Nâng cao chất lượng hệ thống pin mặt trời thông qua thuật toán dò điểm công suất cực đại

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI TRANG PHỤ BÌA Phạm Thu Hằng TÊN ĐỀ TÀI LUẬN VĂN NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI THƠNG QUA THUẬT TỐN DỊ ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (IMPROVING THE PERFORMANCE OF SOLAR CELL SYSTEM BY MAXIMUM POWER POINT TRACKING ALGORITHM) Chuyên ngành : Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC : TS VŨ THỊ THÚY NGA Hà Nội – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Tên Phạm Thu Hằng, học viên cao học ngành Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa khóa 2016 - 2018 Giáo viên hướng dẫn khoa học: TS Vũ Thị Thúy Nga Tôi xin cam đoan, luận văn với đề tài: “Nâng cao chất lượng hệ thống pin mặt trời thông qua thuật tốn dị điểm cơng suất cực đại” cơng trình nghiên cứu tơi chưa cơng bố cơng trình khác Các số liệu nêu luận văn trung thực Hà Nội, ngày 01 tháng 04 năm 2019 Học viên Phạm Thu Hằng MỤC LỤC TRANG PHỤ BÌA LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ MỞ ĐẦU 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ PIN MẶT TRỜI 12 1.1 Tổng quan nguồn lượng 12 1.1.1 Các nguồn lượng 12 1.1.2 Năng lượng mặt trời 14 1.2 Pin mặt trời 15 1.2.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời 15 1.2.2 Ưu nhược điểm hệ thống pin mặt trời 16 1.2.3 Ứng dụng pin mặt trời 16 1.2.4 Tấm lượng mặt trời 18 1.2.5 Mơ hình tốn học pin mặt trời 19 CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI ĐÃ CÓ 27 2.1 Phương pháp điện áp không đổi 27 2.2 Phương pháp đo điện áp hở mạch 28 2.3 Phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) 28 2.4 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 30 2.5 Phương pháp điều khiển logic mờ 33 CHƯƠNG ĐỀ XUẤT THUẬT TỐN TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG ĐIỀU KIỆN BỨC XẠ KHÔNG ĐỀU 38 3.1 Mơ hình hệ thống pin mặt trời điều kiện xạ không 38 3.1.1 Đặc tính pin điều kiện xạ không 38 3.1.2 Đặc tính thực nghiệm PV điều kiện xạ không 39 3.2 Thuật toán phân biệt pin điều kiện xạ hay xạ không (bị bóng che phần) 40 3.3 Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại điều kiện xạ xạ không 45 3.3.1 Nguyên lý hòa hợp tải 46 3.3.2 Tìm điểm cơng suất cực đại điều kiện xạ không phương pháp P&O lặp PSO 47 3.3.2.1 Thuật tốn P&O lặp để bám điểm cơng suất cực đại tồn cục 47 3.3.3.2 Thuật tốn PSO (tối ưu bầy đàn) để bám điểm công suất cực đại tồn cục 50 CHƯƠNG MƠ PHỎNG KIỂM CHỨNG 57 4.1 Khảo sát đặc tính P - V pin 57 4.1.1 Kết mô ma trận pin điều kiện xạ 57 4.1.2 Kết mô ma trận pin điều kiện xạ không 58 4.2 Kết mơ thuật tốn P&O lặp 59 4.2.1 Xây dựng mơ hình mơ Simulink 59 4.2.2 Kết mô 60 4.3 Kết mơ thuật tốn PSO 62 4.3.1 Xây dựng mơ hình mơ Simulink 62 4.3.2 Kết mô 63 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO 68 PHỤ LỤC 69 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 Điểm công suất cực đại Maximum Power Point Bộ bám điểm công suất cực đại Maximum Power Point Tracking INC Điện dẫn gia tăng Incermental Conductance P&O Nhiễu loạn quan sát Perturb and Observe PSO Tối ưu bầy đàn Particle Swarm Optimization FLC Điều khiển logic mờ Fuzzy Logic Control CVT Điện áp không đổi Constant Voltage Tracking LMPP Điểm công suất cực đại cục Local