Điều khiển tối ưu công suất phát của một hệ nhiều pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành : 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành : 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TS HUỲNH CHÂU DUY TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : TS HUỲNH CHÂU DUY Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 18 tháng 01 năm 2014 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 TS Nguyễn Thanh Phương PGS.TS Trần Thu Hà TS Đinh Hoàng Bách TS Nguyễn Minh Tâm TS Võ Hoàng Duy 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 TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM PHỊNG QLKH – ĐTSĐH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2014 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 10/11/1981 Nơi sinh: Ninh Bình Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1241830006 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN II- Nhiệm vụ nội dung:  Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với tải cố định (tải trở)  Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mơ hình tốn đặc tính pin quang điện  Các biến đổi DC/DC  Phương pháp thuật tốn điều khiển dị tìm điểm công suất cực đại III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013 V- Cán hướng dẫn: TS HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) TS HUỲNH CHÂU DUY i LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn xin phép cảm ơn Tất thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Nguyễn Thị Bích Hạnh ii LỜI CÁM ƠN Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập nghiên cứu Đây luận văn đánh dấu cuối trình học cao học Để có kết hơm nay, tơi nhận giúp đỡ tận tình giáo viên hướng dẫn, quan tâm số đồng nghiệp bạn bè Qua xin phép cảm ơn Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Huỳnh Châu Duy – Phó Viện Trưởng Viện Đào Tạo Quan Hệ Quốc Tế – Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Giảng viện môn Hệ Thống Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, người thầy hết lòng bảo, hướng dẫn, truyền đạt kiến thức chuyên môn kinh nghiệm nghiên cứu suốt thời gian học tập thực luận văn Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện – Điện tử, Phòng quản lý đào tạo sau đại học tất Q Thầy, Cơ Trường Đại Học Công nghệ Tp.HCM giảng dạy, trang bị cho tơi kiến thức bổ ích qúy báu suốt trình học tập nghiên cứu Xin cảm ơn Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp người ln giành tình cảm sâu sắc nhất, giúp đỡ khuyến khích tơi để tơi vượt qua khó khăn suốt q trình thực luận văn Xin cảm ơn Ban Giám Hiệu Trường Cao Đẳng Nghề Đồng Nai tạo điều kiện thuận lợi hỗ trợ cho tơi nhiều q trình học tập, công tác suốt thời gian thực luận văn Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014 Người thực Nguyễn Thị Bích Hạnh iii TĨM TẮT Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại pin quang điện (MPPT) đáp ứng điều kiện môi trường thay đổi Từ đó, đề xuất thuật tốn phân chia vùng làm việc đường đặc tuyến V-P pin quang điện thành ba vùng chính, gồm: - Vùng 1: Vùng bên trái điểm cực đại - Vùng 2: Vùng cực đại - Vùng 3: Vùng bên phải điểm cực đại Bằng việc xác định điểm làm việc pin quang điện vùng nhanh chóng đưa pin vào làm việc điểm cực đại thông qua việc điều chỉnh độ rộng xung mạch Boost Kết mô cho thấy thuật tốn đề xuất tìm điểm cơng suất cực đại nhanh hơn, ổn định khắc phục số nhược điểm thuật toán P&O, INC thuật toán điện áp số iv ABSTRACT This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of Photovoltaics to adapt changing enviromental conditions Therefrom uses the new method by dividing the working point on the characteristics V-P of into three major areas, including: Photovoltaics - Areas 1: the left side of the maximum power point - Areas 2: the maximum area - Areas 3: the right of the maximum power point By