Mô hình hóa và thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống điều hòa không khí sử dụng nguồn năng lượng mặt trời tích hợp

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI CHỬ SƠN TÙNG MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ SỬ DỤNG NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TÍCH HỢP LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS VŨ THỊ THÚY NGA Hà Nội - 2019 LỜI CAM ĐOAN Tên Chử Sơn Tùng, học viên cao học lớp Điều khiển tự động hóa khóa CH2017A - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đề tài luận văn: Mơ hình hóa thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng nguồn lượng mặt trời tích hợp Tơi xin cam đoan: Tất nội dung luận văn thực chưa cơng bố cơng trình khác Các thơng tin trích dẫn tác giả khác thích rõ ràng Tơi xin chịu trách nhiệm nội dung luận văn TÁC GIẢ LUẬN VĂN Chử Sơn Tùng LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập nghiên cứu trường Đại học Bách khoa Hà Nội nhận giúp đỡ tận tình thầy Lời đầu tiên, xin vô cảm ơn TS Vũ Thị Thúy Nga giảng viên định hướng hướng dẫn đề tài, người quan tâm đến tiến trình viết luận văn, thường xuyên kiểm tra, bảo cho tơi kiến thức bổ ích tạo điều kiện thuận lợi cho mặt chuyên môn suốt trình học tập thực luận văn Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn đến Viện Điện, Bộ môn Điều khiển tự động tạo điều kiện thuận lợi cho tơi suốt q trình học tập thực luận văn tốt nghiệp Do thân cịn nhiều thiếu sót kiến thức, tơi kính mong nhận dẫn đóng góp thầy để luận văn tơi hồn thiện TĨM TẮT LUẬN VĂN Luận văn nêu nên vấn đề cần thiết nghiên cứu sử dụng lượng mặt trời thay cho lượng hóa thạch Trình bày phương pháp sử dụng thuật tốn MPPT để tìm trì điểm công suất cực đại pin mặt trời, xây dựng thành công điều khiển DC/DC va DC/AC cho hệ thống pin lượng mặt trời cấp điện cho sấy Tuy nhiên điểm hạn chế luận văn phương pháp MPPT chưa tối ưu, xét trường hợp ánh sáng mặt trời ổn định, hướng mà tác giả cần nghiên cứu phát triển thêm HỌC VIÊN CHỬ SƠN TÙNG MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN MỞ ĐẦU CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ CƠNG TRÌNH LĂNG CHỦ TỊCH HỒ CHÍ MINH 1.2.1 Cấu tạo hệ thống điều hịa khơng khí 1.2.2 Cấu tạo nguyên lý hoạt động khoang điều hòa 1.2.3 Nguyên lý hoạt động hệ thống điều hịa khơng khí CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 2.2.1 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 12 2.2.2 Cấu tạo pin mặt trời 14 2.2.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 15 2.3.1 Phương pháp ghép nối tiếp module mặt trời 18 2.3.2 Phương pháp ghép song song module mặt trời 19 2.4.1 Bộ biến đổi DC/DC 20 2.4.2 Bộ biến đổi DC/AC 22 2.5.1 Giới thiệu chung 23 2.5.2 Nguyên lý dung hợp tải 25 2.5.3 Các phương pháp điều khiển MPPT 26 2.6.1 Khái niệm vectơ không gian 32 2.6.2 Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho vectơ không gian 33 2.6.3 Vec tơ chuẩn sơ đồ mạch nghịch lưu pha 33 2.6.4 Xác định hệ số điều chế 35 2.6.5 Trình tự thực mẫu xung cho mạch nghịch lưu 37 2.7.1 Biến trượt 37 2.7.2 Thiết kế mặt trượt 38 2.7.3 Thiết kế điều khiển trượt 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO BỘ SẤY CỦA HỆ THỐNG ĐHKK 41 3.2.1 Chọn pin mặt trời 41 3.2.2 Xây dựng mơ hình toán học PV 42 3.2.3 Các đường đặc tính PV 46 3.2.1 Mơ chỉnh lưu Boost converter có điều khiển 47 3.2.2 Thuật toán điều khiển MPPT 48 3.5.1 Kết đạt 54 3.5.2 Hướng phát triển luận văn 54 TÀI LIỆU THAM KHẢO 55 PHỤ LỤC 56 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Cụm từ viết tắt Cụm từ viết tắt tiếng tiếng Việt tương đương Anh tương đương ĐHKK Điều hịa khơng khí MPP Điểm cơng suất cực đại Maximun Power Point MPPT Bộ bám điểm công suất cực đại Maximun Power Point Tracking P&O Nhiễu loạn quan sát Perturb and Observe PV Hệ thống pin mặt trời Photovoltaic system DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1 Bảng giá trị điện áp vectơ chuẩn………………………… 34 Bảng 2.2 Bảng tổng hợp ma trận Anm sertor………………… 36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1 Sơ đồ cấu tạo hệ thống điều hịa khơng khí Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý lọc băng Rol-O-Matic Hình 1.3 Cấu tạo sấy (mặt cắt ngang) Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo sấy điện Hình 1.5 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo giàn lạnh Hình 1.6 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo hệ thống cấp nước qua giàn lạnh Hình 1.7 Sơ đồ nguyên lý cấu tạo buồng phun tăng ẩm Hình 1.8 Sơ đồ cấu tạo lọc tĩnh điện Hình 2.1 Dải xạ điện từ .11 Hình 2.2 Hệ mức lượng điện tử .12 Hình 2.3 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 14 Hình 2.4 Cấu tạo pin mặt trời 14 Hình 2.5 Đặc tính làm việc U - I pin mặt trời .15 Hình 2.6 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 16 Hình 2.7 Ảnh hưởng cường độ ánh sáng tới PV 17 Hình 2.8 Ảnh hưởng nhiệt độ tới PV 18 Hình 2.9 Ghép nối tiếp pin mặt trời 18 Hình 2.10 Ghép song song hai module pin mặt trời 19 Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý biến đổi Boost .20 Hình 2.12 Hai chế độ làm việc Boost phụ thuộc vào trạng thái khóa S 20 Hình 2.13 Sơ đồ ngun lý biến đổi Buck 21 Hình 2.14 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost 21 Hình 2.15 Sơ đồ nghịch lưu áp ba pha 22 Hình 2.16 Sơ đồ tương đương mạch tải ứng với khoảng dẫn van 23 Hình 2.17 Quy luật điều khiển Thyristo 23 Hình 2.18 Bộ điều khiển MPPT hệ thống pin mặt trời 24 Hình 2.19 Đặc tính làm việc I - V P - V pin mặt trời tải .24 Hình 2.20 PV kết hợp với tải .25 Hình 2.21 Lưu đồ thuật tốn phương pháp điện áp khơng đổi 27 Hình 2.22 Đường đặc tính P -V thuật tốn INC .28 Hình 2.23 Lưu đồ thuật tốn INC điều khiển thơng qua điện áp tham chiếu Vref 29 Hình 2.24 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển nhiễu loạn quan sát 30 Hình 2.25 Đường đặc tính P - V thuật tốn P&O 31 Hình 2.26 Lưu đồ thuật tốn phương pháp P&O 31 Hình 2.27 Biểu diễn vectơ khơng gian hệ tọa độ dq 33 Hình 2.28 Các khả xảy đóng mở van nghịch lưu 34 Hình 2.29 Vị trí vec tơ chuẩn hệ tọa độ αβ 35 Hình 2.30 Thuật tốn xác định vector điện áp đặt sector 35 Hình 2.31 Vector điện áp điều chế Sector 36 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ PV cấp nguồn cho sấy 41 Hình 3.2 Dòng phát PV 42 Hình 3.3 Dịng điện trở Shunt 43 Hình 3.4 Dịng bão hịa ngược 44 Hình 3.5 Dòng điện bão hòa 45 Hình 3.6 Dịng qua Diode 46 Hình 3.7 Mơ hình tốn học pin mặt trời 46 Hình 3.8 Đặc tính I -V 47 Hình 3.9 Đặc tính P -V 47 Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu Boost converter 48 Hình 3.11 Cơng suất PV 49 Hình 3.12 Điện áp đầu PV 50 Hình 3.13 Dịng điện đầu PV 50 Hình 3.14 Điện áp Boost converter 50 Hình 3.15 Sơ đồ nghịch lưu nối tải 51 Hình 3.16 Điện áp ba pha cấp cho sấy 53 Hình 3.17 Dòng điện tải 54 - Dòng ngắn mạch Isc = 5.96 A - Công suất đỉnh Pmax = 305 W Công suất tải 61kW, ta lấy hệ số an tồn 1.1 nên cơng suất đầu dàn pin 61000.1,1 = 67100 W Như vậy, dàn pin gồm có là: 67100: 305 = 220 modul; có 22 modul đặt song song nhau, modul có 10 pin nối tiếp 3.2.2 Xây dựng mơ hình tốn học PV a Dịng phát pin mặt trời Iph = [Isc + Ki(T - Tr)] Trong đó: 𝐺𝐺 (3.1) 1000 - Isc: dịng ngắn mạch nhiệt độ 250C - Ki: Hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch - Tr: Nhiệt độ bề mặt pin - T: Nhiệt độ làm việc pin Hình 3.2 Dịng phát PV b Dịng qua điện trở Shunt 𝑉𝑉 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑠𝑠 + 𝑁𝑁𝑠𝑠 𝑁𝑁𝑝𝑝 Ish = Np Trong đó: - 𝑅𝑅𝑠𝑠ℎ Ns, Np: Số module mắc song song nối tiếp 42 (3.2) - Rsh: Điện trở Shunt - Rs: Điện trở pin Hình 3.3 Dòng điện trở Shunt c Dòng bão hòa ngược nhiệt độ Tr Irs = Trong đó: exp� 𝐼𝐼𝑠𝑠𝑠𝑠 𝑞𝑞𝑉𝑉𝑜𝑜𝑜𝑜 �−1 𝑁𝑁𝑠𝑠 𝐴𝐴𝐴𝐴𝑇𝑇𝑟𝑟 - q: Điện tích electron = 1.6x10-19C - A: Hệ số lý tưởng - k: Hằng số Boltzmann’s = 1.38x10-23 J/K 43 (3.3) Hình 3.4 Dịng bão hòa ngược d Dòng điện bão hòa pin: 𝑇𝑇 Trong đó: - Is = Irs( )3 exp [ 𝑇𝑇𝑟𝑟 𝑞𝑞𝐸𝐸𝑔𝑔 𝐴𝐴𝐴𝐴 1 � − �] 𝑇𝑇𝑟𝑟 𝑇𝑇 (3.4) Eg: Năng lượng vùng cấp chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý tưởng công nghệ làm pin - Irs: Dòng bão hào ngược nhiệt độ Tr - q: Điện tích electron = 1.6x10-19C - A: Hệ số lý tưởng - k: Hằng số Boltzmann’s = 1.38x10-23 J/K 44 Hình 3.5 Dịng điện bão hòa e Dòng qua Diode Id = Is [exp(q 𝑉𝑉 𝐼𝐼𝑅𝑅𝑠𝑠 + 𝑁𝑁𝑠𝑠 𝑁𝑁𝑝𝑝 𝐴𝐴.𝑘𝑘.