(Luận văn thạc sĩ) năng lượng mặt trời đi sâu tìm hiểu thuật toán p o bám điểm công suất cực đại cho pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - ISO 9001:2015 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH : ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên : Đồn Cơng Minh Giảng viên hướng dẫn: ThS Ngô Quang Vĩ HẢI PHÒNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐI SÂU TÌM HIỂU THUẬT TỐN P&O BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY NGÀNH: ĐIỆN TỰ ĐỘNG CƠNG NGHIỆP Sinh viên : Đồn Cơng Minh Giảng viên hướng dẫn: ThS Ngơ Quang Vĩ HẢI PHỊNG – 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Sinh viên: Đồn Cơng Minh Mã SV : 1412101047 Lớp : DC 2001 Ngành : Điện Tự Động Công Nghiệp Tên đề tài: Năng lượng mặt trời sâu tìm hiểu thuật tốn P&O bám điểm cơng suất cực đại cho pin mặt trời NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI Nội dung yêu cầu cần giải nhiệm vụ đề tài tốt nghiệp ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Các tài liệu, số liệu cần thiết ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Địa điểm thực tập tốt nghiệp ………………………………………………………………………… CÁN BỘ HƯỚNG DẪN ĐỀ TÀI TỐT NGHIỆP Họ tên : Học hàm, học vị : Cơ quan công tác : Trường Đại học Quản lý Công nghệ Hải Phòng Nội dung hướng dẫn: ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………… Đề tài tốt nghiệp giao ngày 30 tháng 03 năm 2020 Yêu cầu phải hoàn thành xong trước ngày 30 tháng 06 năm 2020 Đã nhận nhiệm vụ ĐTTN Đã giao nhiệm vụ ĐTTN Sinh viên Giảng viên hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng HIỆU TRƯỞNG năm 2020 Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN TỐT NGHIỆP Họ tên giảng viên: Ngô Quang Vĩ Đơn vị công tác: Trường Đại học Quản lý Cơng nghệ Hải Phịng Họ tên sinh viên: .Chuyên ngành: Nội dung hướng dẫn : Toàn đề tài Tinh thần thái độ sinh viên trình làm đề tài tốt nghiệp Đánh giá chất lượng đồ án/khóa luận( so với nội dung yêu cầu đề nhiệm vụ Đ.T.T.N, mặt lý luận, thực tiễn, tính tốn số liệu ) Ý kiến giảng viên hướng dẫn tốt nghiệp Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên hướng dẫn (ký ghi rõ họ tên) Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam Độc lập - Tự - Hạnh phúc - PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN CHẤM PHẢN BIỆN Họ tên giảng viên: Đơn vị công tác: Họ tên sinh viên: Chuyên ngành: Đề tài tốt nghiệp: Phần nhận xét giảng viên chấm phản biện Những mặt hạn chế Ý kiến giảng viên chấm phản biện Được bảo vệ Không bảo vệ Điểm hướng dẫn Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Giảng viên chấm phản biện (ký ghi rõ họ tên) MỤC LỤC LỜI MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan 1.2 Giới thiệu pin mặt trời 1.2.1 Định nghĩa 1.2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin mặt trời 1.2.3 Hiệu suất pin mặt trời 1.2.4 Ưu nhược điểm hệ thống pin mặt trời .6 1.2.5 Ứng dụng pin mặt trời .6 1.2.6 Đặc tính làm việc pin mặt trời 1.2.7 Những yếu tố bên ảnh hưởng đến pin mặt rời 13 1.3 Các phương pháp phổ biến dị tìm cơng suất cực đại .16 1.3.1 Phương pháp điện áp số 16 1.