Tracking pin mặt trời dùng thuật toán fuzzy pvào

ĐỒN THANH NIÊN CỘNG SẢN HỒ CHÍ MINH BAN CHẤP HÀNH TP HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH DỰ THI GIẢI THƯỞNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC EURÉKA LẦN THỨ XIX NĂM 2017 TÊN CƠNG TRÌNH: TRACKING PIN MẶT TRỜI DÙNG THUẬT TOÁN FUZZY – P&O LĨNH VỰC NGHIÊN CỨU: KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ CHUYÊN NGÀNH: ĐIỆN, ĐIỆN TỬ Mã số cơng trình:……………………… i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH MỤC HÌNH ẢNH iii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vi TĨM TẮT CƠNG TRÌNH CHƯƠNG MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Lý chọn đề tài Tổng quan tình hình nghiên cứu Mục tiêu Phương pháp nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu Kết - thảo luận CHƯƠNG 1: KIẾN THỨC TỔNG QUAN 1.1 Tổng công lĩnh vực nghiên cứu 1.2 Mơ hình pin mặt trời 1.3 Bộ chuyển đồi DC/DC 12 1.3.1 Bộ chuyển đồi DC/DC Boost Converter 12 1.3.2 Bộ chuyển đồi DC/DC Buck Converter 15 1.4 Đặc tuyến pin mặt trời 18 CHƯƠNG 2: MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB 22 2.1 Xây dựng cấu hình chung cho chuyển đổi lượng 22 2.2 Thuật toán P&O thuật toán Fuzzy 24 2.2.1 Thuật toán P&O 24 2.2.2 Thuật toán Fuzzy 25 2.2.2.1 Thiết lập đầu vào – cho thuật toán Fuzzy 26 2.2.2.2 Lập bảng điều khiển 27 ii 2.2.2.3 Tính chu kỳ nhiệm vụ D 28 2.3 Kết mô 29 CHƯƠNG 3: THỰC NGHIÊM THUẬT TOÁN P&O 32 3.1 Thiết kế thi công mạch Boost Converter 32 3.1.1 Sơ đồ nguyên lý 32 3.1.1.1 Khối mạch Boost Converter 32 3.1.1.2 Khối mạch đo dòng điện điện áp 32 3.1.1.3 Khối xử lý khối hiển thị 33 3.1.2 Sơ đồ mạch in 33 3.2 Các linh kiện cần thiết 34 3.2.1 Pin mặt trời RS-P318-10W 34 3.2.2 Arduino Uno R3 34 3.2.3 Cảm biến dòng ACS712 35 3.3 Mạch Boost Converter 36 3.4 Chương trình cho Arduino 38 3.5 Hình ảnh thực tế thực nghiệm 44 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN - ĐỀ NGHỊ 46 4.1 Kết luận 46 4.2 Hiệu kinh tế, xã hội 46 4.3 Vi mô phạm quy áp dụng 46 4.4 Hướng phát triển 46 TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 iii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Quang Phổ mặt trời ngồi khí trái đất Hình 1.2: Thang sóng điện từ xạ mặt trời Bảng 1.3: Phân bố xạ mặt trời theo bước sóng Hình 1.4: Phân bố tổng số nắng tháng 1,2,3 năm 2011 Hình 1.5: Bức xạ mặt trời ba thành phố tiêu biểu 2009 Hình 1.6: Mạch điện tương đương pin mặt trời Hình 1.7: Pin mặt trời lý tưởng Hình 1.8: Mơ-đun pin mặt trời Hình 1.9: Đặc tuyến I-V với xạ khác Hình 1.10: Đặc tuyến P-V với xạ khác Hình 1.11: Sơ đồ nguyên lý mạch Hình 1.12: Mạch S đóng Hình 1.13: Dạng sóng điện áp dịng điện cuộn dây L S đóng Hình 1.14: Mạch điện S mở Hình 1.15: Dạng sóng điện áp dịng điện L S mở Hình 1.16: Cấu hình mạch buck Hình 1.17: Đặc tuyến I-V, P-V pin mặt trời với điểm cơng suất cực đại Hình 1.18: Các điểm MPP điều kiện mơi trường thay đổi Hình 1.19:Sơ đồ khối hệ thống CĐNL tiêu biểu Hình 1.20: Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời Hình 2.1: Cấu hình chuyển đổi lượng cho pin Hình 2.2: Cấu hình pin mặt trời,thuật tốn chuyển đổi Hình 2.3: Cấu hình pin mặt trời iv Hình 2.4: Lưu đồ giải thuật cho thuật tốn P & O Hình 2.5: Cấu hình P & O Simulink Matlab Hình 2.6: Đầu vào lỗi E Hình 