Maximum Power Point GMPP Điểm cơng suất cực đại tồn cục Global Maximum Power Point MPP MPPT PV Nguồn pin mặt trời, hệ thống pin Photovoltaic system,Photovoltaic mặt trời, cell/module, panel/ module/ panel/array, solar cell/ array pin mặt trời module/panel/array KÝ HIỆU Ý nghĩa Ký hiệu C Điện dung L Điện cảm G Công suất xạ mặt trời Rs Điện trở nối tiếp Rp Điện trở song song Is Dòng qua diode I0 Dịng bão hịa diode q Điện tích electron k Hằng số Boltzman T Nhiệt độ lớp giáp p - n N Hệ số lý tưởng diode Vd Điện áp nhiệt IPV Dòng điện qua pin mặt trời VPV Điện áp pin mặt trời KI GSTC Isc Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ Cường độ xạ điều kiện tiêu chuẩn Dòng ngắn mạch IMPP Dòng điện điểm MPP Voc Điện áp hở mạch module Voc_array Điện áp hở mạch toàn ma trận pin X ik , Xik 1 Vị trí cá thể thứ i hệ thứ k k+1 Vik , Vik 1 Vận tốc cá thể thứ i hệ thứ k k+1 w Trọng số quán tính c1 , c2 Hệ số gia tốc r1 , r2 Số ngẫu nhiên khoảng [0,1] DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Bảng quy tắc mờ 35 Bảng 2 So sánh phương pháp tìm MPP điều kiện xạ 36 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động pin mặt trời 15 Hình Ứng dụng pin mặt trời vũ trụ 16 Hình Cặp tích hợp lượng mặt trời 17 Hình Tịa nhà sử dụng pin mặt trời 17 Hình Nhà máy pin mặt trời 18 Hình Phương pháp tổ hợp PV 19 Hình Sơ đồ tương đương cell PV 19 Hình Mơ hình mơ pin mặt trời 21 Hình Mơ hình lý tưởng pin mặt trời 21 Hình 10 Đặc tính làm việc pin mặt trời 22 Hình 11 Sơ đồ pin mặt trời có Rsh 22 Hình 12 Đặc tính I - V có Rsh 23 Hình 13 Sơ đồ pin mặt trời có Rs 23 Hình 14 Đặc tính I - V có Rs 23 Hình 15 Ảnh hưởng cường độ ánh sáng 24 Hình 16 Ảnh hưởng nhiệt độ 24 Hình Lưu đồ thuật tốn phương pháp điện áp khơng đổi 27 Hình 2 Cấu trúc điều khiển MPPT theo phương pháp P&O 29 Hình Đặc tính P - V thuật toán P&O 29 Hình Lưu đồ thuật tốn P&O điều khiển thơng qua điện áp tham chiếu Vref 30 Hình Đường đặc tính P - V thuật tốn INC 31 Hình Lưu đồ thuật tốn INC điều khiển thơng qua điện áp tham chiếu Vref 32 Hình Sơ đồ khối LFC 33 Hình Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC 34 Hình Hàm thành viên biến đầu vào đầu 35 Hình Đặc tính pin bị xạ khơng 38 Hình Ma trận pin xạ khơng 39 Hình 3 Đường đặc tính P - V pin xạ G = 300W/m2 40 Hình Đường đặc tính P - V pin xạ G = 600W/m2 40 Hình Đặc tính I - V PV xạ (a) bị xạ không (b) 43 Hình Lưu đồ thuật tốn phân biệt trường hợp pin xạ xạ không 44 Hình Cấu trúc điều khiển MPPT hệ thống PV 45 Hình PV mắc trực tiếp với tải 45 Hình Điểm làm việc PV tải thay đổi 46 Hình 10 Đường đặc tính P-V theo thuật toán P&O xạ tăng xạ 47 Hình 11 Lưu đồ thuật toán P&O lặp 49 Hình 12 Biểu thị dấu hiệu thay đổi hướng quét 50 Hình 13 Chuyển động cá thể thuật toán PSO 51 Hình 14 Lưu đồ thuật toán PSO 53 Hình 15 Lưu đồ thuật toán PSO 56 Hình Mơ hình ma trận Pin mặt trời xây dựng Matlab - Simulink 57 Hình Đường đặc tính P - V ma trận pin xạ 58 Hình Đường đặc tính P - V ma trận pin xạ khơng 58 Hình 4 Mơ hình mơ sử dụng thuật tốn P&O lặp Simulink 59 Hình Cấu trúc mạch Boost 59 Hình Khối PWM 60 Hình Khối P&O 60 Hình Đồ thị cơng suất pin sử dụng thuật tốn P&O lặp 61 Hình Đồ thị công điện áp pin sử dụng thuật tốn P&O lặp 61 Hình 10 Đồ thị dòng điện pin sử dụng thuật toán P&O lặp 62 Hình 11 Mơ hình thực mơ thuật tốn PSO