Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG MƠ HÌNH VÀ MƠ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM - HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG MƠ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI XUÂN LÂM TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CƠNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học: PGS TS Bùi Xuân Lâm (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ 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) TT Họ tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện Phản biện Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự – Hạnh phúc Tp HCM, ngày tháng năm 20 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hồ Võ Quốc Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Mơ hình mơ điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện II- Nhiệm vụ nội dung: - Tổng quan tình hình khai thác sử dụng nguồn lượng mặt trời; - Tổng quan hệ thống điện lượng mặt trời; - Xây dựng mơ hình tốn học pin quang điện; - Xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện; - Mô điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán hướng dẫn: PGS TS Bùi Xuân Lâm CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu kết đạt Luận văn trung thực chưa công bố Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn tài liệu tham khảo Luận văn trích dẫn đầy đủ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Hồ Võ Quốc Cường LỜI CÁM ƠN Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Bùi Xuân Lâm tận tình hướng dẫn giúp đỡ tơi hồn thành đầy đủ tốt nhiệm vụ giao đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô trang bị cho nhiều kiến thức quý báu chuyên ngành Kỹ thuật điện mà tảng vững cho tơi hồn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 động viên giúp đỡ tơi q trình thực đề tài luận văn Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoa học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học quan nơi công tác tạo điều kiện tốt cho tơi hồn thành khóa học đề tài luận văn tốt nghiệp Hồ Võ Quốc Cường i Tóm tắt Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng lượng điện lớn, kể ngắn hạn, trung hạn dài hạn Theo tính toán EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% thực mục tiêu đến năm 2020, Việt Nam trở thành nước công nghiệp 20 năm tới nhu cầu điện phải tăng từ 15% - 17% năm Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu khai thác nguồn lượng tái tạo cần thiết hiệu quả, đặc biệt quốc gia có nhiều thuận lợi điều kiện tự nhiên địa lý Việt Nam Khơng nằm ngồi mục tiêu này, việc nghiên cứu giải pháp để nâng cao hiệu suất hệ thống pin quang điện cần thiết cấp bách, đặc biệt với kịch xem xét luận văn hệ nhiều pin quang điện Đề tài luận văn, "Mơ hình mô điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện" tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện điều kiện xạ mặt trời nhiệt độ môi trường khác Đề tài luận văn bao gồm nội dung sau: - Chương 1: Giới thiệu chung - Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện - Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện - Chương 4: Mô điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện - Chương 5: Kết luận hướng phát triển tương lai ii Abstract In Vietnam, the demand for electricity is very high, including short, medium and long term According to EVN's calculations, in order to meet the demand for economic development with the growth rate of 7,5% - 8% and achieving the target by 2020, Vietnam basically becomes an industrial country Over the next 20 years, electricity demand will increase from 15% to 17% per year Therefore, the investment in