1.3 CÁC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1.3.1 Cơ hệ thống pin mặt trời 1.3.2 Phân loại hệ thống PV 10 1.3.2.1 Hệ thống PV độc lập 12 1.3.2.2 Hệ thống PV kết hợp 13 1.3.2.3 Hệ thống PV kết lưới 14 CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA PV VÀ GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM MPPT 16 2.1 MƠ HÌNH HĨA PV 16 2.1.1 Đặc tuyến thông số PV 16 2.1.2 Phương Trình Toán Của PV 18 2.1.3 Mơ Hình Hóa Mô Phỏng PV 21 2.1.3.1 Phương Pháp Newton-Ralphson 21 2.1.3.2 Mơ Hình Trên Simulink 23 2.1.3.3 Kết Quả Mô Phỏng 23 viii 2.2 GIẢI THUẬT XÁC ĐỊNH ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT 26 2.2.1 Giới thiệu 26 2.2.1.1 Giới thiệu đặc tuyến tải 26 2.2.1.2 Giới thiệu việc xác định điểm MPPT 30 2.3 CÁC GIẢI THUẬT MPPT 34 2.3.1 Độ Dẫn (IncCond) 34 2.3.2 Perturbation And Observe (PO) 39 2.3.3 Giải thuật Fractional Open Circuit Voltage 40 2.3.4 Giải thuật Fractional Short Circuit Curent 41 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU 42 3.1 CÁC SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ 42 3.1.1 Bộ biến đổi đa bậc nối diode 43 3.1.1.1 Nguyên lý 43 3.1.1.2 Đặc tính 45 3.1.2 Bộ biến đổi đa bậc nối tụ 46 3.1.2.1 Nguyên lý 46 3.1.2.2 Đặc tính 48 3.1.3 Bộ biến đổi đa bậc ghép tầng 49 3.1.3.1 Nguyên lý 49 3.1.3.2 Đặc tính 51 3.2 CÁC BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC HIỆN ĐẠI - CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 52 3.2.1 Phương pháp điều biến độ rộng xung dựa sở sóng mang (carrierbased pwm method) 52 3.2.2 Phương pháp điều biến đô rộng xung dựa sở sóng mang dạng tam giác theo nguyên lý dịch pha (pwm with phase-shifted triangle carriers) 53 3.2.3 Phương pháp điều biến độ rộng xung tối ưu (optimal-pwm multistep) 54 3.2.4 Phương pháp điều biến đô rộng xung sử dụng véctơ không gian điện áp (space-vector pwm) 56 3.3 MÔ PHỎNG BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC DẠNG GHÉP TẦNG 60 ix CHƯƠNG THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN (GA) 66 4.1 GIỚI THIỆU VỀ THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN 66 4.1.1 Tính chất đặc thù thuật toán gen di truyền (GA) 66 4.1.2 Các phép toán thuật toán gen di truyền 66 4.1.2.1 Phép tái sinh (Reproduction) 66 4.1.2.2 Phép lai ghép (Crossover) 66 4.1.2.3 Phép đột biến (Mutation) 67 4.1.2.4 Hàm thích nghi (Fitness function) 67 4.1.3 Cấu trúc tổng quát thuật toán gen di truyền có dạng 67 4.2 TỐI ƯU BẰNG THUẬT TOÁN GEN DI TRUYỀN TRONG MATLAB 7.0 68 4.2.1 Giới thiệu Matlab 69 4.2.2 Tối ưu thuật toán gen di truyền Matlab 7.0 69 4.2.2.1 Dùng Hàm tối ưu GA 69 4.2.2.2 Dùng Hộp cơng cụ tốn học GAOT 70 4.2.3 Áp dụng giải thuật gen di truyền tìm góc kích 70 CHƯƠNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 76 5.1 THIẾT KẾ MẠCH PHẦN CỨNG 76 5.1.1 Mạch cầu H Buck-Boost converter 76 5.1.2 Mạch lái IGBT 78 5.1.3 Mạch cảm biến áp 80 5.1.4 Mạch cảm biến dòng 81 5.1.5 Tấm pin lượng mặt trời 83 5.2 KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM 84 5.2.1 Kết tìm điểm MPPT với giải thuật Inc-Cont 86 5.2.1 Kết nghịch lưu ghép tầng 11 bậc 89 CHƯƠNG KẾT LUẬN 92 6.1 NHẬN XÉT KẾT QUẢ 92 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 92 x DANH MỤC CÔNG BỐ CỦA TÁC GIẢ 94 TÀI LIỆU THAM KHẢO 99 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 101 ... 09180946 TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC TRONG HỆ THỐNG PV SỬ DỤNG GIẢI THUẬT DI TRUYỀN NHIỆM VỤ LUẬN VĂN: Tìm hiểu pin lượng mặt trời, hệ thống pin lượng mặt trời giải thuật tìm điểm cơng... cạnh nghịch lưu đa bậc nghiên cứu đề cập kỹ đến phần nghịch lưu đa bậc dạng ghép tầng Ngoài ra, giải thuật gen di truyền ứng dụng để giải hệ phương trình góc kích đê điều khiển nghịch lưu đa bậc. .. hữu Hệ thống PV phân chia làm ba loại chính: • Hệ thống PV độc lập • Hệ thống PV kết hợp • Hệ thống PV kết lưới Hình 1-12 Các hệ thống PV điển hình Sự phân biệt ba loại hệ thống PV hệ thống PV