2.7: Đầu vào lỗi CE Hình 2.8: Ngõ D Hình 2.9: Bề mặt luật điều khiển Hình 2.10: Cấu hình Fuzzy Simulink Matlab Hình 2.11: V-out Boost Converter (P&O) Hình 2.12: I-out Boost Converter (P&O) Hình 2.13: P-out Boost Converter (P&O) Hình 2.14: V-out Boost Converter (Fuzzy) Hình 2.15: I-out Boost Converter (Fuzzy) Hình 2.16: P-out Boost Converter (Fuzzy) Hình 2.17: Tần số Duty Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Converter Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý ACS712 Cầu phân áp Hình 3.3: Sơ đồ nguyên lí mạch xử lý Arduino Uno LCD hiển thị Hình 3.4: Sơ đồ mạch in Hình 3.5: Mạch Arduino Uno R3 Hình 3.6: Mơ-dun ACS712 Hình 3.7: Boost converter Hình 3.8: Lưu đồ giải thuật v Hình 3.9: Mạch điều khiển Hình 3.10: Sản phẩm hồn chỉnh Hình 3.11: Bảng kết thực nghiệm Hình 3.12: Bảng kết mô tương ứng vi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT PV Photovoltaics ( Năng lượn mặt trời ) MPP Maximum Power Point ( Điểm cực đại ) MPPT Maximum Power Point Tracking ( Dị tìm điểm công suất cưc đại ) AC Alternating Current ( Dòng điện xoay chiều ) DC Direct Current ( Dòng điện chiều ) CĐNL Chuyển đổi lượng LCD Liquid Crystal Display ( Màn hình tinh thể lỏng ) IC Integrated Circuit (Mạch tích hợp) TĨM TẮT CƠNG TRÌNH Cơng trình thực khoản thời gian tháng, có thành cơng định Cơng trình nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại cho pin mặt trời, không bao gồm giải thuật bóng che pin Sau thời gian nghiên cứu, Sản phẩm tìm điểm cực đại pin mặt trời hình thành Thành cơng sản phẩm dị tìm bám điểm cơng suất cực đại tốt Hiện thử nghiệm nên vấn đề sai số thực tế mơ cịn lớn Trong thời gian tới cơng trình phát triển để khắc phục hạn chế trên, kết hợp với giải thuật bóng che để đưa vào hệ thống cánh đồng pin mặt trời, phục vụ cho đời sống xã hội CHƯƠNG MỞ ĐẦU Đặt vấn đề: Sư nóng dần lên trái đất gây ảnh hưởng nặng nề đến sinh vật sống trái đất Có nhiều nguyên nhân dẫn đến gia tăng nhiệt độ ấy, số sản xuất điện phương pháp như: nhiệt điện, lượng hạt nhân,… Hiểu nguy hiểm nên người nghiên cứu phát minh phương pháp sản xuất điện mà không gây hại đến môi trường : lượng gió, thủy điện lượng mặt trời Năng lượng mặt trời xem lượng an tồn cho thiên nhiên Lí chọn đề tài: Trên đặt tuyến hệ thống pin mặt trời ln tồn điểm mà cơng suất đạt mức tối đa Khi sử dụng trực tiếp công suất bị giao động quanh điểm cực đại (tùy thuộc vào xạ mặt trời) Gây ảnh hưởng đến hiệu suất pin, thiết bị Nắm tầm quan trọng đó, em nghiên cứu phát triển cơng trình: Tracking pin mặt trời dùng thuật toán Fuzzy – P&O, để theo dõi bám sát điểm làm việc cực đại pin mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất làm việc Tổng quang tình hình nghiên cứu: Sau thời gian nghiên cứu, sản phẩm có tính ứng dụng cao đời Hồn thành gần toàn yêu cầu đặt ban đầu Tìm bám sát điểm cực đại hai phương pháp P&O Fuzzy tốt Mục tiêu: Nâng cao hiệu suất hệ thống pin mặt trời Phương pháp nghiên cứu:  Mô phần mêm MATLAB: - Xây dựng mơ hình pin mặt trời - Xây dựng mơ hình hệ thống Boost converter - Xây dựng giải thuật cho thuật toán Fuzzy P&O  Mơ hình thực tế: - Thiết kế, thi công mạch in - Thiết kế giá đở cho pin Đối tượng phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu pin mặt trời cách để pin cho hiệu