defining the working point of the Photovoltaics are in areas where we can quickly take the Photovoltaics to work at the maximum power point by adjusting duty pulse of the boost circuit Results of Simulations and experimental measurements has shown that this method has found the MPP faster, more stable and overcomes some disadvantages of the algorithm Perturb and Observe, Incremental Conductance and the algorithm voltage is const v MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CÁM ƠN ii TÓM TẮT .iii MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC BẢNG ix DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ x Chương GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Tính cần thiết 1.3 Tình hình nhận định giới 1.4 Dự báo tương lai 1.5 Mục tiêu đề tài 1.6 Nội dung nghiên cứu 1.7 Phạm vi nghiên cứu đề tài 1.8 Nội dung luận văn 1.9 Kết luận Chương TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 10 2.1 Giới thiệu 10 2.2 Tình hình khai thác sử dụng lượng mặt trời giới Việt Nam 10 2.3 Tiềm năng lượng mặt trời Việt Nam 16 2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu đề tài 18 2.4.1 Tình hình nghiên cứu giới 18 2.4.2 Tình hình nghiên cứu nước 20 2.5 Kết luận 24 Chương HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 25 vi 3.1 Cấu tạo pin quang điện 25 3.2 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 28 3.3 Mơ hình tốn pin quang điện 29 3.4 Đặc tuyến V-I, V-P pin quang điện 33 3.5 Bộ biến đổi DC/DC 38 3.5.1 Bộ giảm áp (Buck) 38 3.5.2 Bộ tăng áp (Boost) 41 3.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp (Boost – Buck) 43 3.6 Điều khiển biến đổi DC/DC 45 3.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 45 3.6.2 Điều khiển phản hồi công suất 46 3.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 47 3.7 Điểm làm việc cực đại pin quang điện (MPP - Maximum Power Point)47 3.8 Hệ nhiều pin quang điện 51 3.8.1 Phương pháp ghép nối tiếp pin quang điện 51 3.8.2 Phương pháp ghép song song pin quang điện 52 3.9 Kết luận 54 Chương THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN 56 4.1 Thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại pin quang điện 57 4.1.1 Thuật toán nhiễu loạn quan sát (P&O - Perturb and Observe) 57 4.1.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Incremental Conductance) 61 4.1.3 Thuật toán điện áp số 63 4.2 Phương pháp điều khiển MPPT 65 4.2.1 Phương pháp điều khiển PI 65 4.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 66 4.2.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu 69 4.3 Thuật toán đề xuất 69 4.3.1 Cấu hình cho chuyển đổi lượng 69 78 Sơ đồ mạch Boost xây dựng Matlab/Simulink sau Hình 5.6 Sơ đồ mạch Boost xây dựng Matlab/Simulink Hình 5.7 Khối MPPT Matlab/Simulink Sơ đồ bên khối MPPT Hình 5.8 Sơ đồ kết nối bên khối MPPT 79 5.2 Kết mơ thuật tốn Kết mơ thuật toán đề xuất với thuật toán P&O, INC, điện áp số xét trường hợp sau Trường hợp 1: Công suất (W) Nhiệt độ T = 250C xạ mặt trời G = 1kW/m2 Thuật toán đề xuất Thuật tốn P&O Thời gian (s) Cơng suất (W) Hình 5.9 Thời gian, cơng suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Thuật toán đề xuất Thuật tốn INC Thời gian (s) Hình 5.10 Thời gian, cơng suất thu thuật tốn đề xuất thuật tốn INC Cơng suất (W) 80 Thuật tốn đề xuất Thuật tốn U=const Thời gian (s) Hình 5.11 Thời gian, cơng suất thu thuật tốn đề xuất thuật toán U=const Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu nhiệt độ 250C xạ 1kW/m2, ta thấy thuật toán đề xuất có thời gian hội tụ cơng suất nhanh thuật toán P&O, INC điện áp số Thời gian hội tụ thuật toán đề xuất 0.3s, thuật tốn P&O, INC điện áp số có thời gian hội tụ 0.9s Trường hợp 2: Bức xạ G = 1kW/m2 thay đổi nhiệt độ T = 250C, T = 300C, T = 350C, T = 400C Nhiệt độ (0C) 81 Thời gian (s) Cơng suất (W) Hình 5.12 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C