Simulink 63 Hình 12 Đồ thị công suất pin sử dụng thuật tốn PSO 64 Hình 13 Đồ thị công suất pin sử dụng thuật tốn PSO (phóng to) 64 Hình 14 Đồ thị điện áp pin sử dụng thuật toán PSO 65 Hình 15 Đồ thị dịng điện pin sử dụng thuật toán PSO 65 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Trong bối cảnh nguồn lượng truyền thống nhiệt điện, thủy điện,…ngày cạn kiệt gây ô nhiễm môi trường, động lực sử dụng nguồn lượng tái tạo mặt trời, gió ngày trở nên mạnh mẽ Tỷ trọng loại nguồn tăng lên theo cấp số nhân qua năm, nhận quan tâm phủ quốc gia toàn giới, nhà khoa học tất lĩnh vực liên quan Nguồn lượng mặt trời với ưu khơng gây tiếng ồn, lắp đặt nơi, kể khu dân cư giúp cho trình phổ biến loại nguồn hệ thống điện nhanh so với nguồn khác… Pin mặt trời có nhiều đặc điểm ưu việt Tuy vậy, giá thành cho hệ thống không rẻ, thế, việc tăng hiệu suất kéo dài tuổi thọ pin mặt trời trở thành vấn đề quan trọng Để hệ thống pin mặt trời hoạt động hiệu suất cao nhất, cần phải để hệ thống hoạt động điểm công suất cực đại Bởi vì, điều kiện tự nhiên bao gồm xạ mặt trời, nhiệt độ yếu tố bóng mờ ln thay đổi, kéo theo điểm công suất cực đại thay đổi theo Vì vậy, cần phải có giải pháp để theo dõi thay đổi điểm công suất cực đại đặt hệ thống làm việc điểm Bởi vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu: “ Nâng cao chất lượng hệ thống pin mặt trời thơng qua thuật tốn dị điểm cơng suất cực đại” nhằm hồn vấn đề cịn bỏ ngỏ chưa quan tâm đầy đủ kể Mục đích nghiên luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu - Mục đích: đề tài tập trung nghiên cứu phương pháp tìm điểm MPP có, xây dựng giải pháp xác định xem pin hoạt động điều kiện nào, qua thiết lập thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại MPP chế độ xạ không - Đối tượng nghiên cứu: pin mặt trời làm từ chất bán dẫn cấu trúc tinh thể - Phạm vi nghiên cứu: xây dựng thuật toán MPPT cho pin mặt trời chế độ xạ khơng 10 Từ hình 4.3 ta thấy đường đặc tính pin có nhiều đỉnh, gồm đỉnh cục tồn cục, điểm cơng suất cực đại toàn cục pin 357W - 93,55V 4.2 Kết mơ thuật tốn P&O lặp 4.2.1 Xây dựng mơ hình mơ Simulink Hình 4 Mơ hình mơ sử dụng thuật tốn P&O lặp Simulink - Khối PV ma trận pin mặt trời, xây dựng PV Module có sẵn Toolbox Simpower Simulink hình 4.1 - Khối DC - DC Converter: mạch Boost xây dựng sau: Hình Cấu trúc mạch Boost 59 Với tham số CPV = 2000µH, L = 5Mh, C = 1000 µF, L1 = 0,1Mh, R = 65Ω - Khối PWM từ tín hiệu điều khiển điều chế ra, xung PWM có độ rộng mong muốn Hình Khối PWM - Khối P&O: khối thực thuật toán P&O xây dựng từ khối Hình Khối P&O - Khối P&O lặp: khối thực thuật toán P&O lặp xây dựng cách viết code vào khối Matlab function - Khối ĐO deltaP, deltaV: có chức giúp đo tín hiệu ΔP, ΔV 4.2.2 Kết mơ Để mơ kiểm nghiệm thuật tốn tiến hành cho ma trận pin xạ điều kiện sau: - Đầu tiên, cho pin xạ với cường độ xạ G = 1000W/m2 60 - Tại thời điểm 0,2s thay đổi điều kiện xạ pin (tương ứng với điều kiện không đều), với PV Module xạ với cường độ G1 = 1000W/m2, PV Module xạ với cường độ G2 = 800W/m2, PV Module 3: G3 = 500W/m2, PV Module 4: G4 = 300W/m2 Kết mô thuật tốn: Hình Đồ thị cơng suất pin sử dụng thuật tốn P&O lặp Hình Đồ thị điện áp pin sử dụng thuật tốn P&O lặp 61 Hình 10 Đồ thị dịng điện pin sử dụng thuật toán P&O lặp Nhận xét: Từ đồ thị cơng