research and exploitation of renewable energy sources is very necessary and effective, especially for a country with many advantages in terms of natural and geographical conditions such as Vietnam Beyond this objective, research into solutions to improve the efficiency of photovoltaic systems is urgently needed, particularly with the scenario considered in this paper as a multi-battery system photovoltaic The thesis topic, "Modeling and simulation on optimal power control of solar PV multi-array systems" focuses on the optimal control of the power of a solar PV multi-arrays system under conditions of various solar irradiations and environmental temperatures The thesis topics consist of the following contents: - Chapter 1: Introduction - Chapter 2: Background to a solar PV system - Chapter 3: Modeling on optimal power control of solar PV multi-array systems - Chapter 4: Simulation results - Chapter 5: Conclusions and future developments iii MỤC LỤC Tóm tắt i Mục lục iii Danh sách hình vẽ vi Danh sách bảng x Chương - Giới thiệu chung 1.1 Giới thiệu 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Nội dung nghiên cứu 1.4 Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 1.6 Bố cục dự kiến luận văn 12 1.7 Kết luận 13 Chương - Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện 14 2.1 Năng lượng mặt trời 14 2.2 Pin quang điện 15 2.2.1 Cấu tạo pin quang điện 15 2.2.2 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 17 2.2.3 Mơ hình tốn pin quang điện 18 2.2.4 Đặc tuyến V-I V-P pin quang điện 22 2.3 Các điều khiển hệ thống pin quang điện 27 2.3.1 Bộ điều khiển công suất (Power control unit, PCU) 27 2.3.2 Bộ điều khiển pin quang điện 29 2.4 Các hình thức hoạt động pin quang điện 30 2.4.1 Pin quang điện hoạt động độc lập 30 2.4.2 Pin quang điện hoạt động nối lưới 32 2.5 Bộ biến đổi DC/DC 34 2.5.1 Bộ giảm áp 34 iv 2.5.2 Bộ tăng áp 37 2.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp 39 2.6 Điều khiển biến đổi DC/DC 41 2.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 41 2.6.2 Điều khiển phản hồi công suất 42 2.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 43 2.7 Hệ nhiều pin quang điện 43 2.7.1 Phương pháp ghép nối tiếp pin quang điện 44 2.7.2 Phương pháp ghép song song pin quang điện 45 2.7.3 Phương pháp ghép hỗn hợp pin quang điện 46 Chương - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện 48 3.1 Giới thiệu 48 3.2 Thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại pin quang điện 49 3.2.1 Thuật toán nhiễu loạn quan sát (P&O, Perturb and Observe) 49 3.2.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng 52 3.2.3 Thuật toán điện áp số 55 3.3 Phương pháp điều khiển MPPT 56 3.3.1 Phương pháp điều khiển PI 56 3.3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 57 3.3.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu 59 3.4 Cấu hình thuật tốn đề xuất cho tốn điều khiển tối ưu cơng suất hệ nhiều pin quang điện 60 3.4.1 Cấu hình đề xuất 60 3.4.2 Thuật toán đề xuất 61 66   Hình 4.5 Cấu hình đề xuất xây dựng Matlab/Simulink Trong cấu hình sử dụng: + Hai pin quang điện; + Hai DC/DC (Mạch DC/DC mạch Boost); + Một MPPT Để thực mô phỏng, ta lựa chọn thông số pin P618-80W xạ kW/m2 nhiệt độ 25 0C với thông số cho Bảng 4.1 Bảng 4.1 Thông số pin quang điện P618-80W Công suất điểm công suất cực đại (Pmpp) 80 W Điện áp điểm công suất cực đại (Vmp) 17.96 V 67   Dịng điện điểm cơng suất cực đại (Imp) 4.60 A Dòng điện ngắn mạch (ISC) 4.92 A Điện áp hở mạch (VOC) 21.74 V Hệ số nhiệt độ VOC -0.36%/oC Hệ số nhiệt độ ISC (KI) 0.046%/oC Ảnh hưởng nhiệt độ lên cơng suất -0.41%/oC Hình 4.6 Thơng số module 36 cell xây