Thuật toán đề xuất Thuật toán P&O Thời gian (s) Hình 5.13 Thời gian, cơng suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Cơng suất (W) 82 Thuật tốn đề xuất Thuật tốn INC Thời gian (s) Cơng suất (W) Hình 5.14 Thời gian, cơng suất thu thuật tốn đề xuất thuật toán INC Thuật toán đề xuất Thuật toán U=const Thời gian (s) Hình 5.15 Thời gian, cơng suất thu thuật toán đề xuất thuật toán U=const 83 Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu nhiệt độ thay đổi từ 250C lên 300C, 350C, 400C xạ 1kW/m2, ta thấy thuật tốn đề xuất có thời gian hội tụ cơng suất nhanh thuật tốn P&O, INC cơng suất đạt lớn ổn định thuật toán điện áp số Trường hợp 3: Nhiệt độ T = 250C xạ mặt trời thay đổi với giá trị G = Bức xạ (kW/m2) 0.25kW/m2, G = 0.5kW/m2, G = 0.75kW/m2, G =1kW/m2 Thời gian (s) Hình 5.16 Biểu đồ thay đổi xạ từ 0.25kW/m2 lên 0.5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 Công suất (W) 84 Thuật toán đề xuất Thuật toán P&O Thời gian (s) Cơng suất (W) Hình 5.17 Thời gian, cơng suất thu thuật toán đề xuất thuật toán P&O Thuật toán đề xuất Thuật toán INC Thời gian (s) Hình 5.18 Thời gian, cơng suất thu thuật tốn đề xuất thuật tốn INC Cơng suất (W) 85 Thuật toán đề xuất Thuật toán U=const Thời gian (s) Hình 5.19 Thời gian, cơng suất thu thuật toán đề xuất thuật toán U=const Nhận xét: Quan sát đồ thị công suất thu xạ thay đổi từ 0.25kW/m2 lên 5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 nhiệt độ 250C, ta thấy thuật toán đề xuất có thời gian hội tụ nhanh hơn, cơng suất đạt cao ổn định thuật toán P&O, INC thuật toán điện áp số Công suất thời điểm từ đến giây thuật tốn đề xuất có giá trị 30W, từ đến giây có giá trị 58W Trong thời điểm thuật tốn P&O, INC điện áp số đạt công suất trung bình 10W 50W Trường hợp 4: Thay đổi đồng thời nhiệt độ xạ (nhiệt độ T = 250C, T = 300C, T = 350C, T = 400C xạ G = 0.25kW/m2, G = 0.5kW/m2, G = 0.75kW/m2, G =1kW/m2) Nhiệt độ (0C) 86 Thời gian (s) Bức xạ (kW/m ) Hình 5.20 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C Thời gian (s) Hình 5.21 Biểu đồ thay đổi xạ từ 0.25kW/m2 lên 0.5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 Cơng suất (W) 87 Thuật tốn đề xuất Thuật tốn P&O Thời gian (s) Cơng suất (W) Hình 5.22 Thời gian, cơng suất thu thuật tốn đề xuất thuật toán P&O Thuật toán đề xuất Thuật tốn INC Thời gian (s) Hình 5.23 Thời gian, cơng suất thu thuật toán đề xuất thuật tốn INC Cơng suất (W) 88 Thuật tốn đề xuất Thuật tốn U=const Thời gian (s) Hình 5.24 Thời gian, cơng suất thu thuật tốn đề xuất thuật tốn U=const Nhận xét: Quan sát đồ thị cơng suất thu theo thời gian xạ thay đổi từ 0.25kW/m2 lên 0.5kW/m2, 0.75kW/m2, 1kW/m2 nhiệt độ thay đổi từ 250C lên 300C, 350C, 400C Ta thấy, thuật tốn đề xuất có thời gian hội tụ nhanh hơn, công suất đạt cao ổn định thuật toán P&O, INC thuật toán điện áp số Công suất thời điểm từ đến giây thuật tốn đề xuất có giá trị 30W, từ đến giây có giá trị 57W Trong thời điểm thuật tốn P&O, INC điện áp số có cơng suất trung bình 10W 48W 89 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN TRONG TƯƠNG LAI 6.1 Kết luận Mơ hình pin quang điện xây dựng Matlab/Simulink với hàm có sẵn thư viện Q trình mơ hoạt động pin quang điện dựa sản phẩm pin quang điện thực tế P618-80W Mơ hình xây dựng Matlab/Simulink khảo sát với tham số đầu vào xạ mặt trời nhiệt độ vận hành pin quang điện, đầu đặc tuyến V-I, V-P, đặc tuyến công suất theo thời gian pin điều kiện nhiệt độ xạ thay đổi Mô hình pin quang điện đề xuất xây dựng cách trực quan giúp khảo sát chi tiết đặc điểm đại lượng thành phần có pin quang điện mô tả pin quang điện dạng vật lý giúp hỗ trợ nghiên cứu vấn đề liên quan đến chuyển đổi công suất hay nâng cao hiệu suất làm việc pin quang điện Đề tài nghiên cứu số giải thuật MPPT ứng dụng rộng rãi nay, bao gồm giải thuật P&O, INC điện áp số Trong đó, giải