suất, điện áp, dịng điện pin trên, ta thấy khoảng thời gian xạ với lượng xạ hệ thống nhanh chóng tiến tới điểm làm việc cực đại khoảng 0,05s Tại thời điểm 0,2s PV xạ khơng đều, hệ thống nhanh chóng tiến đến điểm cực đại tồn cục khoảng thời gian 0,06s Như đề cập mục chương 3, ta thấy hệ thống đạt điểm cơng suất cực đại khơng bám ổn định điểm mà dao động xung quanh điểm đó, nhược điểm lớn thuật tốn P&O 4.3 Kết mơ thuật tốn PSO 4.3.1 Xây dựng mơ hình mơ Simulink 62 Hình 11 Mơ hình thực mơ thuật toán PSO Simulink Các khối sử dụng mơ hình hình 4.12 hồn tồn giống với mơ hình sử dụng phần 4.2 mơ thuật toán P&O, khác ta sử dụng khối thuật toán PSO xây dựng cách viết code vào khối Matlab Function 4.3.2 Kết mô - Như đề cập mục 3.3.3.2, ta coi giá trị duty cycle tín hiệu PWM gửi đến mạch Boost vị trí cá thể quần thể, chọn số cá thể quần thể 3, ban đầu thuật toán gửi giá trị duty cycle ngẫu nhiên (ở để đơn giản hóa tác giả lược bớt phần tính tốn giá trị khởi tạo ban đầu cơng thức nội suy Larange) d1, d2, d3 Sau lần lặp giá trị d cập nhật theo công thức thuật toán PSO: vik 1  wvik  c1r1.( Pbest  xik )  c2 r2 (Gbest  xik ) dik 1  dik  vik 1 Sau số lần lặp hữu hạn giá trị d hội tụ giá trị dmpp làm cho công suất Pin lớn Khi có thay đổi xạ, cơng suất pin bị thay đổi lượng, thuật toán gửi lại giá trị ban đầu d1, d2, d3 giá trị d lại cập nhật sau lần lặp Cuối hội tụ giá trị dmpp 63 Để mô kiểm nghiệm thuật toán tiến hành cho ma trận pin xạ điều kiện sau: - Đầu tiên, cho pin xạ với cường độ xạ G = 1000W/m2 - Tại thời điểm 1,1s thay đổi điều kiện xạ pin (tương ứng với điều kiện không đều), với PV Module xạ với cường độ G1 = 1000W/m2, PV Module xạ với cường độ G2 = 800W/m2, PV Module 3: G3 = 500W/m2, PV Module 4: G4 = 300W/m2 Kết mơ thuật tốn sau: Hình 12 Đồ thị công suất pin sử dụng thuật tốn PSO Để làm rõ q trình khởi tạo giá trị ban đầu d1, d2, d3, sau d dần hội tụ giá trị dmpp ta phóng to đồ thị hình 4.13 từ 0,1s - 0,4s 1,1s - 1,9s ta Hình 13 Đồ thị cơng suất pin sử dụng thuật tốn PSO (phóng to) 64 Hình 14 Đồ thị điện áp pin sử dụng thuật tốn PSO Hình 15 Đồ thị dịng điện pin sử dụng thuật tốn PSO 65 Nhận xét: Từ đồ thị hình vẽ 4.13, 4.14, 4.15, 4.16, ta thấy thuật toán PSO nhanh chóng đưa hệ điểm cơng suất cực đại hình 4.14 ta thấy pin điều kiện xạ khoảng 0.3s, điều kiện xạ khơng khoảng 0,6s Khác với thuật tốn P&O, thời gian hội tụ điểm cực đại phụ thuộc nhiều vào điểm bắt đầu thuật tốn Chính vậy, thực tế cần phải sử dụng thêm thuật tốn để tính điểm khởi đầu cho hợp lí Ví dụ mục 3.3.3.2 đề cập đến cơng thức nội suy Larange Trên hình vẽ ta thấy thuật toán PSO cho chất lượng ổn định hẳn thuật toán P&O Khi hệ hội tụ điểm cực đại bám chặt điểm khơng có dao động hệ sử dụng thuật toán P&O Độ tin cậy thuật toán PSO trường hợp, đặc biệt điều kiện có xạ khơng có nhiều đỉnh cao P&O Thuật tốn P&O số trường hợp có khả làm cho hệ bám điểm cực đại cục 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Về tác giả hiểu nắm bắt vấn đề việc xây dựng hệ thống điều khiển tự động cho hệ thống pin mặt trời Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung xốy sâu vào tìm hiểu tiến hành mơ thuật tốn giúp khai thác tối đa công suất pin, tăng hiệu hệ thống, đặc biệt quan tâm đến thuật tốn khai thác cơng suất cực đại pin điều kiện xạ khơng (bị bóng