dựng Matlab/Simulink Sơ đồ mạch Boost xây dựng Matlab/Simulink Hình 4.7 Hình 4.7 Sơ đồ mạch Boost xây dựng Matlab/Simulink 68   Hình 4.8 Khối MPPT Matlab/Simulink Sơ đồ bên khối MPPT: Hình 4.9 Sơ đồ kết nối bên khối MPPT 4.2 Kết mô Các mô thực việc áp dụng thuật toán bao gồm: P&O, INC, điện áp số thuật toán đề xuất Khi ấy, kết mô đạt sau 69   4.2.1 Trường hợp Công suất (W) Giả sử nhiệt độ, T = 250C xạ mặt trời G = 1kW/m2 Thời gian (s) Hình 4.10 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ xạ không Công suất (W) đổi sử dụng thuật tốn P&O Thời gian (s) Hình 4.11 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ xạ khơng đổi sử dụng thuật tốn INC 70 Cơng suất (W)   Thời gian (s) Hình 4.12 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ xạ không Công suất (W) đổi sử dụng thuật tốn điện áp số Thời gian (s) Hình 4.13 Công suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ xạ khơng đổi sử dụng thuật tốn đề xuất Quan sát kết mô công suất thu nhiệt độ 250C xạ 1kW/m2, nhận thấy việc sử dụng thuật toán đề xuất, đặc tính cơng suất có thời gian hội tụ nhanh việc sử dụng thuật toán P&O, INC điện áp số Thời gian hội tụ đặc tính cơng suất với thuật tốn 71   đề xuất 0.3s, việc sử dụng thuật toán P&O, INC điện áp số thời gian hội tụ 0.9s 4.2.2 Trường hợp Giả sử xạ G = 1kW/m2 thay đổi nhiệt độ T = 250C, Nhiệt độ (0C) T = 300C, T = 350C, T = 400C Thời gian (s) Cơng suất (W) Hình 4.14 Nhiệt độ thay đổi 250C, 300C, 350C 400C Thời gian (s) Hình 4.15 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ thay đổi xạ khơng đổi sử dụng thuật tốn P&O 72 Cơng suất (W)   Thời gian (s) Hình 4.16 Công suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ thay đổi Công suất (W) xạ không đổi sử dụng thuật tốn INC Thời gian (s) Hình 4.17 Công suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ thay đổi xạ không đổi sử dụng thuật tốn điện áp số 73 Cơng suất (W)   Thời gian (s) Hình 4.18 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ thay đổi xạ khơng đổi sử dụng thuật tốn đề xuất Quan sát kết mô công suất thu nhiệt độ thay đổi từ 250C lên 300C, 350C, 400C xạ 1kW/m2, nhận thấy việc sử dụng thuật tốn đề xuất, đặc tính cơng suất hệ nhiều pin quang điện có thời gian hội tụ nhanh việc sử dụng thuật toán P&O, INC; đồng thời ổn định thuật toán điện áp số 4.2.3 Trường hợp Giả sử nhiệt độ T = 250C xạ mặt trời thay đổi với giá trị G = 0.25 kW/m2, G = 0.5 kW/m2, G = 0.75kW/m2, G =1kW/m2, Hình 4.19 74 Bức xạ (kW/m2)   Thời gian (s) Hình 4.19 Cường độ xạ thay đổi 0.25 kW/m2, 0.5 kW/m2, 0.75 Công suất (W) kW/m2, kW/m2 Thời gian (s) Hình 4.20 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ không đổi xạ thay đổi sử dụng thuật tốn P&O 75 Cơng suất (W)   Thời gian (s) Hình 4.21 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ không đổi Công suất (W) xạ thay đổi sử dụng thuật toán INC Thời gian (s) Hình 4.22 Cơng suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ không đổi xạ thay đổi sử dụng thuật toán điện áp số 76 Cơng suất (W)   Thời gian (s) Hình 4.23 Công suất hệ nhiều pin quang điện nhiệt độ không đổi xạ thay đổi sử dụng thuật tốn đề xuất Quan sát đặc tính cơng suất thu xạ thay đổi từ 0.25 kW/m2 lên 0.5 kW/m2, 0.75 kW/m2, kW/m2 nhiệt độ 250C, nhận thấy việc sử dụng thuật toán đề xuất, đặc tính cơng suất có thời gian hội tụ nhanh ổn định thuật toán P&O, INC điện áp số Công suất thời điểm từ đến s thuật tốn đề xuất có giá trị 30 W, từ đến s có giá trị 58 W Trong đó, thời điểm thuật tốn P&O, INC điện áp số đạt công suất trung bình 10 W 50 W 77   Chương Kết luận hướng phát triển tương lai 5.1 Kết luận Luận văn hoàn thành việc: - Nghiên cứu sở lý