Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện

Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện Nghiên cứu dò tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện

TÓM TẮT Trong giai đoạn bùng nổ khai thác sử dụng lượng tái tạo, lượng mặt trời (công nghệ quang điện) mở rộng mạnh mẽ việc khai thác sử dụng nơi giới Điều cần thiết là, trích xuất lượng điện tối đa từ pin quang điện (PV) mà không bị ảnh hưởng, thay đổi xạ suốt ngày dài Nhưng điều kiện che bóng phần, sản lượng điện mảng PV giảm mạnh hiệu suất giảm, độ phức tạp tăng chi phí tăng Luận văn tiếp cận “cấu trúc mạng PV đại” phương pháp Micro DC-DC converter sử dụng giải thuật dị tìm PSO, mơ phần mềm Psim với mục tiêu thu công suất cực đại hệ thống PV, điều kiện xạ thay đổi Các trường hợp mô phổng: Bức xạ PV giá trị; Bức xạ PV giá trị khoảng; Bức xạ PV có giá trị khác nhau; Bức xạ PV có giá trị khác khoảng Kết mô phổng so sánh với cấu trúc nối tiếp, cấu trúc song song hệ thống PV với giải thuật thông số xi ABSTRACT During the booming period in the exploitation and use of renewable energy, solar energy (photovoltaic technology) has been strongly expanded in exploitation and use everywhere in the world Extracting the maximum amount of power from photovoltaic (PV) cells without being affected by radiation changes throughout the day is quite necessary Besause of the partially shaded condition, PV array's power output plummets so that efficiency falls, complexity and cost increase This thesis approaches "modern PV network structure" by Micro DC-DC converter method using PSO detection algorithm which was simulated by Psim software with the goal of obtaining the maximum power of PV system when radiation conditions changed Simulation cases: Radiation of PVs have the same value; Radiation of PVs change in the same value range; The radiation of PVs have different values; The radiation of PVs have different value ranges The result of simulations are compared with the serial structure, parallel structure of PV system with the same algorithm and parameters xii MỤC LỤC QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI i LÝ LỊCH KHOA HỌC viii LỜI CAM ĐOAN ix LỜI CẢM ƠN x TÓM TẮT xi DANH MỤC CÁC BẢNG xv DANH MỤC CÁC HÌNH xvi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Các lĩnh vực - kết nghiên cứu nước 1.3 Mục tiêu luận văn 1.4 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu luận văn 1.5 Phương pháp nghiên cứu 1.6 Kết luận văn 1.7 Giá trị thực tiễn luận văn 1.8 Bố cục luận văn bao gồm CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN 2.1 Tổng quan pin quang điện 2.1.1 Cấu tạo 2.1.2 Nguyên lý hoạt động pin quang điện 2.2 Hệ thống lượng mặt trời 2.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 11 2.4 Điểm làm việc cực đại pin quang điện 16 2.5 Sơ đồ khối hệ thống MPPT 19 2.6 Bộ chuyển đổi DC-DC Converter 19 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG PHƯƠNG PHÁP DỊ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA QUANG ĐIỆN 29 xiii 3.1 Phương pháp đề xuất 29 3.1.1 Hệ thống quang điện cầu H xếp tầng (Cascaded H-Bridge) CHB 29 3.1.2 Cấu trúc chuyển đổi DC-DC với phương pháp điều khiển trực tiếp 30 3.1.3 Bộ nghịch lưu PV đa cấp để điều khiển MPPT độc lập 30 3.1.4 Bù nối tiếp-song song 31 3.1.5 Bộ chuyển đổi DC-DC xếp tầng xen kẽ điều chỉnh 32 3.2 Mô tả hệ thống dị tìm 33 3.3 Phương pháp dị tìm điểm công suất cực đại 34 3.3.1 Phương pháp PSO (Particle swarm optimization) 37 3.3.2 Giải thuật PSO 38 CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 41 4.1 Xây dựng mơ hình dị tìm Psim 41 4.2 Kết mô Psim điều kiện xạ không đổi 42 4.2.1 Khi xạ đồng PV 42 4.2.2 Khi xạ PV có giá trị đồng khoảng 45 4.3 Khi xạ PV thay đổi (bị bóng che) 48 4.3.1 Khi xạ PV đặt bảng 4.3 48 4.3.2 Khi xạ PV thay đổi khoảng 51 CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN LUẬN VĂN 57 5.1 Kết luận 57 5.2 Hướng phát triển luận văn 58 TÀI LIỆU THAM KHẢO 59 PHỤ LỤC 67 xiv DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Bảng tổng hợp