suất cao xạ mặt trời thay đổi Không nghiên cứu hiệu ứng bóng che pin Kết - thảo luận: Sau thời gian tháng nghiên cứu, cơng trình đạt mục tiêu đặt ban đầu cịn nhiều thiếu sót Cụ thể như: Có sai số mô thực tế, che phần pin mạch khơng hoạt động( Điều hồn tồn chưa kết hợp với giải thuật bóng che ) Hướng phát triển cơng trình: phát triển lên thành cánh đồng pin mặt trời, kết hợp với giải thuật bóng che để pin đặt suất tối ưu 33 3.1.1.3 Khố ối xử lí khối hiển thị Hình 3.3 Sơ đồ ngun lí mạch m xử lý Arduino Uno LCD hi hiển thị 3.1.2 Sơ đồ mạch ch in Hình 3.4 Sơ đồ mạch in 34 3.2 Các linh kiện cần thiết: 3.2.1 Pin mặt trời: RS-P318-10W  Công suất Max: 10 (W)  Điện áp đinh mức: 17,7 (V)  Dòng điện định mức: 0,58 (A)  Điện áp hở mạch (Voc): 21,2 (V)  Dòng điện ngắn mạch (Isc): 0,61 (A)  Kích thước: 247x257x25 (mm)  Cân nặng: 1,2 (kg) 3.2.2 Arduino Uno R3 Hình 3.5 Mạch Arduino Uno R3 35 Đề tài sử dụng board mạch arduino, sau thông số board Vi điều khiển Atmega328 bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng ộ nhớ flash bootloader SRAM 3.2.3 KB (ATmega328) Mạch cảm biến dòng Acs712 Cảm biến dòng ACS712 (DC/AC) IC cảm biến dịng tuyến tính dựa hiệu ứng Hall ACS xuất tín hiệu analog, Vout biến đổi tuyến tính theo thay đổi dòng điện Ip lấy mẫu thứ cấp DC (hoặc AC), phạm vi cho Đặc tính + Thời gian tăng đầu để đáp ứng với đầu vào 5µs + Điện trở dây dẫn 1.2mΩ + Nguồn vận hành đơn 5V + Độ nhạy đầu từ 63-190mV/A + Điện áp ổn định Thông số kỹ thuật 36 - Đường tín hiệu analog có độ nhiễu thấp - Thời gian chuyển đổi: 5µs - Điện trở trong: 1.2mΩ - Sử dụng nguồn đơn: 5V - Độ nhạy đầu ra: 63 – 190 mV/A - Nhiệt độ hoạt động: -40 – 85 0C - Điện áp cách ly tối đa: 2100V (RMS) - Độ nhạy đối với: +ACS 712-05B (5Ampe): 180 – 190 mV/A +ACS 712-20A (20Ampe): 96 – 104 mV/A + ACS 712-30A (30Ampe): 64 – 68 mV/A Hình 3.6 Mơ-dun ACS712 3.3 Mạch DC/DC Boost Converter Hình 3.7 Boost converter 37 Thơng số mạch mơ phỏng, ta tính tốn chọn lựa theo điều kiện sau: - Mạch cung cấp cho tải R=110Ω - Tần số phát xung duty f: kHz - Chọn độ giao động điện áp r = 1% Khi Pin mặt trời làm việc điểm cực đại ta có VMPP = 17,7V, ta giới hạn điện áp Vo = 24V, độ rộng xung tương ứng là: = 1− → =1− =1− 18 = 0,26 24 Giá trị Lmin cuộn dây: = (1 − ) = 0,26(1 − 0,26) 110 = 1.95 10 2.4000 Chọn giá trị : 220mH Giá trị tụ điện C: = 0,26 = 5.9 10 110.4000.1% Chọn C = 1000 µF Áp dụng định lý kichoff ta tiến hành đọc điện áp vào Arduino với ADC 10bit ứng với giá trị analog 0-1023 (Vout = 5V) Ta giới hạn điện áp VCC=55V chọn R2=10k =>Vin= ( ) =>R1=100k Vout = (analogRead(A0)*5) /1023 38 Hình 3.8 Lưu đồ giải thuật 3.4 Chương trình cho Arduino //////////////////////////Bat dau//////////////////////////// #include LiquidCrystal lcd(7, 6, 5, 4, 3, 2); int PWMPin = 11; int changeD = 2.55; // tang 1% int duty_cycle = 127; //50% float P; float P_truoc; float V_truoc; long I_truoc; 39 float V_boost; void setup() { TCCR2B = (TCCR2B & 0b11111000) | 0x02; Serial.begin(9600); lcd.begin(20,4); } void loop() { int x=duty_cycle*100/256; analogWrite(PWMPin, duty_cycle); V_truoc=(analogRead(A3)*5.0/1024.0)*11.0; /// Doc dien ap dau vao /// V_boost=(analogRead(A0)*5.0/1024.0)*11.0;/// Doc die nap dau ///// for(int i=0;i 0) { if (changeV > 0) { if (0