Xây dựng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH PHẠM ĐỨC THÀNH XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN QUANG ĐIỆN Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã chuyên ngành: 60520202 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2019 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Cơng nghiệp TP Hồ Chí Minh Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Trương Việt Anh Người phản biện 1: PGS.TS Trương Đình Nhơn Người phản biện 2: TS Dương Thanh Long Luận văn thạc sĩ bảo vệ Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại học Cơng nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày tháng năm 2019 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: PGS.TS Võ Ngọc Điều - Chủ tịch Hội đồng PGS.TS Trương Đình Nhơn - Phản biện TS Dương Thanh Long - Phản biện TS Nguyễn Trung Nhân - Ủy viên TS Trần Thanh Ngọc - Thư ký (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phạm Đức Thành MSHV: 16083511 Ngày, tháng, năm sinh: 12/05/1986 Nơi sinh: Hà Tĩnh Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện Mã chuyên ngành: 60520202 I TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG ST CỰC ĐẠI CỦA PIN QUANG ĐIỆN NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tìm hiểu pin lượng mặt trời như: cấu tạo, nguyên lý hoạt đợng, phương trình tốn tương đương - Tìm hiểu tổng quan phương pháp xác định điểm công śt cực đại - Giải thuật đề x́t dị tìm điểm cơng śt cực đại điều kiện có bóng che - Mơ hình mơ giải thuật đề x́t - Kết luận hướng phát triển đề tài II NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Theo QĐ số 2660/QĐ-ĐHCN ngày 11/12/2018 III NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: IV NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Trương Việt Anh Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN LỜI CẢM ƠN Sau thời gian học tập rèn luyện Trường Đại học cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, biết ơn kính trọng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Ban Giám hiệu, phịng Quản lý sau đại học, khoa Cơng nghệ Điện tḥc Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh Giáo sư, P Giáo sư, Tiến sĩ nhiệt tình hướng dẫn, giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi giúp đỡ em suốt trình học tập, nghiên cứu hồn thiện đề tài nghiên cứu khoa học Đặc biệt, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới Thầy PGS.TS Trương Việt Anh, người thầy trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ em trình thực đề tài Xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đồng nghiệp tạo điều kiện , nghiên cứu để hoàn thành đề tài Tuy nhiên điều kiện lực bản thân hạn chế, chuyên đề nghiên cứu khoa học chắn khơng tránh khỏi thiếu sót Kính mong nhận đóng góp ý kiến thầy cô giáo, bạn bè đồng nghiệp để nghiên cứu em hoàn thiện Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Học viên Phạm Đức Thành i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn thạc sỹ “ Xây dựng giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực đại pin Quang Điện” cơng trình nghiên cứu tơi Các số liệu, kết quả nêu luận văn trung thực chưa công bố bất kỳ cơng trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2019 Học viên Phạm Đức Thành ii TÓM TẮT Nhu cầu lượng tái tạo tăng lên ngày khủng hoảng lượng phạm vi toàn cầu Các nguồn lượng tái tạo đóng vai trị quan trọng việc phát điện Một số nguồn lượng tái tạo (như NLMT, gió, địa nhiệt sinh khối) sử dụng để tạo điện đáp ứng nhu cầu lượng hàng ngày NLMT lựa chọn khả thi nhất cho sản xuất điện có nơi sử dụng miễn phí Các tấm pin NLMT quang điện (PV) chuyển NLMT thành lượng điện Với tập trung vào nguồn lượng xanh hơn, PV sử dụng một nguồn