kết dò tìm sử dụng thuật tốn 36 Bảng 4.1: Bảng tổng hợp kết xạ không đổi PV 44 Bảng 4.2: Bảng tổng hợp kết xạ không đổi khoảng PV 48 Bảng 4.3: Bức xạ mô PV 48 Bảng 4.4: Bảng tổng hợp kết xạ thay đổi PV 51 Bảng 4.5: Bức xạ mô PV 52 Bảng 4.6: Bảng tổng hợp kết xạ thay đổi PV 54 Bảng 4.7: Tổng hợp kết mô củả hệ thống PV trường hợp xạ đồng bị bóng che 55 xv DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1: Bức xạ lượng mặt trời trung bình theo tháng vùng Việt Nam Hình 2.1: Cấu tạo pin quang điện Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động pin quang điện Hình 2.3: Hiện tượng quang điện tiếp giáp P - N Hình 2.4: Sơ đồ tổng thể hệ thống lượng mặt trời Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý PV mắc nối tiếp 10 Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý PV mắc song song 10 Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý PV mắc nối tiếp, song song 11 Hình 2.8: Mơ hình PV lý tưởng hở mạch 11 Hình 2.9: Mơ hình PV lý tưởng ngắn mạch 12 Hình 2.10: Sơ đồ tương đương pin mặt trời 12 Hình 2.11: Sơ mạch điện lý tưởng pin quang điện 14 Hình 2.12: Sơ đồ mạch tương đương pin mặt trời mắc nối tiếp, song song 14 Hình 2.13: Đường cong đặc tuyến V - I pin quang điện phụ thuộc vào cường độ xạ 15 Hình 2.14: Đường cong đặc tuyến P - V pin quang điện phụ thuộc vào nhiệt độ 15 Hình 2.15 Đặc tuyến I-V, P-V pin quang điện với điểm cơng suất cực đại 16 Hình 2.16: Các điểm MPP điều kiện môi trường thay đổi 16 Hình 2.17: Sơ đồ nguyên lý PV điểm làm việc cực đại điều kiện môi trường thay đổi 17 Hình 2.18: Đồ thị mối tương quan P-V có tượng bóng che 18 Hình 2.19: Đồ thị mối tương quan P-V môi trường đồng có tượng bóng che 18 Hình 2.20: Sơ đồ khối hệ thống MPPT tiêu biểu 19 Hình 2.21: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck converter 20 Hình 2.22: Dạng sóng điện áp dịng điện mạch Buck 21 xvi Hình 2.23: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost converter 23 Hình 2.24: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost converter S đóng 23 Hình 2.25: Dạng sóng điện áp dịng điện S đóng 24 Hình 2.26: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost converter S mở 24 Hình 2.27: Dạng sóng điện áp dòng điện S mở 25 Hình 2.28: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck -Boost converter 26 Hình 3.1: Cấu trúc liên kết hệ thống quang điện CHB 30 Hình 3.2: Cấu trúc liên kết biến tần PV đa cấp 31 Hình 3.3: Cấu trúc liên kết chuyển đổi DC-DC xếp tầng xen kẽ 32 Hình 3.2: Sơ đồ khối ngun lý dị tìm pin độc lập 34 Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật PSO 40 Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý cấu hình dị tìm Psim 41 Hình 4.2: Đường đặc tuyến P-V PV mắc nối tiếp 42 Hình 4.3: Dạng sóng kết mơ dị tìm PV nối tiếp 43 Hình 4.4: Đường đặc tuyến P-V PV mắc song song 43 Hình 4.5: Dạng sóng kết mơ dị tìm PV song song 44 Hình 4.6: Dạng sóng kết mơ dị tìm PV độc lập 44 Hình 4.7: Đường đặc tuyến P-V PV mắc nối tiếp 45 Hình 4.8: Dạng sóng kết mơ dị tìm PV nối tiếp 46 Hình 4.9: Đường đặc tuyến P-V PV mắc song song 46 Hình 4.10: Dạng sóng, kết mơ PV mắc song song 47 Hình 4.11: Dạng sóng, kết mô PV mắc độc lập 47 Hình 4.12: Đường đặc tuyến P-V mắc nối tiếp 49 Hình 4.13: Dạng sóng, kết mơ PV mắc nối tiếp 49 Hình 4.14: Đường đặc tuyến P-V PV mắc song song 50 Hình 4.15: Dạng sóng, kết mô PV mắc song song 50 Hình 4.16: Dạng sóng, kết mô PV độc lập 51 Hình 4.17: Đường đặc tuyến P-V PV mắc nối tiếp 52 xvii Hình 4.18: Dạng sóng, cơng suất cực đại thu PV nối tiếp 53 Hình 4.19: Đường đặc tuyến P-V PV mắc song song 53 Hình 4.20: Dạng sóng, cơng suất cực đại thu PV song song 54 Hình 4.21: Dạng sóng, công suất cực đại thu PV mắc độc lập 54 xviii CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề Khai thác lượng tái tạo xu hướng chung giới để thay nguồn lượng hóa thạch vốn dần cạn kiệt, nữa hạn chế biến đổi đến mức cực đoan khí hậu Nguồn lượng đầu tư phát triển nhanh những năm gần với những thành ấn tượng số quốc gia có Việt Nam Nhưng nhìn chung lượng tái