thuật INC điện áp số hai giải thuật phổ biến tính đơn giản hiệu việc tìm điểm cơng suất cực đại MPP pin quang điện Tuy nhiên, điều kiện môi trường thay đổi nhanh, hai giải thuật có hạn chế việc tìm điểm MPP Để khắc phục điểm yếu giải thuật INC điện dẫn gia tăng lớn làm cho hệ thống hoạt động khơng xác điểm MPP bị dao động Đề tài đề xuất phương pháp kết hợp hai giải thuật INC điện áp số Khi kết hợp hai giải thuật giới hạn vùng tìm điện áp MPP cách lựa chọn K nằm khoảng 73-80% 90 tìm MPP vùng thỏa mãn điều kiện 0.73Voc < VMPP < 0.8Voc Lúc ấy, muốn tăng hay giảm điện áp ta cần giảm tăng Duty Kết mô Matlab & Simulink cho thấy giải thuật đề xuất tìm điểm MPP pin quang điện nhanh công suất ổn định giải thuật INC điện áp số Đồng thời, giải thuật đề xuất khắc phục mặt hạn chế giải thuật INC điện áp số việc tìm điểm MPP 6.2 Hướng phát triển tương lai Thực mô tương tự điều kiện xét đến tượng bóng dâm Nâng cao hiệu suất MPPT thông qua việc cải tiến biến đổi DC/DC Tích hợp MPPT hệ thống pin quang điện làm việc độc lập (nạp cho acquy) hệ thống pin quang điện hòa lưới 91 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] www.eia.gov/oiaf/ieo/pdf/world.pdf [2] Mukund R.Patel, Ph.D., P.E “ Wind and Solar Power Systems” [3] PGS.TS Đặng Đình Thống - Pin mặt trời ứng dụng- Nhà xuất khoa học kỹ thuật [4] http://dienmattroi24h.com/cuong-do-buc-xa-nang-luong-mat-troi-tai-cac-khu- vuc-cua-viet-nam/a263286.html [5] http://www.sef.org.vn/detail.asp?mnz=618&Languageid=0&id=592 [6]http://www.dost.danang.gov.vn/index.php?option=com_content&view=article&i d=4005&catid=51:tin-v-thanh-tu-khoa-hc-cong-ngh&Itemid=53 [7] http://thvl.vn/?p=275129 [8] Theodoros L Kottas, Athanassios D Karlis, “New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks” IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL 21, NO 3, SEPTEMBER 2006 [9] J Surya Kumari, Ch Sai Babu “Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For Photovoltaic System” International Journal of Advances in Engineering & Technology, Nov 2011 [10] Kenji Kobayashi, Ichiro Takano, Yoshio Sawada, “A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions” Available online 28 August 2006 [11] Kei Irisawa, Takeshi Saito, Ichiro Takano, and Yoshio Sawad, “Maximum Power Point Tracking Control of Photovoltaic Generation System under NonUniform Irradiance by Means of Monitoring Cells”, Photovoltaic Specialists Conference, 1707-1710, Sept 2000 92 [12] K.H Hussein, and I Muta, “Maximum Photovoltaic Power Tracking: An Algorithm for Rapidly Changing Atmospheric Conditions”, IEEE Proceedings on Generation, Transmission, and Distribution, Vol 142, No.1, pp.59-64, January 1995 [13] E Koutroulis, K Kalaitzakis and N.C Voulgaris, “Development of a microcontroller-based, photovoltaic maximum power point tracking control system”, IEEE Trans Power Electronics, Vol.16, No.1, pp.46- 54, January 2001 [14] Ali M Bazzi, Student Member, IEEE, and Sami H Karaki, Member “Simulation of a New Maximum Power Point Tracking Technique for Multiple Photovoltaic Arrays”, IEEE [15] S Sheik Mohammed “Modeling and Simulation of Photovoltaic module using MATLAB/Simulink” [16] D.P Hohm and M.E Ropp “ Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms” PHỤ LỤC Bảng thông số pin quang điện công ty Mặt trời đỏ Redsun ... 54 Chương THUẬT TỐN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CƠNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN 56 4.1 Thuật tốn tìm điểm công suất cực đại pin quang điện 57 4.1.1 Thuật toán nhiễu... Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:1241830006 I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN II- Nhiệm vụ nội dung:  Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc... TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SỸ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành :