THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC CỦA PIN MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHẠM THÀNH TRUNG PHẠM THÀNH TRUNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC CỦA PIN MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU KỸ THUẬT ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN KHÓA 34 Đà Nẵng – Năm 2018 i ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - PHẠM THÀNH TRUNG THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC CỦA PIN MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện Mã số: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS DƯƠNG MINH QUÂN Đà Nẵng – Năm 2018 ii LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu luận văn cá nhân tôi Các số liệu, kết nghiên cứu luận văn thu thập, tính tốn từ thực tế mang tính trung thực chưa công bố cơng trình khác Luận văn sử dụng số tài liệu tham khảo chuyên ngành điện Việt Nam, số tổ chức khoa học giới hệ thống lượng mặt trời Các tài liệu tham khảo luận văn trích dẫn rõ ràng đảm bảo liêm học thuật Tác giả luận văn Phạm Thành Trung iii MỤC LỤC Trang DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii DANH MỤC CÁC BẢNG .viii DANH MỤC CÁC HÌNH ix MỞ ĐẦU 1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI BỐ CỤC ĐỀ TÀI CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM VÀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 1.1 Năng lượng mặt trời Việt Nam 1.1.1 Tình hình tổng quát nguồn lượng mặt trời Việt Nam 1.1.2 Phân loại tiềm phát triển nguồn lượng mặt trời Việt Nam 1.2 Pin lượng mặt trời 11 1.2.1 Giới thiệu 11 1.2.2 Mơ hình hóa 13 1.3 Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT 17 1.3.1 Giới thiệu thuật toán MPPT 17 1.3.2 Thuật toán P&O 19 1.3.3 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 21 1.4 Các chuyển đổi lượng thường sử dụng cho nguồn lượng mặt trời 24 1.4.1 Bộ chuyển đổi DC/DC 24 1.4.2 Bộ chuyển đổi DC/AC 24 1.4.3 Bộ chuyển đổi AC/AC 25 1.5 Kết Luận 25 iv CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ BỘ TĂNG ÁP DC/DC 26 2.1 Giới thiệu chung chuyển đổi DC/DC 26 2.1.1 Phân loại chuyển đổi 26 2.1.2 Cấu trúc chi tiết nguyên lý hoạt động 26 2.2 Mạch điều khiển cho chuyển đổi DC/DC 34 2.2.1 Giới thiệu phương pháp điều khiển 34 2.2.2 Phương pháp điều khiển PID 36 2.3 Thiết kế, tính tốn tăng áp DC/DC 40 2.3.1 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động 40 2.3.2 Mơ hình tốn học tăng áp 41 2.3.3 Tính tốn phần tử tăng áp 44 2.4 Kết luận: 46 CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ TĂNG ÁP 47 3.1 Mô mạch tăng áp DC/DC phân tích ảnh hưởng thơng số phần tử mạch 47 3.1.1 Lựa chọn thông số mô khiểm tra hoạt động mạch đơn giản 47 3.1.2 Ảnh hưởng phần tử đến hoạt động mạch 48 3.2 Mô mạch tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI 48 3.3 Kết mơ phân tích 50 3.4 Kết luận 51 CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT MẠCH TĂNG ÁP DC/DC THỰC TẾ 52 4.1 Thông số mạch thực tế lắp đặt mạch thực tế 52 4.1.1 Thông số mạch 52 4.1.2 Mô hình mạch thực tế 53 4.2 Kết đo thực tế 55 4.3 Kết Luận hạn chế đề tài 56 PHỤ LỤC 60 v THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC CỦA PIN MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU Học viên: Phạm Thành Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60520202 Khóa: K34.KTĐ.QNGg Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Ngày