𝑇𝑇 ) − 1] Trong đó: - q: Điện tích electron = 1.6x10-19C - Ns: Số cell mắc nối tiếp module - Np: Số cell mắc song song module - Rs: Điện trở pin - k: Hằng số Boltzmann’s = 1.38x10-23 J/K 45 (3.5) Hình 3.6 Dịng qua Diode f Dịng điện PV mơ hình tốn học PV I = NpIph - NpId - Ish (3.6) Từ ta xây dựng mơ hình tốn học PV sau: Hình 3.7 Mơ hình tốn học pin mặt trời 3.2.3 Các đường đặc tính PV Với thơng số pin mặt trời lựa chọn trên, sử dụng phần mềm matlab – simulink để mô hệ PV điều kiện giả thiết xạ với cường độ 1000W/m2, ta xác định đường đặc tính PV sau: 46 Hình 3.8 Đặc tính I -V Hình 3.9 Đặc tính P -V Dựa vào đường ta nhận thấy cơng suất cực đại dàn PV 67.000W 3.3 Mô chỉnh lưu DC/DC thuật toán điều khiển MPPT 3.2.1 Mơ chỉnh lưu Boost converter có điều khiển Bộ điều khiển cho Boost converter lấy tín hiệu vào điện áp từ dàn pin mặt trời, xuất tín hiệu UDC để đưa đến đầu vào nghịch lưu DC/AC Bộ Boost converter có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp chiều từ 550VDC lên 700VDC Tín hiệu điều khiển nghịch lưu thiết kế theo kiểu điều chế độ rộng xung PMW để điều khiển đóng/mở IGBT 47 Hình 3.10 Sơ đồ điều khiển chỉnh lưu Boost converter 3.2.2 Thuật toán điều khiển MPPT Dựa vào chỉnh lưu Boost converter trên, ta có trở kháng vào PV là: Rin(D,R) = (1 - D)2.Rtai Ta nhận thấy Rin(D,R) phụ thuộc vào D giá trị R Ở đây, phụ tải sấy hệ thống điều hịa khơng khí nên ta coi trở, có giá trị khơng đổi Như vậy, để thay đổi Rei(D,R) ta thay đổi giá trị D Để thay đổi vị trí điểm làm việc cần thay đổi góc nghiêng đường đặc tính tải, việc thay đổi D cách hợp lý cho phép giao điểm hai đường đặc tính xác lập điểm MPP Có hai phương pháp điều khiển bám cơng suất cực đại là: điều khiển trực tiếp chu kì nhiệm vụ D điều khiển bám cơng suất cực đại theo dịng tham chiếu, tín hiệu điều khiển MPPT điều khiển đóng cắt van đóng cắt Converter Ở đây, tơi xin trình bày phương pháp điều khiển trực tiếp hệ số Duty cycle (D) Phương pháp đo tiến hành sau: Đầu chu kì, ta đo giá trị U, I PV đưa vào điều khiển MPPT kết hợp với giá trị U, I chu kì trước để tính độ thay đổi điện áp dV độ thay đổi công suất dP để đưa điều chỉnh hệ số D, nhằm thay đổi trở kháng đầu vào Rin Pin mặt trời 48 cho phù hợp với trở kháng tối ưu Ropt Hệ số D chuyển đến tạo xung PWM để tạo xung điều khiển đóng cắt van đóng cắt Boost Converter Hết chu kì, điều khiển lưu lại giá trị điện áp, cơng suất hệ số D chu kì trước chuyển sang chu kì Khi trở kháng Rin = Ropt cơng suất hệ thống Pin mặt trời lớn Sự thay đổi D phụ thuộc vào dP dV thể qua bảng sau: D >0 >0 Giảm D = duty_max duty = duty_max; elseif duty < duty_min duty = duty_min; end duty_old = duty; Vold = vpv; Pold = P; end 56 ... lớp Điều khiển tự động hóa khóa CH2017A - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Đề tài luận văn: Mơ hình hóa thiết kế điều khiển tối ưu cho hệ thống điều hịa khơng khí sử dụng nguồn lượng mặt trời tích. .. ứng dụng vào thực tế - Xây dựng mơ hình nguồn lượng mặt trời tích hợp với lưới điện để cấp nguồn điện cho thiết bị hệ thống điều hịa khơng khí CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU HỊA KHƠNG KHÍ... 38 2.7.3 Thiết kế điều khiển trượt 39 CHƯƠNG THIẾT KẾ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI CẤP NGUỒN CHO BỘ SẤY CỦA HỆ THỐNG ĐHKK 41 3.2.1 Chọn pin mặt trời