THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY BƠM SỬ DỤNG NGUỒN CẤP PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Bao cao đồ án tốt nghiệp chuyên ngành tự động hóa BKHN (22)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ CƠNG NGHIỆP ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI CHO HỆ TRUYỀN ĐỘNG MÁY BƠM SỬ DỤNG NGUỒN CẤP PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Trưởng môn : PGS.TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Vũ Hoàng Phương Sinh viên thực : Vũ Đình Việt MSSV : 20146854 Lớp : CNĐK&TĐH1 - K59 Hà Nội, 6-2018 Lời cam đoan LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Thiết Kế Bộ Biến Đổi Cho Hệ Truyền Động Máy Bơm Sử Dụng Pin Năng Lượng Mặt Trời em thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Vũ Hoàng Phương Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, tháng năm 2018 Sinh viên thực Vũ Đình Việt Mục lục MỤC LỤC DANH SÁCH HÌNH VẼ i DANH SÁCH BẢNG BIỂU iv DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT v LỜI MỞ ĐẦU vi CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG BƠM SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1 Tổng quan lượng mặt trời 1.1.1 Tình hình xu phát triển lượng mặt trời 1.1.2 Pin mặt trời 1.1.3 Các hệ thống với pin mặt trời 1.2 Giới thiệu hệ thống bơm nước sử dụng lượng mặt trời 1.2.1 Giới thiệu động bơm nước 1.2.2 Giới thiệu hệ thống bơm nước sử dụng lượng mặt trời 1.2.3 Các phương án giải pháp hệ thống bơm sử dụng lượng mặt trời CHƯƠNG XÂY DỰNG THUẬT TOÁN VÀ CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN CHO BỘ BIẾN ĐỔI 2.1 Cấu trúc điều khiển 2.2 Thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT 2.2.1 Mô hình tốn học pin mặt trời 2.2.2 Một số thuật toán MPPT truyền thống 11 2.2.3 Phương pháp lai Hybrid 13 2.3 Điều khiển động theo phương pháp U/f 16 Mục lục 2.3.1 Nguyên lý hoạt động động không đồng xoay chiều ba pha 16 2.3.2 Nguyên lý điều khiển điện áp tần số U/f 17 2.4 Điều chế vector không gian 19 2.5 Tính tốn lựa chọn thiết bị cho biến đổi 23 2.5.1 Tính số pin mặt trời 23 2.5.2 Tính điện dung tụ 24 2.5.3 Tính chọn van 25 CHƯƠNG MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK 26 3.1 Sơ đồ mô hệ thống 26 3.2 Kết mô 28 3.2.1 Thông số mô hệ thống 28 3.2.2 Mơ đặc tính pin mặt trời 29 3.2.3 Mô hệ thống bơm sử dụng lượng mặt trời 29 3.3 Kết luận 32 CHƯƠNG XÂY DỰNG MƠ HÌNH THỰC NGHIỆM 33 4.1 Xây dựng hệ thống thực nghiệm 33 4.1.1 Thiết kế mạch lực 34 4.1.2 Mạch điều khiển Slave 36 4.1.3 Mạch điều khiển Master 37 4.2 Chuẩn hóa tín hiệu 38 4.2.1 Thuật toán MPPT 39 4.2.2 Thuật toán U/f 39 4.2.3 Xác định góc quay 40 4.3 Triển khai hệ thống 41 4.3.1 Vi điều khiển TMS320F28069 41 Mục lục 4.3.2 Chương trình vi điều khiển TMS320F28069 43 4.3.3 Giao diện điều khiển vi điều khiển dsPIC33FJ64GP802 44 4.3.4 Truyền thông hệ thống 47 4.4 Kết thực nghiệm Đà Lạt 51 4.4.1 Thông số thực nghiệm 51 4.4.2 Kết 53 KẾT LUẬN 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO 56 Danh sách hình vẽ DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 1.1 Cấu tạo pin mặt trời Hình 1.2 Đường đặc tính P-V thiết bị quang điện Hình 1.3 Đặc tính I-V pin SQ160 cường độ thay đổi (trái) Hình 1.4 Bơm hỏa tiễn (trái) bơm ly tâm (phải) Hình 1.5 Sơ đồ hệ thống bơm có sử dụng DC-DC boost converter Hình 1.6 Sơ đồ hệ thống bơm không sử dụng DC-DC boost converter Hình 2.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống Hình 2.2 Mơ hình tương đương pin mặt trời Hình 2.3 Mơ hình tường đương nhiều pin mặt trời 10 Hình 2.4 Đồ thị I-V P-V pin mặt trời 11 Hình 2.5 Thuật tốn CV (constant voltage method) 14 Hình 2.6 Lưu đồ thuật tốn phương pháp MC 15 Hình 2.7 Thuật toán lai 15 Hình 2.8 Điều khiển động không đồng tần số 18 Hình 2.9 Bộ nghịch lưu nguồn áp pha 19 Hình 2.10 Vị trí vector chuẩn hệ tọa độ tĩnh αβ 19 Hình 2.11 Mối quan hệ sector điện áp tức thời u sa , u sb , u sc 21 Hình 2.12 Thuật tốn xác định vector điện áp sector 21 Hình 2.13 Nguyên tắc điều chế vector điện áp 22 Hình 2.14 Mẫu xung chuẩn Sector 23 Hình 3.1 Sơ đồ mô hệ thống 26 Hình 3.2 Sơ đồ mô khối PV array 26 i Danh sách hình vẽ Hình 3.3 Sơ đồ mơ khối Controller 27 Hình 3.4 Sơ đồ mô khối Inverter 27 Hình 3.5 Sơ đồ mô khối Inductor motor 28 Hình 3.6 Kết mơ đặc tính I-V P-V pin mặt trời 29 Hình 3.7 Đặc tính pin mặt trời nhiệt độ thay đổi 29 Hình 3.8 Cơng suất đầu pin mặt trời thay đồi nhiệt độ 30 Hình 3.9 Đặc tính động nhiệt độ thay đổi 31 Hình 3.10 Đặc tính pin mặt trời thay đổi cường độ 31 Hình 3.11 Cơng suất đầu pin mặt trời thay đổi cường độ 32 Hình 3.12 Đặc tính động thay đổi cường độ 32 Hình 4.1 Sơ đồ hệ thống thực nghiệm 33 Hình 4.2 Hệ thống mạch lực 34 Hình 4.3 Mạch đo điện áp 34 Hình 4.4 Sơ đồ nguyển lý mạch đo dòng điện 35 Hình 4.5 Mạch driver HCPL-3120 36 Hình 4.6 Sơ đồ mạch điều khiển Slave 36 Hình 4.7 Mạch điều khiển Slave 37 Hình 4.8 Sơ đồ mạch điều khiển Master 38 Hình 4.9 Dsp TMS320F28069 41 Hình 4.10 Kiến trúc vi điều khiển 42 Hình 4.11 Tổng quan lưu đồ DSP TMS320F28069 43 Hình 4.12 Lưu đồ thuật tốn cài đặt cho DSP TMS320F28069 44 Hình 4.13 Giao diện điều khiển mạch Master 45 Hình 4.14 Giao diện điều khiển hình GLCD 45 Hình 4.15 Màn hình GLCD chế độ Run 46 ii Danh sách hình vẽ Hình 4.16 Statemachine hình GLCD 47 Hình 4.17 Mạng truyền thông CAN 48 Hình 4.18 Hệ thống thực nghiệm sử dụng bơm ly tâm (Trạm bơm 1) 52 Hình 4.19 Hệ thống thử nghiệm sử dụng bơm hoả tiễn (Trạm bơm 2) 53 iii Danh sách bảng biểu DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Top 10 quốc gia có tổng công suất sản lượng điện mặt trời lớn Bảng 2.1 Thuật toán phương pháp MC 14 Bảng 2.2 Bảng giá trị điện áp vector chuẩn 20 Bảng 2.3 Tham số động thiết kế 23 Bảng 2.4 Thông số pin SQ160 23 Bảng 2.5 Thông số kỹ thuật van FNA23512A 25 Bảng 3.1 Thông số mô hệ thống 28 Bảng 4.1 Giới hạn đại lượng chuẩn hóa theo mạch đo lường 39 Bảng 4.2 Mã ID truyền thông CAN hệ thống 49 Bảng 4.3 Thông số động thực nghiệm (Trạm bơm 1) 51 Bảng 4.4 Thông số Pin mặt trời trạm 51 Bảng 4.5 Thông số Pin mặt trời trạm 52 Bảng 4.6 Thông số động thực nghiệm (Trạm bơm 2) 52 Bảng 4.7 Kết thực nghiệm trạm bơm ngày 21/5/2018 53 Bảng 4.8 Kết thực nghiệm Đà Lạt ngày 22/5/2018 (Trạm bơm 2) 54 iv Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm Hình 4.10 Kiến trúc vi điều khiển CPU họ DSP TMS320F28069 có khả tính tốn lúc phép tính nhân phép cơng cách sử dụng song song nhân 32x32bit (32x32 bit Multiplier) khối tính tốn số logic số học (ALU) Ngồi ra, CPU DSP cịn hỗ trợ tính tốn dấu phẩy động cho phép CPU làm việc trực tiếp với số thực phẩy động Với dòng DSP, Texas Instruments cho phép người lập trình lập trình ngơn ngữ C Assembly Hãng phát triển công cụ lập trình mạnh Code Composer Studio cho phép Debug chương trình Ngồi ra, hãng cấp thư viện “C28x Digital Motor Control”, “C28x Solar Library” hỗ trợ nhiều toán điều khiển 42 Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm 4.3.2 Chương trình vi điều khiển TMS320F28069 Hình 4.11 Tổng quan lưu đồ DSP TMS320F28069 Tổng quan chương trình DSP thể rõ hình 4.11 43 Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm Nội dung chương trình DSP sau: Khối ADC đọc tín hiệu điện áp DC, dịng điện DC, dịng điện pha nhiệt độ Việc kích hoạt ADC bắt đầu chuyển đổi tín hiệu SOCx từ Module PWM1 kích hoạt với chu kỳ trích mẫu tần số phát xung 5kHZ Khối PWM cài đặt với tần số phát xung 5kHZ Hệ số điều chế kênh PWM cập nhật sau chu kỳ CPU thực thuật toán cấu trúc điều khiển xong Khối CPU thực thuật toán điều khiển chương trình ngắt ADC Ngồi CPU cịn giao tiếp với cổng DI cảm biến mức giao tiếp truyền thông CAN với dspic Các chế độ bảo vệ dòng, áp, nhiệt, áp, thấp áp cài đặt có cảnh báo buzzer cảnh báo lên Master qua truyền thơng CAN Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán cài đặt cho DSP TMS320F28069 4.3.3 Giao diện điều khiển vi điều khiển dsPIC33FJ64GP802 Nhiệm vụ tạo hệ thống điều khiển, thu thập giám sát trường 44 Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm Hình 4.13 Giao diện điều khiển mạch Master Hình 4.14 Giao diện điều khiển hình GLCD 45 Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm Như hình 4.14 giao diện gồm phần chính: - Setting: cài đặt thơng số, cấu hình gửi xuống DSP - Datalog: thị giá trị điện áp, dòng điện, tần số ngày biến tần hoạt động trước - Restore System: Khơi phục hệ thống cài đặt mặc định ban đầu - About System: Thơng tin biến tần Hình 4.15 Màn hình GLCD chế độ Run Khi ấn nút START, hình chuyển sang chế độ giám sát hệ thống vào chế độ Run Các thông số điện sau giám sát: - Motor: điện áp động (tính từ thuật tốn U/f), tần số (đầu thuật tốn MPPT), dịng điện hiệu dụng (tính từ dịng pha) - Photovoltaic: điện áp PV, dịng điện PV, cơng suất PV - Frequency: Tần số đặt trường hợp không ghép nối với PV Ngồi ra, q trình khởi động q trình chạy xuất lỗi, tín hiệu báo lỗi từ DSP gửi dsPIC Các lỗi gồm có: lỗi nhiệt, áp, tần số, thấp áp, thấp tần số Giao diện điều khiển GLCD hoạt động theo State machine (trạng thái máy) hình 4.16 46 Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm Hình 4.16 Statemachine hình GLCD Hệ thống có trạng thái hoạt động: - Khởi tạo: Trạng thái hoạt động khởi động reset panel, trạng thái lặp lại tới khởi tạo kết nối thành công - Trạng thái chờ (Menu): Sau khởi tạo thành công, GLCD chuyển sang chế độ chờ nút nhấn để truy cập vào menu - Trạng thái cài đặt: Truy cập vào menu “Setting” cài đặt tham số truyền xuống DSP - Trạng thái Run (Monitoring): Sau nhấn Start, hệ thống chạy chế độ Run hình GLCD chuyển sang chế độ giám sát - Trạng thái lỗi: bao gồm trạng thái lỗi xảy kiểm tra kết nối không thành công lỗi xảy q trình chạy 4.3.4 Truyền thơng hệ thống Controller Area Network (CAN) giao thức giao tiếp nối tiếp hỗ trợ mạnh cho hệ thống điều khiển thời gian thực phân bố (distributed realtime control system) với độ ổn định, bảo mật đặc biệt chống nhiễu tốt Đặc điểm CAN: - Gồm chuẩn CAN v2.0A (11bit ID) v2.0 B (29bit ID) - Là chuẩn truyền thông dây, không cần xung đồng để truyền nhận 47 Chương Xây dựng mơ hình thực nghiệm - Tốc độ cao, lên tới 1Mbps (