nay, vấn đề ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng đến sức khỏe người, nhiên liệu hóa thạch (than, dầu,…) ngày cạn kiệt, đòi hỏi phải thay đổi hướng phát triển tìm cách khai thác tối đa nguồn lượng tái tạo (mặt trời, gió,…) Với ưu điểm bật như: vơ tận, sạch, có sẵn; lượng tái tạo ứng dụng rộng rãi hầu giới Tuy nhiên, bên cạnh ưu điểm kể trên, chúng có nhiều hạn chế hiệu suất làm việc chịu ảnh hưởng nhiều điều kiện thời tiết: xạ, nhiệt độ… Vì biến đổi điện tử cơng suất cần tích hợp kèm theo phương pháp điều khiển Một số chuyển đổi DC/DC đảm bảo khả hoạt động liên tục để cung cấp lượng cho phụ tải, điển hình giảm áp DC/DC Khi điện áp đầu vào thấp mong muốn đầu ra, chuyển đổi hoạt động tải chiều yêu cầu điện áp cao mức biến đổi, thấy rõ ánh sáng yếu (buổi tối, pin bị che khuất nhiều) Do cần có chuyển đổi DC/DC điệu kiện ánh sáng phải đảm bảo độ ổn định điện áp đầu cung cấp cho tải chiều Do hạn chế mặt thời gian, luận văn mơ hình hóa mạch tăng áp DC/DC phần mềm Matlab/Simulink, thiết kế điều khiển PI để đảm bảo ổn định cho điện áp đầu chuyển đổi Từ kết mơ thu được, mơ hình thực tế mạch tăng áp DC/DC kết hợp phương pháp điều khiển lắp đặt với mục đích kiểm chứng khả hoạt động thực tế so với lý thuyết Kết đạt cho thấy mạch thực tế hoạt động ổn định, điện áp đầu thu đáp ứng nhanh với u cầu gần giống với q trình mơ Từ khóa: Bộ chuyển đổi DC/DC ; Boost; PI; Hệ thống lượng mặt trời; Năng lượng điện mặt trời nối lưới Abstract: Today, it is obvious that environmental pollution has reverse effects on human health but its pollution source which is fossil fuels (coal, oil, etc.) are gradually exhausted It results to developing another method in energy exploration and taking maximum advantage of renewable energy (photovoltaic, wind, ) With outstanding advantages such as: eco-friendly, clean, renewable, available; renewable energy is widely used in most countries in the world However, besides these advantages, they also have many limitations in terms of their performance and it is influenced by weather conditions such as radiation and temperature From that, electronic power converters including control method need to be integrated Some DC/DC converters are unable to operate continuously to provide power to load, especially a DC/DC step-down voltage converter When the input voltage is vi under the desired output, this converter is disable to operate if the DC load requires a voltage higher than the converting level, which is clearly observable in the weak light (at night, the battery is mostly obscured) From that, a DC/DC converter is required operating in all lighting conditions and still ensure the output voltage stability providing to DC loads Due to the time-limit, the thesis modeled the DC/DC boost circuit on the Matlab/Simulink software, designed the PI controller to ensure stability for the output voltage of the converter From the simulated results obtained, a practical DC/DC boost circuit model intergrate a control method for the purpose of verifying actual performance The results show that the actual circuit operated totally stable, the output voltage is fast-response to the request and is similar to the simulation result Keywords: DC/DC converter; Boost; PI; Solar energy systems; Solar power connected grid vii DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Ký