mờ che phủ,…) Triển khai mô thành công tiến hành so sánh thuật toán P&O lặp PSO, xong kết mô mức đơn giản nhất, lược bớt lý tưởng hóa số điều kiện  Hướng phát triển: - Tiến hành tích hợp triển khai thêm thuật tốn phân biệt điều kiện xạ giúp hệ thống pin linh hoạt điều kiện xạ - Tiến hành làm thực tế, phần cứng để kiểm nghiệm 67 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Jubaer Ahmed and Zainal Salam, (2017), “An Accurate Method for MPPT to Detect the Partial Shading Occurrence in PV System”, IEEE Transactions on Industrial Informatics, Vol.13, pp 2151 - 2161 [2] M.S Aït Cheikh, C Larbes, G.F Tchoketch Kebir and A Zerguerras (2007), “Maximum power point tracking using a fuzzy logic control scheme”, Revue des Energies Renouvelables, Vol 10 N°3, pp 387 – 395 [3] M.B Eteiba, E.T El Shenawy, J.H Shazly, A.Z Hafez (2013), “A Photovoltaic (Cell, Module, Array) Simulation and Monitoring Model using MATLAB/GUI Interface”, International Journal of Computer Applications, Volume 69– No.6 [4] K Ishaque, Z Salam, M Amjad, and S Mekhilef (Aug 2012), “An improved particle swarm optimization (PSO)-based MPPT for PV with reduced steady-state oscillation”, IEEE Trans Power Electron, vol 27, no 8, pp 3627–3638 [5]Nabil Karami (2013), “Control of a Hybrid System Based PEMFC and Photovoltaic Panels”, Thesis for Philosophy Doctor degree, Aix-Marseille University in Automation [6] H.Patel and V Agarwal (2008), “Maximum Power Point Tracking Scheme for PV Systems Operating Under Partially Shaded Conditions”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 55, pp 1689-1698 [7] Malik Sameeullah and Akhilesh Swarup (2016), “MPPT Schemes for PV System under Normal and Partial Shading Condition: A Review”, Int Journal of Renewable Energy Development, 5(2), pp 79-94 [8] Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Hường, Nguyễn Xuân Trường (2015), “So sánh hai thuật tốn INC P&O điều khiển bám điểm cơng suất cực đại hệ thống pin quang điện cấp điện độc lập”, Tạp chí Khoa học Phát triển, tập 13, số 8, pp 1452 - 1463 68 PHỤ LỤC  Thuật toán P&O lặp (matlab): function fcn(P,V,deltaP,deltaV) %#codegen global Vm_last Pmax_last Vm_new Pmax_new sw1 i flag sw2 sw3 Vref; if(deltaP 0) sw2=1; end end if(sw2 == && PPbest2) dbest2=d2; Pbest2=P2; end flag=4; else v3=w*v3+c1*r1*(dbest3-d3)+c2*r2*(Gbest-d3); d3=d3+v3; y=d3; 72 P3=V*I; if(P3>Pbest3) dbest3=d3; Pbest3=P3; end flag=5; Pbest=max(max(Pbest1,Pbest2),Pbest3); end end if(Pbest==Pbest1) Gbest=dbest1; end if(Pbest==Pbest2) Gbest=dbest2; end if(Pbest==Pbest3) Gbest=dbest3; end if((Pbest3-P3>400)||(Pbest2-P2>400)||(Pbest1-P1>400)) d1=0.384; d2=0.4; d3=0.5; Pbest1=0; Pbest2=0; Pbest3=0; end 73 ... thay đổi điểm công suất cực đại đặt hệ thống làm việc điểm Bởi vậy, tác giả chọn đề tài nghiên cứu: “ Nâng cao chất lượng hệ thống pin mặt trời thông qua thuật tốn dị điểm cơng suất cực đại? ?? nhằm... cho hệ thống không rẻ, thế, việc tăng hiệu suất kéo dài tuổi thọ pin mặt trời trở thành vấn đề quan trọng Để hệ thống pin mặt trời hoạt động hiệu suất cao nhất, cần phải để hệ thống hoạt động điểm. .. kể tới sạc lượng mặt trời, cặp lượng mặt trời, áo lượng mặt trời, trạm điện mặt trời di động Hình Cặp tích hợp lượng mặt trời c Nguồn điện cho tịa nhà Hình Tịa nhà sử dụng pin mặt trời 17 Đây