lượng quan trọng nhiều ứng dụng Trong điều kiện thực tế nước cho thấy, với chi phí phát điện dùng pin mặt trời cao so với nguồn lượng truyền thống, hệ thống pin mặt trời thường phát triển cho vùng cô lập với lưới điện quốc gia chi phí kéo dây lớn nhu cầu điện khơng cao phục vụ điện sinh hoạt Các hệ thống pin mặt trời thường có cấu trúc dạng lưới điện độc lập chạy phối hợp với nguồn lượng khác gió hay diesel Tuy nhiên, thời điểm giá thành pin mặt trời cịn cao Cơng śt phát pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào xạ, nhiệt độ điều kiện thời tiết Đặc tính PV VI pin mặt trời lại khơng tuyến tính, đường đặc tuyến tồn mợt điểm làm việc cực đại (MPP) mà cơng suất phát pin mặt trời lớn nhất Nhưng điểm không phải số, chúng thay đổi theo nhiệt đợ xạ Vì vậy, dị tìm điểm làm việc cực đại pin mặt trời (MPPT) phải sử dụng để đưa pin mặt trời làm việc điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất pin mặt trời iii ABSTRACT On demand renewable energy is increasing day by day due to the current global energy crisis Renewable energy sources play an important role in power generation Some renewable energy sources (such as solar, wind, geothermal and biomass) can be used for generating electricity and meet our daily energy needs Solar energy is the most viable option for electricity production because it is available and free to use Photovoltaic solar panels (PV) convert solar energy to electrical energy With the current focus on greener and cleaner energy sources, PV is used as an important energy source in many applications With the national conditions as Viet Nam, The cost of using solar cells is quite high compared to traditional energy sources, solar battery systems are usually only developed for isolated areas with the national grid due to the high cost of wire drawing while the demand for electricity is not high due to the main electricity supply These solar cell systems are usually structured in the form of independent or running grids combined with other energy sources such as wind or diesel However, at the present, time the cost of solar cells is generally so high The capacity generated by solar cells is directly dependent on radiation, temperature and weather conditions The PV and VI properties of solar cells are non-linear, on that line there exists a maximum working point (MPP) where the output power of the solar cell is the largest But this point is not constant, they always change with temperature and radiation Therefore, the detection of the maximum working point of solar cells (MPPT) must be used to bring solar cells that are always working at this point, in order to improve the efficiency of solar cells iv MỤC LỤC MỤC LỤC v MỤC LỤC CÁC HÌNH vii MỤC LỤC BẢNG BIỂU ix DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT x MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Các nghiên cứu liên quan Mục tiêu luận văn 4 Nhiệm vụ luận văn 5 Phạm vi nghiên cứu 6 Phương pháp nghiên cứu Giá trị thực tiễn đề tài CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan pin lượng mặt trời 1.1.1 Hiện tượng quang điện 1.1.2 Cấu tạo hoạt động pin mặt trời 1.1.3 Phân loại pin mặt trời 12 1.2 Tổng quan một hệ thống điện lượng mặt trời 13 1.2.1 Bộ pin lượng mặt trời 14 1.2.2 Bộ chuyển đổi lượng điện 14 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16 2.1 Pin lượng mặt trời phương trình tốn pin lượng mặt trời 16 2.1.1 Phương trình tương đương pin lượng mặt trời 16 2.1.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin lượng mặt trời 17 2.1.3 Phương trình tương đương bợ pin lượng mặt trời 18 2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC 22 2.2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter 22 2.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter 25 2.3 Điểm làm việc cực đại Pin mặt trời 27 2.4 Các phương pháp xác định điểm công suất cực đại pin mặt trời 30 2.4.1 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 31 2.4.2 Phương pháp INC (Incremental Conductance) 33 2.5 Pin mặt trời bị ảnh hưởng bóng che 35 CHƯƠNG GIẢI THUẬT DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE 39 3.1 Cấu hình kết nối tấm pin hệ thống PV 39 3.1.1 Cấu hình tấm pin mắc nối tiếp (Series/S) 39 3.1.2 Cấu hình tấm pin mắc song song (Parallel/P) 39 3.1.3 Cấu hình tấm pin mắc nối tiếp song song (Series-Parallel/S-P) 40 3.2 Giải thuật dị điểm cơng śt cực đại 41 v CHƯƠNG KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46 4.1 Kết quả tính tốn lựa chọn linh kiện 46 4.1.1 Các thông số bản pin mặt trời 46 4.1.2 Tính tốn chọn khóa điện 47 4.1.3 Tính tốn chọn c̣n cảm 48 4.1.4 Tính tốn chọn diode 48 4.1.5 Tính tốn chọn tụ điện 48 4.2 Xây dựng mơ hình giải thuật 48 4.3 Kết Quả mô 50 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI 57 Kết luận 57 Hướng phát triển đề tài 57 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 64 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN 73 vi MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình Minh họa việc xác định điểm MPPT hệ thống pin mặt trời .3 Hình Xác định điểm MPPT phương pháp đàn ong nhân tạo sử dụng phần mềm Matlab Hình 1.1 Hiện tượng quang điện Hình 1.2 Cấu tạo mợt tế bào pin mặt trời bản Hình 1.3 Ngun lí hoạt đợng một tế bào quang điện Silic .11 Hình 1.4 Mợt số tinh thể Silic 12 Hình 1.5 Tổng quan một hệ thống lượng mặt trời 13 Hình 1.6 Hình ảnh một cánh đồng mặt trời Ninh Thuận Trung Nam Group 14 Hình 1.7 Bợ chuyển đổi lượng mặt trời DC/AC nối lưới .15 Hình 2.1 Mạch điện tương đương pin mặt trời 16 Hình 2.2 Mơ hình pin mặt trời lý tưởng .18 Hình 2.3 Mơ đun pin mặt trời 19 Hình 2.4 Đặc tuyến I-V với xạ khác 20 Hình 2.5 Đặc tuyến P-V với xạ khác .20 Hình 2.6 Đường đặc tuyến I-V S=1000W/m2 nhiệt độ pin thay đổi 21 Hình 2.7 Đường đặc tuyến P-V S=1000W/m2 nhiệt độ pin thay đổi .21 Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý mạch boost 22 Hình 2.9 Mạch điện S đóng 23 Hình 2.10 Dạng sóng điện áp dịng điện c̣n dây L S đóng 23 Hình 2.11 Mạch điện S mở 24 Hình 2.12 Dạng sóng điện áp dòng điện L S mở .24 Hình 2.13 Cấu hình mạch buck 25 Hình 2.14 Đặc tuyến I-V, P-V pin mặt trời với điểm cơng śt cực đại .27 Hình 2.15 Các điểm MPP điều kiện môi trường thay đổi .28 Hình 2.16 Sơ đồ khối hệ thống MPPT tiêu biểu 29 Hình 2.17 Bợ DC/DC giúp hút cơng śt cực đại từ pin mặt trời 30 Hình 2.18 Cấu trúc điều khiển MPPT dàn PV 31 Hình 2.19 Đường đặc tính P-V thuật tốn P&O .32 Hình 2.20 Lưu đồ thuật tốn P&O .33 Hình 2.21 Đường đặc tính P-V thuật tốn INC .34 Hình 2.22 Lưu đồ thuật toán INC 35 Hình 2.23 Mơ đun pin mặt trời 36 Hình 2.24 Mơ đun pin mặt trời bị bóng che mợt phần 37 Hình 2.25 Đặc tuyến P-V tương ứng với xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2 37 Hình 2.26 Đặc tuyến P-V tổng hai dãy pin hình 2.25 38 vii TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Tey, K S and Mekhilef, S “Modified incremental conductance algorithm for photovoltaic system under partial shading conditions and load variation,” IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 61, no.10, pp 5384-5392, October 2014 [2] Rasoul Faraji et al “FPGA-based real time incremental conductance maximum power point tracking controller for photovoltaic systems,” IET Power Electronics Vol 7, no 5, pp 1294-1304, May 2014 [3] Qiang Mei et al “A novel improved variable step-size incremental-resistance MPPT method for PV systems,” IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 58, no 6, pp 2427-2434, June 2011 [4] Zakzouk et al “Improved performance low-cost incremental conductance PV MPPT technique,” IET Renewable Power Generation Vol 10, no 4, pp 561574, 2016 [5] K Sundareswaran et al “Gravitational search algorithm combined with P&O method for MPPT in PV systems”, In India Conference (INDICON) IEEE Annual Dec 2016, pp 1-5 [6] Tovar-Olvera et al “Improved P&O algorithm for distributed MPPT PV configurations,” In Power Electronics and Computing (ROPEC), Ixtapa, Mexico Nov 2016 [7] D Sera et al “On the perturb-and-observe and incremental conductance MPPT methods for PV systems,” IEEE journal of photovoltaics Vol 3, no 3, pp 1070-1078, July 2013 [8] Ehtisham Lodhi et al “Application of particle swarm optimization for extracting global maximum power point in PV system under partial shadow 59 conditions,” International Journal of Electronics and Electrical Engineering Vol 5, no 3, pp 223-229, June 2017 [9] Kashif Ishaque and Zainal Salam “A Deterministic Particle Swarm Optimization Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic System under Partial Shading Condition,” IEEE Transactions on Industrial Electronics Vol 60, no 8, pp 3195-3206, May 2012 [10] Ramdan B A Koad and Ahmed F Zobaa “A Novel MPPT Algorithm Based on Particle Swarm Optimisation for Photovoltaic,” IEEE Transactions on Sustainable Energy Vol 8, no 2, pp 468-476, April 2017 [11] Diego Oliva et al “Parameter identification of solar cells using artificial bee colony optimization,” IEEE Transactions on Sustainable Energy Vol 72, no 1, pp 93-102, Aug 2014 [12] Abou Soufyane Benyoucef et al “DSP Implementation of a novel artificial bee colony optimization-based MPPT for photovoltaic systems subject to in homogeneous insolation by using direct control,” IEEE Transactions on Sustainable Energy Vol 32, no 7, pp 38-48, 2015 [13] A.H.Besheer1 and M.Adly “Ant Colony System Based PI Maximum Power Point Tracking for Stand Alone Photovoltaic System,” presented at the International Conference on Industrial Technology, Athens, Greece, 2012 [14] C.Hemalatha et al “Simulation and Analysis of MPPT Control with Modified Firefly Algorithm for Photovoltaic System,” IEEE Transactions on Smart Grid Vol 2, no 11, pp 2455-4863, Nov 2016 [15] Chakkarapani Manickam et al “Fireworks Enriched P&O Algorithm for GMPPT and Detection of Partial Shading in PV Systems,” IEEE Transactions on Power Electronics Vol 32, no 6, pp 4432-4443, June 2017 60 [16] Yi Jin et al “A Glowworm Swarm Optimization-Based Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic/Thermal Systems under Non-Uniform Solar Irradiation and Temperature Distribution,” Energies 2017 Vol 10, no 4, pp 541, April 2017 [17] Neeraj Priyadarshi et al “Maximum Power Point Tracking for Brushless DC Motor-Driven Photovoltaic Pumping Systems Using a Hybrid ANFISFLOWER Pollination Optimization Algorithm,” Energies 2018 Vol 11, no 5, pp 1067, April 2018 [18] Satyajit Mohanty et al “Optimal sizing of grid integrated hybrid PV-biomass energy system using artificial bee colony algorithm,” IET Renewable Power Generation Vol 10, no 5, pp 642-650, May 2015 [19] Kuei-Hsiang Chao and Meng-Cheng Wu “Global Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a Photovoltaic Module Array Constructed through Improved Teaching-Learning-Based Optimization,” Department of Electrical Engineering, National Chin-Yi University of Technology Vol 25, no 11, pp 912-986, November 2016 [20] Manoharan Premkumar and Rameshkumar Sumithira “Humpback Whale Assisted Hybrid Maximum Power Point Tracking Algorithm for Partially Shaded Solar Photovoltaic Systems,” Journal of Power Electronics