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 17 1.3.3 Chọn giải thuật dị tìm cơng suất cực đại 18 CHƯƠNG 2: THUẬT TỐN BÁM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI 19 2.1 Giới thiệu chung .19 2.2 Nguyên lý dung hợp tải 21 2.3 Thuật tốn xác định điểm làm việc có cơng suất lớn MPPT 24 2.4 Phương pháp nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and observe) 25 2.5 Phương pháp điều khiển MPPT 27 2.5.1 Phương pháp điều khiển PI 27 2.5.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 30 2.5.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu 33 2.6 Giới hạn MPPT 34 2.7 Điều chế độ rộng xung (PWM) 35 CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC 38 3.1 Bộ biến đổi DC-DC 38 3.2 Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter) 38 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BÁM ĐIỂM CỐNG SUẤT CỰC ĐẠI THUẬT TOÁN P&O VỚI PHẦN MỀM MATLAB 46 4.1 Phần mềm matlab 46 4.2 Các thông số hệ thống pin lượng mặt trời .47 4.2.1 Thông số pin lượng mặt trời .47 4.2.2 Thông số biến đổi DC-DC tăng áp 47 4.3 Mô kết mô hệ thống pin lượng mặt trời .47 KẾT LUẬN 56 DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PV (PhotoVotaic) : Pin quang điện MPPT (Maximum Power Point Tracking) : Dị tìm điểm cực đại P&O (Perturb and Observe) : Phương pháp nhiễu loạn quan sát INC (Incremental Conductance) : Phương pháp điện dẫn giai tăng I L   1  D  VS 1  D  VS R  R  D.T.VS 0 2L D.T.VS DVS  2L 2Lf Điện cảm tối thiểu cho dòng liên tục biến đổi : D 1  D  R Lmin  2f (3 19) (3 20) (3 21) Thiết kế biến đổi DC-DC tăng áp để dịng liên tục phải có giá trị cuộn cảm lớn Lmin : D.T.Vs D.Vs L  (3 22) i L f i L  Độ gợn sóng điện áp ngõ : Giả sử điện áp ngõ số, nên xem giá trị điện dung lớn Thực tế điện dung có giá trị giớ hạn nên điện áp ngõ biến thiên gợn sóng Gợn sóng điện áp ngõ tính từ dạng sóng dịng tụ hình 3.2 Thay đổi tụ điện dược tính từ : V  | Q |  O  D.T  C..VO (3 23)  R  Biểu thức điện áp gợn sóng : VO  Hoặc VO D.T VO D  R.C R.C.f VO D  VO RCf (3 24) (3 25) Điện dung tính : C D R  VO / VO  f (3 26) Trở kháng tụ điện góp phần đáng kể vào gợn sóng điện áp ngõ 44 Sự biến thiên dòng qua tụ giống dòng max cuộn cảm (hình 4.2) Gợn sóng điện áp trở kháng tương đương (ESR) : (3 27) VO,ESR  IC rESR  IL max rESR 45 CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BÁM ĐIỂM CỐNG SUẤT CỰC ĐẠI THUẬT TỐN P&O VỚI PHẦN MỀM MATLAB Mơ công cụ hiệu sử dụng rộng rãi nghiên cứu, thiết kế chế tạo sản phẩm Nhờ có mơ ta dự đốn chất lượng thiết kế trước thực hóa Có nhiều cơng cụ để thực chức Để đánh giá q trình dịng áp xảy phần tử MATLAB tỏ hiệu quả, đánh giá khả làm việc thiết kế sở sử dụng MATLAB 4.1 Phần mềm matlab MATLAB mơt chương trình sử dụng để mơ mơ hình hóa mạch điện tử tương tự Chương trình cho phép mơ thiết kế trước bắt tay vào xây dựng phần cứng Các chương trình mơ cho phép quan sát thay đổi mạch điện ta thay đổi tín hiệu đầu vào giá trị thành phần mạch điện Do kiểm tra lại thiết kế coi hồn thành để xem chúng có chạy thực tế hay không MATLAB mô tiến hành phép đo kiểm tra phần thiết kế mạch điện Để khảo sát mạch điện nói chung mạch điện tử cơng suất nói riêng ta tiến hành theo bước sau: - Xác định mơ hình phần tử cần thiết để xây dựng mạch điện Đa số phần tử có thư viện mơ hình chương trình, nhiên số trường hợp ta phải xây dựng Mơ hình MATLAB phản ánh đặc điểm tính chất vật lý thiết bị thực Mơ hình gần với thực tế kết phân tích đáng tin cậy Mặc dù số trường hợp, khảo sát đặc tính cần mơ hình hóa tham số, thơng số liên quan đến đặc tính - Thiết lập sơ đồ nguyên lý mạch cần nghiên cứu Cần phải đảm bảo chắn sơ đồ nguyên lý xây dựng đắn - Thiết lập thông số sơ đồ tham số khảo sát 46 - Tiến hành khảo sát, thường chia làm hai giai đoạn: Trước hết chạy thử chương trình với chế độ mà kết biết trước để kiểm tra độ xác mơ hình Tiếp theo, mơ hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với chế độ cần khảo sát theo yêu cầu đặt 4.2 Các thông số hệ thống pin lượng mặt trời 4.2.1 Thông số pin lượng mặt trời Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật pin mặt trời mono 100W Thơng số Kí hiệu Giá trị Cơng suất lớn Pmax 100 W Điện áp điểm cực đại MPP VMPP 18,9 V Dòng điện điểm cực đại MPP IMPP 5,29 A Điện áp hở mạch VOC 22,5 V Dòng điện ngắn mạch ISC 5,75 A Hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch Ki 0,04 A/oC Số modun pin ghép nối tiếp Ns 36 Số modun pin ghép song song Np 4.2.2 Thông số biến đổi DC-DC tăng áp Bảng 5.2: Thông số kỹ thuật cảu biến đổi tăng áp Thơng số Kí hiệu Giá trị Tụ điện đầu vào Cin 50 uF Cuộn cảm L 50 uH Tụ điện đầu Cout 3000 uF Điện trở tải Rtải 20 Ω 4.3 Mô kết mô hệ thống pin lượng mặt trời 47 Hình 5.1: Hệ thống pin lượng mặt trời Hình 5.2: Dịng điện chạy qua nội trở Rsh 48 Hình 5.3: Dịng điện bão hịa pin mặt trời Hình 5.4: Dịng quang điện pin mặt trời 49 Hình 5.5: Dịng điện pin mặt trời Hình 5.6: Đặc tính P-V pin lượng mặt trời 50 Hình 5.7: Đặc tính I-V pin lượng mặt trời Hình 5.8: Thuật tốn MPPT P&O 51 Hình 5.9: Chu kỳ nhiệm vụ D (D=0,36) Hình 5.10: Bộ tạo xung PWM 52 Hình 5.11: Bộ so sánh Hình5.12: Xung PWM (36%) 53 Hình 5.13: Cơng suất pin với thuật tốn P&O (66W) Hình 5.14: Điện áp pin với thuật toán P&O (36V) 54 Hình 5.15: Dịng điện pin với thuật toán P&O (1,8A) 55 KẾT LUẬN Sau thời gian nghiên cứu làm việc hướng dẫn tận tình Ths Ngơ Quang Vĩ với giúp đỡ bạn bè khoa Điện - Tự Động Công Nghiệp trường Đại học dân lập Hải Phịng Em hồn thành đồ án tốt nghiệp đạt số kết sau : - Nêu tổng quan xây dựng mơ hình nhỏ hệ thống pin lượng mặt trời - Đã tìm hiểu cấu tạo, ngun lý hoạt động, đặc tính làm việc pin mặt trời - Nghiên cứu, xây dựng thuật tốn P&O bám điểm cơng suất cực đại - Nêu nguyên lý hoạt động biến đổi DC-DC Do đề tài thân, khả nhận thức hạn chế nên đồ án số khâu chưa hồn chỉnh, cịn nhiều vấn đề chưa đề cập đến Những nghiên cứu dừng lại lý thuyết, thiếu trình thực nghiệm thực tế Vì em mong thầy bạn đóng góp thêm nhiều ý kiến, nhận xét quý báu để kiến thức em hoàn thiện Một lần em xin chân thành cảm ơn bảo, hướng dẫn tận tình thầy giáo Ths Ngơ Quang Vĩ suốt trình làm đề tài tốt nghiệp Em xin chân thành cảm ơn! Hải Phòng, ngày tháng năm 2020 Sinh viên thực Đồn Cơng Minh 56 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Anh [1] “Advanced Algorithm For Mppt Control Of Photovoltaic Systems”, C Liu, B Wu and R Cheung, Department of Electrical & Computer Engineering, Ryerson University, Toronto, Ontario, Canada M5B 2K3 [2] “Evaluation of Micro Controller Based Maximum Power Point Tracking Methods Using dSPACE Platform”, Australian University Power Engineering Conference 2006 [3] “A Detailed Performance Model for Photovoltaic Systems”, Hongmei Tian University of Colorado – Denver and Shenzhen Polytechnic, Fernando Mancilla-David, Kevin Ellis and Peter Jenkins University of Colorado – Denver, Eduard Muljadi National Renewable Energy Laboratory [4] “Design and simulation DC-DC power converters buck and boost for mobile applications using Matlab/Simulink”, Kaoutar Bendaoud Polydisciplinary Faculty of Ouarzazate, Department Mathematics and Informatics and Management, Laboratory of Engineering Sciences and Energy, Ibn Zohr University- Agadir, Morocco [5] Robert W Erickson ,Fundamentals of Power Electronics, second edition Kluwer Academic Publishers, 2001 [6] Cyril W Lander (1993), Power Electronic [7] Ryszard Strzelecki, Grzegorz Benysek; Power Electronics in Smart Electrical Energy Networks; Springer 2008 [8] Frede Blaabjerg, Remus Teorescu, Zhe Chen, Marco Liserre; Power converters and control of renewable energy systems; ICPE (ISPE) (2004): 220 Tài liệu tiếng Việt [9] Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2004), Điện tử công suất, NXB Khoa Học Kỹ Thuật, Hà Nội 57 [10] Nguyễn Văn Thuấn (2003), Điện tử công suất, NXB Học viện KTQS, Hà Nội [11] Nguyễn Phùng Quang, Matlab & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học Kỹ thuật, 2008 [12] Trần Trọng Minh, “Bài giảng : Thiết kế điều khiển cho biến đổi Điện tử công suất”, BKHN, 12/4/2013 [13] Ts Hoàng Dương Hùng, Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng, Đại học Bách Khoa Đà Nẵng [14] “Thiết kế chuyển đổi dc/dc cho hệ thống điện sử dụng lượng mặt trời”, Trịnh Trung Hiếu, Đoàn Anh Tuấn, Lê Thị Tịnh Minh [15] “So sánh thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại phương pháp mô thực nghiệm”, Nguyễn Văn Tấn, Dương Minh Quân, Trần Anh Tuấn, Phạm Văn Kiên, Lê Hồng Lâm, Hà Hải Long Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tan78dhbk@dut.udn.vn, dmquan@dut.udn.vn, tatuan@dut.udn.vn, pvkien@dut.udn.vn, lhlam@dut.udn.vn [16] “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”, Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường [17] “Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại cho pin mặt trời”, Trương Văn Trọng [18] “Tìm điểm cơng suất cực đại pin mặt trời”, Nguyễn Ngọc Trung [19] https://www.wikipedia.org/ 58 ... R o (2 1) Io Tải đi? ??m có cơng suất cực đại pin mặt trời xác định sau : Vmpp R mpp  (2 2) Impp Trong đó: Vmpp, Impp: đi? ??n ? ?p lớn nhất, dòng đi? ??n lớn pin mặt trời VO, IO: đi? ??n ? ?p ra, dòng đi? ??n... tăng Phương ph? ?p dựa đặc đi? ??m : độ dốc đường đặc tính pin đi? ??m MPP, độ dốc dương bên trái đi? ??m MPP, âm bên phải MPP Thể sau : dP  , đi? ??m MPP dV - dP  , bên trái MPP dV - dP  , bên phải MPP dV... GI? ?O DỤC VÀ Đ? ?O T? ?O TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUẢN LÝ VÀ CƠNG NGHỆ HẢI PHỊNG - NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ĐI SÂU TÌM HIỂU THUẬT TỐN P& O BÁM ĐI? ??M CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI TỐT NGHI? ?P ĐẠI