(Luận văn thạc sĩ) nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TĂNG ÁP ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201 S K C0 Tp Hồ Chí Minh, tháng 05/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TĂNG ÁP ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201 Tp Hồ Chí Minh, tháng 5/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TĂNG ÁP ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 8520201 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƯỢC: Họ& tên: TRẦN VĂN DIỄN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 01/08/1981 Nơi sinh: Hà Tĩnh Quê quán: Hà Tĩnh Dân tộc: Kinh Địa liên lạc: Tổ 13, Khu 2, Ấp 7, An Phước, Long Thành, Đồng Nai Điện thoại: 0901552498 E-mail: trandien.nqtech@gmail.com II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung cấp: Hệ đào tạo: Trung cấp nghề 3/7 Thời gian đào tạo từ 9/1998 đến 8/2000 Nơi học: Trường kỹ nghệ II Ngành học: Điện tử công nghiệp Đại học: Hệ đào tạo: Đại học Thời gian đào tạo từ 9/2000 đến 4/2004 Nơi học: Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Kỹ Thuật Điện – Điện Tử Thạc sĩ: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 2018 đến 2020 Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM Ngành học: Kỹ thuật điện Tên luận văn: Nghiên cứu điều khiển biến đổi DC/DC tăng áp ứng dụng cho pin lượng mặt trời Ngày & nơi bảo vệ luận văn: 24/5/2020 Tại Trường Đại học sư phạm kỹ thuật TP HCM Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 i PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ % hObject handle to edit5 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows % See ISPC and COMPUTER if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end function edit6_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit6 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) % Hints: get(hObject,'String') returns contents of edit6 as text % str2double(get(hObject,'String')) returns contents of edit6 as a double % - Executes during object creation, after setting all properties function edit6_CreateFcn(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to edit6 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles empty - handles not created until after all CreateFcns called % Hint: edit controls usually have a white background on Windows % See ISPC and COMPUTER if ispc && isequal(get(hObject,'BackgroundColor'), get(0,'defaultUicontrolBackgroundColor')) set(hObject,'BackgroundColor','white'); end % - Executes on button press in pushbutton1 % - Executes on button press in pushbutton31 function pushbutton31_Callback(hObject, eventdata, handles) HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 85 PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ % hObject handle to pushbutton31 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) PV_BoostControlTuning % - Executes on button press in pushbutton32 function pushbutton32_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton32 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) mppt_Boost_Converter % - Executes on button press in pushbutton33 function pushbutton33_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton33 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) INC_Algorithm_BoostConverter % - Executes on button press in pushbutton34 function pushbutton34_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton34 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) PSO_MPPT_BOOST_CONVERTER % - Executes on button press in pushbutton35 function pushbutton35_Callback(hObject, eventdata, handles) % hObject handle to pushbutton35 (see GCBO) % eventdata reserved - to be defined in a future version of MATLAB % handles structure with handles and user data (see GUIDATA) MPPT_PSO HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 86 PGS.TS NGUYỄN MINH TÂM NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TĂNG ÁP ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT RESEARCH AND CONTROL BOOST DC/DC CONVERTERS FOR SOLAR CELL APPLICATIONS Trần Văn Diễn Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM TÓM TẮT Ngày nay, nhu cầu sử dụng lượng, đặc biệt điện ngày cao Trong nguồn lượng người sử dụng, nguồn lượng sức gió, thủy triều, lượng mặt trời nguồn lượng sạch đáng lưu tâm Các nguồn lượng sức gió hay thủy triều thường có yêu cầu vị trí lắp đặt cơng suất lớn Ngược lại, lượng mặt trời lắp đặt hầu hết tất nơi dải công suất Hiệu suất làm việc pin lượng mặt trời khơng ổn định thời tiết, khí hậu, thời gian sáng tối, cường độ xạ… Bài báo “ Nghiên cứu điều khiển biến đổi DC/DC tăng áp ứng dụng cho pin lượng mặt trời ” đề xuất phương pháp nhằm nâng cao hiệu suất pin lượng mặt trời điều kiện không ổn định Ở tác giả chọn phương pháp nghiên cứu khảo sát biến đổi DC/DC tăng áp(Boost DC/DC) để tìm phương trình tốn học phân tích tḥt tốn nhiễu loạn quan sát P&O dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT để điều khiển Boost DC/DC Dùng mô Matlab để kiểm chứng Thông qua mô Matlab pin lượng mặt trời kết hợp biến đổi DC/DC tăng áp sử dụng MPPT biến đổi DC/DC tăng áp không sử dụng MPPT ta thu kết Boost DC/DC sử dụng MPPT hiệu suất chuyển đổi đổi lượng cao Kết nghiên cứu sử dụng làm tài liệu tham khảo cho cơng trình nghiên cứu xây dựng hệ thống điện mặt thực tiển sống ABSTRACT Today, the demand for energy, especially electricity, is increasing day by day Among the energy sources that humans have been using, the wind, tidal and solar energy sources are the most noticeable clean energy sources Wind or tidal power sources often require large installation sites and capacity In contrast, solar can be installed in almost all places and power ranges The performance of solar panels is unstable due to weather, climate, light and dark time, radiation intensity The article "Research and control of booster DC / DC converters for solar cell applications" proposes a method to improve the performance of solar cells in unstable conditions The author chooses a research method to survey the booster DC / DC converter (Boost DC / DC) to find mathematical equations and analyze turbulence algorithms and observe P&O to find the maximum power point MPPT to control Boost DC / DC Use Matlab simulation to verify Through Matlab simulation, the solar cell combining MPPT DC / DC converter and MPPT DC / DC converter without MPPT results in Boost DC / DC using MPPT effect higher conversion power The research results are used as a reference for researches and constructions of practical solar power system in life Keywords: DC Direct Current MPPT Maximum Power Point Tracking P&O Perturbation and Observation GIỚI THIỆU: Bài báo tập trung nghiên cứu biến đổi Boost DC/DC ứng dụng cho pin lượng mặt trời Nhằm sử dụng tối ưu hố pin mặt trời cần có giải pháp điều khiển Boost DC/DC thích hợp sử dụng Boost kèm theo giải thuật tìm kiếm đổi công suất cực đại MPPT để điều khiển khoa Q của biến DC/DC tăng áp phân tích thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O điều trực tiếp chu kỳ D TỔNG QUAN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI: 2.1 Đặc tính làm việc pin mặt trời: Khi chiếu sáng, ta nối bán dẫn p n tiếp xúc p-n dây dẫn, pin mặt Trời phát dịng quang điện Iph Vì trước hết pin mặt Trời xem tương đương “nguồn dòng” R sh : Điện trở shun (Ω/m2) q: Điện tích điện tử (C) Hình cho ta thấy ba điểm quan trọng đường đặc trưng này:  Dòng ngắn mạch Isc  Điện áp hở mạch Voc  Điểm cơng suất cực đại PM 2.1.1 Dịng ngắn mạch 𝐈𝐬𝐜 : Đặt giá trị V = vào biểu thức (1) ta có: 𝐼𝑆𝐶 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑞𝑅𝑠 𝐼𝑆𝐶 𝑛𝐾𝑇 − 1] − 𝑅𝑠 𝐼𝑆𝐶 𝑅𝑠ℎ Bỏ qua R S Id = ta có: = 𝐼𝑝ℎ = 𝛼𝐸 (2) 𝐼𝑆𝐶 Hình Đặc tính V-A cơng suất – điện áp pin mặt trời với cường độ sáng khác (Pin mặt trời 225 W hãng SHARP) 2.1.2 Điện áp hở mạch 𝐕𝐨𝐜 : 𝑞𝑉𝑐0 Hình 1b Sơ đồ tương đương pin mặt trời Hình 1b Đường đặc trưng theo độ chiếu sáng pin mặt trời Từ sơ đồ tương đương, dễ dàng viết phương trình đặc trưng Volt – Ampere pin mặt trời sau: 𝐼 = 𝐼∅ − 𝐼𝑑 − 𝐼𝑠ℎ = 𝐼∅ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑞(𝑉+ 𝑅𝑠 𝐼) 𝑛𝐾𝑇 − 1] − 𝑉 + 𝑅𝑠 𝐼 (1) 𝑅𝑠ℎ 𝑉𝐶𝑂 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑛𝐾𝑇 − 1] 𝑞𝑉𝑐𝑜 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑛𝐾𝑇 − 1] + 𝐼𝑠 𝑞𝑉𝑐𝑜 → 𝐼𝑝ℎ + 𝐼𝑠 = 𝐼𝑠 [𝑒𝑥𝑞 𝑛𝐾𝑇 − 1] 𝐼𝑝ℎ + 𝐼𝑠 𝑛 𝐾𝑇 𝑙𝑛 (3) 𝑞 𝐼𝑠 Trong biểu thức 𝑉𝑐𝑜 ta thấy phụ thuộc vào nhiệt độ cách trực tiếp (thừa số T trước biểu thức) gián tiếp qua dòng bão hòa 𝐼𝑠 (hình 3) → 𝑉𝐶𝑂 = Trong đó: I∅ : Dòng quang điện (A/m2) Id : Dòng qua diot (A/m2) Ish : Dòng dò (A/m2) Is : Dòng bão hòa (A/m2) n: Được gọi thừa số lý tưởng phụ thuộc vào mức độ hồn thiện cơng nghệ pin mặt Trời Gần lấy n = R s : Điện trở nối tiếp (điện trở trong) pin mặt Trời (Ω/m2) Hình Đặc tính V-A pin mặt trời với nhiệt độ khác 2.1.3 Điểm công suất cực đại 𝐏𝐌 : Với giá trị R khác nhau, điểm làm việc khác tải tiêu thụ khác Tồn giá trị R = R OPT mà cơng suất tải tiêu thụ cực đại Điểm làm việc ứng với công suất cực đại điểm tiếp xúc đường đặc tính VA pin mặt trời đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const đường hypecbol) PV cell I + RS Id RP I SC LOAD I SC Hình Sơ đồ tương đương pin quang điện Phương trình mơ tả đặc tính pin quang điện [10] 𝑣+𝑖𝑅𝑠 𝐼 = 𝐼𝑠𝑐 − (𝑒 𝑛𝑠𝑉𝑡 − 1) − 𝑣+𝑖𝑅𝑠 𝑅𝑃 (7) Trong đó: 𝐼𝑠𝑐 : Dịng ngắn mạch 𝐼0 : Dòng ngược bão hòa 𝑅𝑠 : Điện trở nối tiếp 𝑅𝑃 : Điện trở song song đặc trưng cho dòng rò tế bào quang điện 𝐴 : Hệ số chất lượng Diode 𝑉𝑡 : Ngưỡng điện áp nhiệt Diode, với 𝐴𝑘𝑇 𝑉𝑡 = 𝑞𝑠𝑡𝑐 Hình Điểm làm việc điểm cơng suất cực đại Giá trị điện trở tải tối ưu R OPT xác định theo định luật Ohm: 𝑉𝑂𝑃𝑇 𝑅𝑂𝑃𝑇 = (4) 𝐼𝑂𝑃𝑇  Nếu điện trở tải nhỏ, R R OPT , pin mặt Trời làm việc miền PS với hiệu điện gần không đổi hở mạch VOC 2.1.4 Hiệu suất chuyển đổi lượng: Là tỷ lệ phần trăm lượng photon chuyển hóa thành điện pin nối với tải lượng photon thu vào (5) 𝑃𝑚𝑎𝑥 ɳ = (5) 𝐸 𝐴 Với: E (W/m2): cường độ xạ tới A (m²): diện tích bề mặt pin Thừa số lấp đầy Kf (Fill factor) (6) 𝑃𝑚𝑎𝑥 𝐾𝑓 = (6) 𝑉𝐶𝑂 𝐼𝑆𝐶 Các thông số quang điện hóa gồm dịng ngắn mạch ISC , mạch hở VOC , công suất cực đại Pmax xác định từ đường đặc trưng V-A 2.2 Chọn công suất pin quang điện: 2.2.1 Khảo sát pin quang điện: 𝑇𝑁𝑂𝐶𝑇 : Nhiệt độ pin điều kiện NOCT Tại điều kiện NOCT, cường độ chiếu sáng 𝐺𝑁𝑂𝐶𝑇 = 0,8 𝑘𝑊/𝑚2 nhiệt độ môi trường 𝑇𝑎𝑚𝑝𝑁𝑂𝐶𝑇 = 200 𝐶 Bảng Thông số pin quang điện NA42117 Bosch [13] Sử dụng Simulink/Matlab có hỗ trợ mơ mơ hình pin quang điện, ta cần khai báo hai thơng số cường độ chiếu sáng G nhiệt độ pin T TÊN THƠNG SỐ Hình Mơ hình pin quang điện Matlab 2018b 2.2.2 Chọn công suất sơ pin mặt trời: Ở để tiện cho việc mô báo chọn cơng suất tải 1100W cơng suất pin quang điện phải tương ứng 1250W Chọn module pin Bosch Solar Energy c-Si M60 NA42117 250W , số lượng pin quang điện mắc nối tiếp với đo đạt công suất cực đại GIÁ TRỊ Công suất định mức STC (P STC) 250 W Điện áp MPP (Vmpp) 30.31 V Dòng điện MPP (Impp) 8.14 A Điện áp hở mạch (Voc) 37.80 V Cường độ dòng điện ngắn mạch (Isc) 8.72 A Hệ số nhiệt độ công suất (Pmax) -0.44 %/ °C Hệ số nhiệt độ điện áp (Voc) -0.31 %/ °C Hệ số nhiệt độ cường độ dòng điện (Isc) Nhiệt độ NOCT 0.031 %/ °C 48.4°C Công suất NOCT (PNOCT) 182 W Hiệu suất tổng thể 14.91% Kích thước hai chiều 1.66m x 0.99 m Khối lượng 21 kg Điện áp tối đa module 600 V Dịng định mức cầu chì bảo vệ 15 A Dung sai (-/+) -0% / +10% Đặc tuyến pin quang điện 250W nhà sản suất cho Hình Đặc tuyến I – V Hình Đặc tuyến P –V Hình Tấm pin quang điện NA42117 Bosch Hình Thơng số pin quang điện lấy từ Matlab/simulink Đặc tuyến P-V ta ghép nối với để lấy lượng đưa vào hệ thống Đặc tuyến pin quang điện mắc nối tiếp nhiệt độ 25oC cường độ chiếu nắng 1000W/m2 Giả thiết: nhiệt độ trung bình ngày, năm 30oC Sử dụng mơ hình Matlab, ta tính cơng suất tương ứng thu pin quang điện Bảng Cường độ chiếu sáng mặt trời theo Hình 10 Đặc tuyến pin quang điện mắc nối tiếp nhiệt độ 25oC Công suất pin quang điện đo vị trí lớn 1250 W Như hệ thống lựu chọn đạt yêu cầu Số liệu thu thập cách truy cập trang web [12] Nasa, nhập tọa độ khu vực khảo sát Bảng Cường độ chiếu sáng mặt trời tháng năm (W/m2) 800 Cường độ chiếu sáng 700 600 500 400 300 200 100 0 10 12 14 16 18 20 22 Hình 12 Đồ thị cường độ chiếu sáng tại thời điểm ngày (tháng 1) Bảng Công suất mặt trời ứng với cường độ chiếu sáng theo BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI: 3.1 Bộ biến đổi DC – DC: Các loại biến đổi DC/DC thường dùng hệ PV gồm: 900 800 700 600  Bộ giảm áp (Buck) 500  Bộ tăng áp (Boost) 400  Bộ đảo dấu điện áp (Buck – boost)  Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk 3.1.1 Cấu tạo nguyên lý hoạt động mạch Boost: 300 200 100 D L 9 10 11 iL(t) + vL(t) 10 11 12 12 Vg + _ _ iC(t) Q1 C + Vo Rt _ Hình 11 Cường độ chiếu sáng mặt trời tháng năm Hình 13 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Dạng dòng điện iL(t) điện áp Vo(t) mơ tả hình 14 sau đây: Phương trình cân điện áp: 𝐼 −𝐼1 𝑉𝑔 − 𝑉0 = 𝐿 𝑇2 𝑜𝑓𝑓 2∆𝐼𝐿 hay 𝑉0 − 𝑉𝑔 = 𝐿 𝑇 𝑜𝑓𝑓 Dòng điện qua tụ: 2∆𝑉0 𝑉0 𝑖𝐶 = 𝐶 = 𝐼𝐿 − 𝑇𝑜𝑓𝑓 𝑅𝑡 Từ ta rút (15) (16 ) (𝑉0 − 𝑉𝑔 )𝑇𝑜𝑓𝑓 (17) 2𝐿 Cân ∆𝐼𝐿 biểu thức (12) (17) suy ∆𝐼𝐿 = Hình 14 Dạng dịng điện qua cuộn cảm điện áp tải Trong khoảng thời gian Ton: van Q1 dẫn diode D khóa, chiều dịng điện iL(t) qua cuộn cảm iC(t) qua tụ điện hình 15 ra: 𝑉𝑔 𝑇𝑜𝑛 (𝑉0 − 𝑉𝑔 )𝑇𝑜𝑓𝑓 (18) = 2𝐿 2𝐿 𝑇𝑜𝑛 Với D = 𝑇 +𝑇 , thay vào (18) ta được: L iL(t) + vL(t) 𝑜𝑛 _ iC(t) Vg + _ C 𝑉0 = Vo _ Rt (20) Hình 15 Mạch tương đương Q1 dẫn diode D khóa Điện áp nguồn biểu diễn: 𝐿(𝐼2 − 𝐼1 ) 2𝐿∆𝐼𝐿 𝑉𝑔 = = (11) 𝑇𝑜𝑛 𝑇𝑜𝑛 Suy ra: 𝑉𝑔 𝑇𝑜𝑛 ∆𝐼𝐿 = (12 2𝐿 ) Dòng điện qua tụ điện: 𝑖𝐶 = 𝐶 𝑉1 −𝑉2 𝑇𝑜𝑛 =𝐶 −∆𝑉0 𝑇𝑜𝑛 = −𝑉0 Từ (19) (20) ta có: 𝐼0 𝐼𝐿 = 1−𝐷 Từ (12) (14) suy ra: 𝑉0 𝑇𝑜𝑛 (14) 2𝑅𝑡 ∆𝑉0 Trong khoảng thời gian Toff : van Q1 khóa diode D dẫn, chiều dòng điện iL(t) qua cuộn cảm iC(t) qua tụ điện hình 16 𝐶= L Vg +_ iC(t) C + Vo (21) 𝐿= 𝑉𝑔 𝑇𝑜𝑛 𝑉𝑔 𝑇𝑜𝑛 𝐷 𝑉𝑔 𝑇𝐷 𝑉𝑔 𝐷 = = = 2∆𝐼𝐿 2𝐷∆𝐼𝐿 2∆𝐼𝐿 2𝑓𝑠 ∆𝐼𝐿 (22) 𝐶= 𝑉0 𝑇𝑜𝑛 𝐷 𝑉0 𝑇𝐷 𝑉0 𝐷 = = 2𝑅𝑡 ∆𝑉0 2𝑅𝑡 ∆𝑉0 2𝑓𝑠 𝑅𝑡 ∆𝑉0 (23) Trong đó: 𝑓𝑠 tần số đóng cắt Như nguyên tắc điều khiển điện áp biến đổi điều chỉnh tần số đóng mở van Q1 3.1.2 Tính tốn biến đổi Boost: Sử dụng thông số pin mặt trời bảng thơng số pin quang điện NA42117 Bosch có thông số đo sau, PPV = 250 W VOC = 37.80 V VMPP = 30.11V ISC = 8.72A IMPP = 8.14 A Trong mạch ta sử dụng pin mặt trời mắt nối tiếp nhau, lúc thơng số hệ thống pin sau: IMPP = IMPP = 8.14 A VMPP ht = nVMPP = x 30.31 = 155.55 V Pht = nPPV = x 250 = 1250 W (13) 𝑅𝑡 Suy ra: _ iL(t) + vL(t) 𝑜𝑓𝑓 𝑉𝑔 (19) 1−𝐷 Giả sử tổn thất mạch 0, lúc này: 𝑉𝑔 𝐼𝐿 = 𝑉0 𝐼0 + Rt _ Hình 16 Mạch tương đương Q1 khóa diode D dẩn Các yêu cầu thiết kế điện áp tải Vo=310V, dao động dòng điện cuộn cảm, tần số đóng cắt fs = 50kHz Giả sử biến đổi lý tưởng, suy ra:  Công suất: Pin = P0 = 1250 W  Điện trở tải: R t = P0 = 1250 = 76.88  Dòng điện qua cuộn cảm: V2  Bảng thông số thiết kế mạch DC/DC Bảng Bảng thông số thiết kế mạch DC/DC 3102 P in 9.8446x10-4 6.3x10-6 Q1 (Mostfet) D IRF460N DO47 (Imax=19A Vmax=500V) (Imax=10A Vmax=1000V) 3.2 Giải thuật điều khiển cơng suất cực đại MPPT thuật tốn bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D: 3.2.1 Giải thuật điều khiển công suất cực đại MPPT: Điểm làm việc có cơng suất lớn MPP định đường đặc tính I – V ln thay đổi điều kiện nhiệt độ cường độ xạ thay đổi Chẳng hạn, hình 17 thể đường đặc tính làm việc I – V mức cường độ xạ khác tăng dần giá trị nhiệt độ (25oC) hình 18 thể đường đặc tính làm việc mức cường độ xạ với nhiệt độ tăng dần Hệ số đóng cắt van đóng cắt: D=1− Vin 155.55 =1− = 0.4984 V0 310  Chọn độ dao động dòng điện cuộn cảm: ∆𝐼𝐿 = 10%𝐼𝐿 = 0.1 × 7.875 = 0.7875 A  Tính tốn tụ lọc đầu ra: Chọn độ dao động điện áp: ∆V0 = 1%V0 = 0.01 × 310 = 3.1V Giá trị tụ lọc đầu tính theo biểu thức (23): 𝑉0 𝐷 𝐶= 2𝑓𝑠 𝑅𝑡 ∆𝑉0 310 × 0.4984 = × 50 × 103 × 78.4489 × 3.1 = 6.3 × 10−6 𝐹 Chọn giá trị điện dung tụ: C = 6.3 μF chịu điện áp 310V  Chọn van bán dẫn  Chọn van đóng cắt MOSFET tần số cao, dòng IL= 8.036A nên chọn MOSFET IRF460N chịu dịng tối đa 19A, điện áp tối đa 500V Hình 17 Đặc tính làm việc pin cường độ xạ thay đổi mức nhiệt độ  Chọn loại diode tần số cao DO47 chịu dòng 10A áp 1000V Giá trị cuộn cảm tính theo công thức (22) 𝑉𝑔 𝐷 C [F] 1250 IL = Vin = 155.55 = 8.036 A  L [H] 155.55×0.4984 𝐿 = 2𝑓 ∆𝐼 = 2×50×103×0.7875 𝑠 𝐿 = 9.8446 × 10−4 𝐻 Hình 18 Đặc tính làm việc I – V pin nhiệt độ thay đổi mức cường độ xạ  3.2.2 Thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D: Câu trúc hình 19, điều khiển gồm: Thuật toán MPPT điều khiển D tạo xung PWM Bộ điều khiển lấy tín hiệu áp dịng đưa vào thuật tốn để điều khiển D cho biến đổi DC/DC Impp: Dòng điện điểm MMP Nguyên lý hoạt động mô tả thông qua đồ thị hình 3.9a hình 3.9b 21a Đặc tính P – V 21b Đặc tính I - V Hình 21 Mơ tả tḥt tốn P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D Từ hình 21 ta suy lưu đồ thuật tốn hình 22 Hình 19 Pin mặt trời với tḥt tốn P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D Xét tải trở nên đường đặc tính tải đường thẳng với độ dốc 1/R Giả sử có giá trị tải R1, R2, R3 đường đặc tính I-V tương ứng có độ dốc 1/R1, 1/R2,1/R3 Trong số có đường đặc tính tải tương ứng R2 cắt đường đặc tính I-V PMT điểm MPP hình 20 Bắt đầu P&O Đo V(k), I(k) P(k) = V(k).I(k) ΔP = P(k) - P(k-1) ΔV = V(k) - V(k-1) S Đ I [A] ΔP >0 ΔV > Đ ΔV > Đ 1/R1 S MPP 1/R2 Impp D = D + ΔD S D = D - ΔD D = D + ΔD D = D - ΔD 1/R3 V(k-1) = V(k) P(k-1) = P(k) Vmpp Hình 22 Lưu đồ giải thuật P&O MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI BOOST KÈM GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT 4.1 Mô hệ thống pin quang điện biến đổi Boost không dùng giải thuật MPPT: Áp dụng công thức cách mô báo [10], ta xây dựng mơ hình mơ hệ thống hình 23 Bộ băm xung áp sử dụng để đưa vào đóng cắt Mosfet trình bày hình 24, tồn mơ hình mơ pin quang điện biến đổi Boost trình bày hình 23 V [V] Hình 20 Đặc tính làm việc pin mặt trời tải Như ứng với tải có giá trị R2 pin quang điện làm việc điểm có cơng suất cực đại MPP, nhiên điều xảy cách ngẫu nhiên Khi điều kiện thời tiết thay đổi tải biến động, MPPT làm việc để bám điểm MPP dựa theo nguyên lý dung hợp tải Khi pin quang điện mắc trực tiếp với tải điểm làm việc đặc tính tải xác định, giá trị tải khớp với giá trị RMPP cơng suất truyền từ PMT đến tải lớn Cơng thức tính RMPP (24) 𝑉𝑀𝑃𝑃 𝑅𝑀𝑃𝑃 = (24) 𝐼𝑀𝑃𝑃 Trong đó:  Rmpp: Điện trở tương ứng điểm MMP  Vmpp: Điện áp điểm MMP Hình 26 Điện áp đầu biến đổi DC/DC không dùng giải thuật MPPT Giá trị điện áp trung bình đầu vào hình 26 Hình 23 Mơ hình mơ pin quang điện biến đổi Boost  Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V = 286 V  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V = 257 V  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V = 275 V Công suất hệ thống ta giữ cố định D không dùng giải thuật MPPT so sánh với công suất lớn pin thời điểm nhiệt độ cố định hình 27 Hình 24 Mơ hình mơ tḥt tốn PWM Cho tỷ số chu kỳ D 0.4984 Ta cài giá trị cường độ ánh sáng đầu vào hệ thống pin mặt trời ban đầu cho 1000 W/m2 đến thời điểm 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng 800 W/m2 tiếp sau 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng tăng lên lại 900 W/m2 Hình 27 Cơng suất hệ thống khơng có giải tḥt MPPT Cơng suất lớn thời điểm: Hình 25 Điện áp đầu vào biến đổi DC/DC không dùng giải thuật MPPT Giá trị điện áp trung bình đầu vào hình 25  Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V = 144,1 V  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V = 129.6 V  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V = 138.5 V  Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: P = 1112 W  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: P = 910 W  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: P = 1011 W Ta tính hiệu suất hệ thống 𝐼 ×𝑉𝑃𝑉 sau:  = 𝑃𝑉 x100% 𝑃 𝑀𝑃𝑃 Công suất đo thời điểm chiếu nắng hình 26  Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: P = 1083 W, = 97%  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: P = 875.6 W, = 96%  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: P = 1001 W, = 99% 4.2 Mô hệ thống pin quang điện biến đổi Boost có sử dụng thuật tốn MPPT: Để khảo sát khả truy bắt điểm làm việc tối ưu hệ thống ta cài giá trị cường độ ánh sáng đầu vào hệ thống pin mặt trời ban đầu cho 1000 W/m2 đến thời điểm 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng 800 W/m2 tiếp sau 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng tăng lên lại 900 W/m2 thời gian lấy mẫu mơ từ 0s đến 1.2s Thuật tốn P&O mơ Matlab/Simulink đưa hình 28 Hình 31 Điện áp đầu biến đổi Boost mạch có giải thuật MPPT Giá trị điện áp đầu hình 31:  Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V = 288 V  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V = 261 V  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V = 275 V Hình 28 Mơ hình mơ mạch DC/DC có giải tḥt điều khiển MPPT Trong MPPT, khoảng lấy mẫu dùng D=0.01 Hình 32 Cơng suất phát Pin mặt trời dùng MPPT Giá trị cơng suất hình 32 đo được:  Hình 29 Mơ hình mơ tḥt toán MPPT dùng giải thuật P&O Kết thu điện áp đầu đầu vào biến đổi Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: P = 1100 W, = 98.9%  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: P = 899.8 W, = 98.9%  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: P = 1000 W, = 98.9% Mô tỷ số điều chế D đưa vào MPPT thể hình 33 Hình 30 Điện áp đầu vào biến đổi Boost mạch có giải thuật MPPT Giá trị điện áp đầu vào hình 30:  Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V = 137.5 V  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m : V = 139.7 V  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V = 138.4 V PPVmax PPV Hình 33 Tỷ số chu kỳ D tḥt tốn P&O tính tốn Tỷ số chu kỳ D hình 33 điều chỉnh  10 Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: D = 0.5194  Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: D = 0.4559 on the optimization of directly coupled PV pumping systems Solar Energy 2004; 77:81– 93 [5] Diarra DC Solar photovoltaic in Mali: potential and constraints Energy Conversion and Management 2002; 43:151–63 [6] Mahmoud E, El Nather H Renewable energy and sustainable developments in Egypt: photovoltaic water pumping in remote areas Energy 2003; 74:141–7 [7] Meah K, Ula S, Barrett Sk "Solar photovoltaic water pumping-opportunities and challenges." Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008; 12:1162–75 [8] M Liserre, T Sauter, and J Y Hung, "Future Energy Systems: Integrating Renewable Energy Sources into the Smart Power Grid Through Industrial Electronics," IEEEIndustrial Electronics Magazine, vol 4, pp 18, 2010 [9] V Mapurunga Caracas, G De Carvalho Farias, L F Moreira Teixeira, and L A De Souza Ribeiro, "Implementation of a HighEfficiency, High-Lifetime, and Low-Cost Converter for an Autonomous Photovoltaic Water Pumping System," IEEE Transactions on Industry Applications, vol 50, pp 631 641, 2014 [10] Habbati Bellia, Ramdani Youcef and Moulay Fatima "A detailed modeling of photovoltaic module using MATLAB", Received 13 June 2013; revised 14 February 2014; accepted April 2014, Available online 16 May 2014 [11] Nguyễn Văn Nhờ Điện tử công suất NXB Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2015, tr 202 [12] NASA Surface meteorology and Solar Energy – Location: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgibin/sse/grid.cgi?email=skip@larc.nasa.gov, 16/07/2016 [13] Bosch c-Si M60 NA42117 245W (245W) Solar Panel: http://www.solardesigntool.com/components module-panelsolar/Bosch/3695/c-Si-M60NA42117-245W/specification-data-sheet.html, 20/07/2016 [14] Nguyễn Phùng Quang MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2004  Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: D = 0.4929 Tỷ số D cơng suất 1000 W/m2 MPPT tính tốn gần sát với kết tính ta Khi có thay đổi độ chiếu nắng MPPT thuật tốn nhanh chóng đáp ứng thay đổi Như vậy, báo mơ kiểm chứng dịng điện điện áp đầu với kết lý thuyết Kết hợp với giải thuật bám điểm công suất cực đại qua mạch mô ta điện áp đầu đưa ổn định hiệu cao Kết luận: Trong báo tác giã tiếp cận cách thức lựu chọn công suất pin lương mặt trời, tính tốn cho biến Boost DC/ DC cụ thể cho tải Kiểm chứng ứng dụng mạch Boost DC/DC cho pin mặt trời Sử dụng thuật tốn P&O dị tìm điểm cơng suất cực đai MPPT kết thu hiệu suất chuyển đổi lượng pin lên đến 99% đáp ứng hệ thống nhanh Qua mô hệ thống điều sử dụng điều khiển xung PWM Sử dụng thuật tốn P&O dị tìm điểm cơng suất cực đai MPPT điều khiển trực tiếp chu ky D ta thấy thiết phải có MPPT để điều khiển Boost DC/DC ứng dụng cho pin lượng mặt trời Kết thu từ đề tài làm sở lý thuyết cho cơng trình nghiên cứu sau điều khiển cho biến đổi công suất DC-DC (Buck-Boost, Flyback…) đến nghiên cứu hệ thống sử dụng thực tế sống TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] European Commission, DG Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit PV status report 2006 Ispra, Italy; 2006 EUR 22346 EN Available from: http://re.jrc.ec.europa.eu/solarec/index.htm [2] Jager-Waldau A Photovoltaics and renewable energies in Europe Renewable and Sustainable Energy Reviews2007;11:1414–37 [3] Al-Karaghouli A, Al-Sabounchi AM A PV pumping system Applied Energy 2000; 65:231–8 [4] Firatoglu ZA, Yesilata B New approaches 11 Xác nhận Giảng viên hướng dẫn Tác giả chịu trách nhiệm viết: Họ tên: Trần Văn Diễn Đơn vị: Trường CĐN CNC Đồng Nai Điện thoại: 0901552498 Email: trandien.nqtech@gmail.com ( Ký & ghi rõ họ tên ) PGS.TS Nguyễn Minh Tâm 12 S K L 0 ... 48 4.3.3 Bộ biến đổi DC- DC Boost pin mặt trời 49 4.3.4 Bộ biến đổi MPPT DC- DC Boost pin mặt trời 50 4.3.5 Bộ biến đổi DC- DC PSO Boost 54 4.3.6 Bộ biến đổi DC- DC PSO MPPT...BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ TRẦN VĂN DIỄN NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/ DC TĂNG ÁP ỨNG DỤNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT... sát, tính tốn lựu chọn biến đổi DC/ DC tăng áp (Boost DC/ DC converter) ứng dụng pin lượng mặt trời  Điều khiển biến đổi DC/ DC thuật tốn bám điểm cơng suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D để