Vol 18, No 6, pp 1805-1818, November 2018 [21] Ji-Ying Shi et al “Combining incremental conductance and firefly algorithm for tracking the global MPP of PV arrays,” J Renew Sustain Energy 2017 Vol 9, no 2, pp 023501, March 2017 [22] El-Helw HM et al “A hybrid maximum power point tracking technique for partially shaded photovoltaic arrays,” IEEE Access Vol 5, pp 11900-11908, July 2017 61 [23] Chakkarapani Manickam et al “Fireworks enriched P&O algorithm for GMPPT and detection of partial shading in PV systems,” IEEE Trans Power Electron 2017 Vol 32, no 6, pp 4432-4443, June 2017 [24] Satyajit Mohanty et al “A Grey Wolf assisted perturb & observe MPPT algorithm for a PV system,” IEEE Trans Energy Convers 2016 Vol 32, no 1, pp 340-347, March 2017 [25] Karagoz MK and Demirel H “A novel MPPT method for PV arrays based on modified Bat algorithm with partial shading capability,” IJCSNS International Journal of Computer Science and Network Security Vol 17, no 2, February 2017 [26] Stefan Hanafiah “A hybrid MPPT for quasi-Z-source inverters in PV applications under partial shading condition”, In Proceedings of the 11th IEEE international conference on compatibility, power electronics and power engineering, 2017, pp 4-6 [27] Guan T and Zhuo F “An improved SA-PSO global maximum power point tracking method of photovoltaic system under partial shading conditions,” In Proceedings of the IEEE conference on environment and electrical engineering, Italy, 2017 [28] Mingxuan Mao et al “Comprehensive improvement of artificial fish swarm algorithm for global MPPT in PV system under partial shading conditions,” Trans Inst Meas Control 2017 Vol 40, no 7, pp 2178-2199, April 2018 [29] Nishant Kumar et al “Rapid MPPT for uniformly and partial shaded PV system by using JayaDE algorithm in highly fluctuating atmospheric conditions,” IEEE Trans Ind Inform Vol 13, no 5, pp 2406-2416, May 2017 62 [30] Nishant Kumar et al “MPPT in dynamic condition of partially shaded PV system by using WODE technique,” IEEE Trans Sustain Energy Vol 8, no 3, pp 1204-1214, February 2017 [31] Nie X and Nie H (2017, August) “MPPT control strategy of PV based on improved shuffled frog leaping algorithm under complex environments.” J Control Sci Eng 2017, pp 1-12, Available: https://www.hindawi.com/journals/jcse/2017 [32] Peng Peng et al (2012, September) “Microscopy study of snail trail phenomenon on photovoltaic modules.” journal The Royal Society of Chemistry Pp 11359-11365, Available: https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2012 [33] Bộ Giáo dục Đào tạo “Hiện tượng quang điện trong,” Sách giáo khoa vật lý 12 Nhà Xuất Bản Giáo Dục Việt Nam, tr.159-165 [34] BQT pinmattroi.com “Tìm hiểu pin mặt trời,” Internet: www.pinmattroi.com, Oct 29, 2018 [35] Guillermo Velasco-Quesada et al “Electrical PV Array Reconfiguration Strategy for Energy Extraction Improvement in Grid-Connected PV Systems,” IEEE transactions on industrial electronics Vol 56, no 11, november 2009 63 PHỤ LỤC Chương trình khối PSO g_nStepCount++; // In case of error, uncomment next two lines Set *pnError to and copy Error message to szErrorMsg //*pnError=1; //strcpy(szErrorMsg, "Place Error description here."); #define R 400 #define Ns 2000 #define MxLp 100 #define c1 0.02 #define c2 0.5 #define dl 10 static int cn=0, ch = 0, ch2 = 5, ck = 0; static int dem = 0, i = 0, j = 0, k = 0; static double Vt = 0, It = 0; static float Vtb = 0, Itb = 0, P1 = 0, P2 = 0; static int D[4] = {0.25*R, 0.5*R, 0.7*R, 0.75*R}; static int Db[4] = {0, 0, 0, 0}; static float Pb[4] = {0, 0, 0, 0}; static signed int v[4] = {0.05*R, -0.05*R,- 0.05*R,0}; 64 static float G = 0; static int Dm = 0; if (k