hiệu Giải thích BXMT Bức xạ mặt trời AC/AC Alternating Current/ Alternating Current DC/AC Direct Current/ Alternating Current DC/DC Direct Current/ Direct Current IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor MOSFET Metal – Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor MPP Maximum Power Point- Điểm công suất cực đại MPPT Maximum Power Point Tracking- Bắt điểm công suất cực đại NLMT Năng lượng mặt trời OP Operational amplifier- Khuếch đại thuật toán PID Proportional Integral Derivative PV Photovoltaic System- Pin quang điện PWM Pulse – Width – Modulation- Điều rộng xung TOE Ton of Oil Equivalent viii DANH MỤC CÁC BẢNG Số hiệu 1.1 1.2 1.3 4.1 4.2 Tên bảng Số liệu xạ mặt trời Việt Nam Tổng lượng xạ số địa phương miền Trung nước ta (đơn vị: kWh/m2) Số năm số địa phương miền Trung nước ta (đơn vị: giờ) Thông số van bán dẫn Thông số Đi-ốt Trang 10 10 53 53 ix DANH MỤC CÁC HÌNH Số hiệu 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 1.10 1.11 1.12 1.13 1.14 1.15 1.16 1.17 1.18 1.19 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8 2.9 2.10 2.11 2.12 Tên hình Phân tích lượng xạ mặt trời chuyển tới Trái Đất Bức xạ mặt trời trung bình Việt Nam ngày Nhà máy lượng mặt trời Siemens-Pháp Năng lượng mặt trời dạng lắp mái trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời Một nhà máy nhiệt điện mặt trời Sơ đồ nguyên lí hệ thống nhà máy nhiệt điện mặt trời Cấu tạo tế bào pin mặt trời Pin Mono pin Poly Sơ đồ mạch điện tương đương PV theo mơ hình đi-ốt Mơ hình mơ dàn PV nhiệt độ, cường độ xạ thay đổi Minh họa đặc tính tương quan PV xạ mặt trời thay đổi Minh họa đặc tính tương quan PV nhiệt độ thay đổi Ví dụ pin mặt trời mắc trực tiếp với tải trở với giá trị thay đồi Đường đặc tính làm việc pin Lưu đồ thuật tốn P&O điều khiển thơng qua điện áp tham chiếu Vref Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất lớn P&O Đường đặc tính PV thuật toán INC Sơ đồ thuật toán INC Sơ đồ khối tổng quát chuyển đổi DC/DC Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S đóng Trạng thái làm việc mạch tăng áp khóa S mở Dạng sóng điện áp dịng điện mạch giảm áp chu kỳ Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Trạng thái làm việc mạch giảm áp khóa S đóng Trạng thái làm việc mạch giảm áp khóa S mở Dạng sóng điện áp dòng điện mạch giảm áp chu kỳ Sơ đồ nguyên lý mạch đảo dấu điện áp Trạng thái làm việc mạch đảo dấu điện áp khóa S đóng Trạng thái làm việc mạch đảo dấu điện áp khóa S mở Trang 7 8 11 13 13 14 15 16 17 18 20 21 22 23 26 27 27 28 28 29 30 30 31 32 33 33 59 [27] Gianluca Gatto, Ignazio Marongiu, Andrea Mocci, Alessandro Serpi, Ivan Luigi Spano, “An improved averaged model for Boost DC-DC converters,” Industrial Electronics Society, IECON 2013 - 39th Annual Conference of the IEEE, 06 January 2014 [28] Trần Trọng Vũ, Huỳnh Minh Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2014, trang 57-59 [29] Brigitte Hauke, “Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage, Low Power DC/DC Application” Texas Instrument, 1-2014 [30] Minh Quan Duong, Hien Tran, Chowdhury Akram Hossain, “Influence of elemental parameter in the boost and the buck converter”, 2017 IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), Year: 2017, P.p 528 - 531 60 PHỤ LỤC Tồn chương trình điều khiển PI kết hợp PWM #include #include #include const int rs = 2, en = 3, d4 = 6, d5 = 7, d6 = 8, d7 = 9; LiquidCrystal lcd(rs, en, d4, d5, d6, d7); //#define Ipv A2 //#define Upv A3 //#define Iout A1 //#define Uout A0 //new #define CS_DAC 10 #define Ipv A3 #define Upv A2 #define Iout A0 #define Uout A1 #define CS_DAC 10 String inString = ""; double Power, Power_old, dP, delta = 0, dV, U_pvold ; double U_pv, I_pv , U_out, I_out; double fold_vin = 0, fold_iin = 0, K1, K2; double MPPT_STEP = 1, k = 0, i = 0; float Sample, V1 = 0, V2 = 0, I1 = 0, I2 = ; float t2, j, Vinref, Vinrefold,t3=0; double Setpoint, Input, Output, Settime=20; double Kp=0.02 , Ki=0.5 , Kd=0 , Input_old , Output_old ; PID myPID(&Input, &Output, &Setpoint, Kp, Ki, Kd, DIRECT); void setup() { Setpoint=60; Input; Output; Settime=20; Kp = 20; Ki = 80; Kd = 0; Input_old = 0; Output_old = 0; myPID.SetOutputLimits(800, 2500); myPID.SetSampleTime(Settime); myPID.SetMode(AUTOMATIC); Serial.begin(115200); pinMode(CS_DAC, OUTPUT); digitalWrite(CS_DAC, HIGH); 61 pinMode(CS_DAC, OUTPUT); digitalWrite(CS_DAC, HIGH); SPI.begin(); SPI.setClockDivider(SPI_CLOCK_DIV2);// 8Mhz lcd.begin(20, 4); K1 = 1; i = 0; U_pv = analogRead(Upv) * 0.052; //0.0493 delay(1); I_pv = (512.0 - analogRead(Ipv)) * 0.0264; Power_old = U_pv * I_pv; //Vinref = 1500; //Vinrefold = 200; //Write4921(Vinref, CS_DAC) ; //delta = Vinref - Vinrefold; delay(20); //MPPT_STEP = 1; delay(1000); t2 = 200; } void serialEvent() { if (k == 0) { char inChar = Serial.read(); if (inChar != '/') { inString += inChar; } else { K1 = inString.toFloat(); inString = ""; k = 1; } } if (k == 1) { 62 char inChar = Serial.read(); if (inChar != '/') { inString += inChar; } else { K2 = inString.toFloat(); inString = ""; k = 0; } } } void loop() { Sample = 30; V1 = 0; V2 = 0; I1 = 0; I2 = 0; delay(1); Serial.print(t2,0); Serial.print(" "); Serial.print(t3, 0); Serial.print(" "); Serial.println(U_pv, 0); //Serial.print(100.0*U_out * I_out/(U_pv * I_pv), 2); //Serial.print(" "); //Serial.println(U_out * I_out, 0); for (j = 0; j < Sample; j++) { V1 += analogRead(Upv); delayMicroseconds(70); I1 += analogRead(Ipv); delayMicroseconds(70); V2 += analogRead(Uout); delayMicroseconds(70); I2 += analogRead(Iout); delayMicroseconds(70); } U_pv = V1 * 0.0518 / Sample ; I1 = I1 / Sample; 63 I_pv = (512.0 - I1) * 0.0264*1.37; //1.312 I2 = I2 / Sample; U_out = V2 * 0.113 / Sample ; //0.1124 I_out = (512.0 - I2) * 0.0264*1.150; //510 //if (Kp == 1) // MPPT ON // { mppt_INCCOND(); //if(delta!=0) //{Write4921(Vinref, CS_DAC) ;} // } //if (Kp == 0) // MPPT OFF //{ // Vinref = 600; // Write4921(0, CS_DAC) ; // } Input = U_out; myPID.Compute(); Write4921(Output,CS_DAC); i++; if (i == 50) { lcd.clear(); lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("U_pv = "); lcd.print(U_pv, 1); lcd.print(" (V)"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("P_pv = "); lcd.print(U_pv*I_pv, 0); lcd.print(" (W)"); lcd.setCursor(0, 2); lcd.print("U_out = "); lcd.print(U_out, 1); lcd.print(" (V)"); lcd.setCursor(0, 3); lcd.print("P_out = "); lcd.print(U_out * I_out, 0); lcd.print(" (W)"); i = 0; } } void Write4921(int value, int CS) { byte data; digitalWrite(CS, LOW); data = highByte(value); 64 data = B00001111 & data; data = B00110000 | data; SPI.transfer (data); data = lowByte(value); SPI.transfer (data); digitalWrite(CS, HIGH); } 65 66 67 68 69 70 71 72 73