thuyết hệ thống pin quang điện - Nghiên cứu đặc tuyến làm việc hệ thống pin quang điện bao gồm đặc tuyến V-I đặc tuyến V-P - Nghiên cứu sở lý thuyết điều khiển tối ưu công suất hệ pin quang điện hệ nhiều pin quang điện - Nghiên cứu thuật tốn điều khiển tối ưu cơng suất hệ pin quang điện - Nghiên cứu đề xuất thuật tốn điều khiển tối ưu cơng suất hệ pin quang điện kết hợp thuật tốn P&O điện áp số - Mơ hệ nhiều pin quang điện điều kiện thay đổi cường độ xạ nhiệt độ - Mô điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện điều kiện thay đổi cường độ xạ nhiệt độ việc sử dụng thuật tốn đề xuất Kết mơ cho thấy thuật tốn đề xuất tìm điểm công suất cực đai hệ nhiều pin quang điện hiệu thuật toán khác P&O, INC điện áp số Rõ ràng luận văn cải tiến cấu hình thuật tốn chiến lược điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện điều kiện cường độ xạ nhiệt độ khác 5.2 Hướng phát triển tương lai Trong tương lai, nghiên cứu khác liên quan đến việc cải thiện tốc độ giá trị hội tụ thuật toán điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện 78   Ngồi ra, thuật tốn điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện cần triển khai khảo sát hệ thống điều kiện vận hành khác điều kiện che khuất, hệ pin quang điện bao gồm pin quang điện có thơng số khác nhau, 79 Tài liệu tham khảo [1] Huỳnh Châu Duy Hồ Đắc Lộc, Năng lượng tái tạo bảo vệ môi trường, Nhà xuất Đại học Quốc gia Tp HCM, 2016 [2] Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, Ying-Tung Hsiao and Chia-Hong Chen, “Maximum power point tracking for photovoltaic power systems”, Tamkang Journal of Science and Engineering, vol 8, no 2, pp 147-153, 2005 [3] Dezso Sera, Tamas Kerekes, Remus Teodorescu and Frede Blaabjerg, “Improved MPPT algorithm for rapidly changing environmental conditions”, EPE-PEMC Conference, pp 1614-1619, 2006 [4] Mahmoud A Younis, Tamer Khatib, Mushtaq Najeeb, A Mohd Ariffin, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using artificial neural network”, Electrical Review, pp 116-121, 2012 [5] Bikram Das, Anindita Jamatia, Abanishwar Chakraborti, Prabir Rn Kasari and Manik Bhowmik, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module”, International Journal of Advances in Engineering and Technology, pp 579-591, 2012 [6] Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường, “So sánh hai thuật toán InC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập”, Tạp chí Khoa học Phát triển, Tập 13, Số 8, pp 1452-1463, 2015 [7] Nguyễn Viết Ngư, Wang Hong-Hua, Nguyễn Xuân Trường, Võ Văn Nam, Lê Thị Minh Tâm, “Mô bám sát điểm công suất cực đại dàn pin lượng mặt trời dựa điều khiển mờ”, Tạp chí Khoa học Phát triển, Tập 9, Số 2, pp 278-285, 2011 [8] Trần Đình Cương, Mơ hình mơ hệ MPPT theo giải thuật P&O giải thuật P&O cải tiến, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, 2008 80 [9] Hoàng Trọng Phúc, Điều khiển hệ thống lượng mặt trời kết nối lưới sở trí tuệ nhân tạo, Luận văn Thạc Sĩ, Trường Đại học Bách Khoa TP HCM, 2012 ... thống điện lượng mặt trời; - Xây dựng mơ hình tốn học pin quang điện; - Xây dựng mơ hình điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện; - Mô điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện. .. Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện - Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện - Chương 4: Mô điều khiển tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện - Chương 5:... lượng điện tạo pin quang điện 2.3 Các điều khiển hệ thống pin quang điện Hệ thống pin quang điện bao gồm pin quang điện điều khiển Trong đó, điều khiển hệ thống pin quang điện bao gồm: + Bộ điều khiển