tạo cịn khiêm tốn tranh tổng thể lượng toàn cầu Với phát triển khoa học kỹ thuật cơng nghiệp nguồn lượng hóa thạch gần hết tương lai gần Năng lượng quan tâm khai thác giới nằm những nguồn này, mà những nguồn lượng tái tạo (renewable energy), ví dụ lượng gió thủy Nhưng tổng cộng dự trữ tất nguồn khác (trong chủ yếu gió) khoảng phần trăm nguồn dự trữ lượng mặt trời Vì lượng mặt trời khai thác sử dụng chủ yếu giới Ở Việt Nam dự án nguồn thủy điện lớn khai thác tối đa, dự án nhiệt điện than phải đối mặt với áp lực mơi trường việc phát triển nguồn lượng tái tạo, có lượng mặt trời, hướng Theo Hiệp hội Năng lượng Việt Nam, nước ta những quốc gia có ánh nắng mặt trời nhiều biểu đồ xạ mặt trời giới Hình 1.1: Bức xạ lượng mặt trời trung bình theo tháng vùng Việt Nam Với mục tiêu nâng công suất nguồn điện mặt trời từ mức không đáng kể lên khoảng 850 MW vào năm 2020, khoảng 4.000 MW vào năm 2025 khoảng 12.000 MW đến năm 2030 Như vậy, theo lộ trình này, từ đến năm 2020, năm phải xây dựng dự án điện mặt trời với công suất 200 MW; từ năm 2020 - 2025, năm phải lắp đặt 600 MW năm tiếp theo, năm phải lắp đặt 1.600 MW đạt kế hoạch đề Hiện nước có khoảng 30 nhà đầu tư bắt đầu xúc tiến lập dự án điện mặt trời có cơng suất từ 20 đến 300 MW số địa phương, tập trung chủ yếu khu vực miền Trung Trong đáng ý dự án Công ty Đầu tư Xây dựng Thiên Tân (tại tỉnh Quảng Ngãi Ninh Thuận) dự án Tuy Phong Công ty TNHH DooSung Vina (Hàn Quốc) đầu tư với quy mô 66 triệu USD, công suất 30 MW tỉnh Bình Thuận Industrial Electron Conf; 2014 p 5612–7 http://dx.doi.org/10.1109/IECON 2014.7049359 [38] Peter PK, Agarwal V On the input resistance of a reconfigurable switched capacitor DC-DC converter-based maximum power point tracker of a photovoltaic source IEEE Trans Power Electron 2012;27:4880–93 http://dx.doi.org/10.1109/ TPEL.2012.2192452 [39] Jiang S, Cao D, Li Y, Peng FZ Grid-connected boost-half-bridge photovoltaic microinverter system using repetitive current control and maximum power point tracking IEEE Trans Power Electron 2012;27:4711–22 http://dx.doi.org/ 10.1109/TPEL.2012.2183389 [40] Wu TF, Kuo CL, Sun KH, Chen YK, Chang YR, Lee Y Der Integration and operation of a single-phase bidirectional inverter with two buck/boost MPPTs for DC-distribution applications IEEE Trans Power Electron 2013;28:5098–106 http:// dx.doi.org/10.1109/TPEL.2013.2245681 [41] Safari A, Mekhilef S Simulation and hardware implementation of incremental conductance MPPT with direct control method using cuk converter IEEE Trans Ind Electron 2011;58:1154–61 http://dx.doi.org/10.1109/TIE.2010.2048834 [42] Mamarelis E, Petrone G, Spagnuolo G Design of a sliding-mode-controlled SEPIC for PV MPPT applications IEEE Trans Ind Electron 2014;61:3387–98 http:// dx.doi.org/10.1109/TIE.2013.2279361 [43] Lee JH, Park JH, Jeon JH Series-connected forward-flyback converter for high step-up power conversion IEEE Trans Power Electron 2011;26:3629–41 http:// dx.doi.org/10.1109/TPEL.2011.2162747 64 [44] Lodhi E, Shafqat RN, Kerrouche KDE, Lodhi Z Application of particle swarm optimization for extracting global maximum power point in PV system under partial shadow conditions Int J Electron Electr Eng 2017;5(3):223–9 [45] Kaced K, Larbes C, Ait-Chikh SM FPGA implementation of PSO based MPPT for PV systems under partial shading conditions In: Proceedings of the 6th international conference on systems and control Batna, Algeria; 7–9 May 2017 p 150–5 [46] Ram JP, Rajasekar N A new robust, mutated and fast tracking LPSO method for solar PV maximum power point tracking under partial shaded conditions Appl Energy 2017;201:45–59 [47] Gavhane PS, Krishnamurthy S, Dixit Ridhima, Ram JP, Rajasekar N EL-PSO based MPPT for solar PV under partial shaded condition Energy Procedia 2017;117:1047–53 [48] Chao RM, Nasirudin A, Wang IK, Chen PL Multicore PSO operation for maximum power point tracking of a distributed photovoltaic system under partially shading [49] Sawant PT, Bhattar PCL, Bhattar CL Enhancement of PV system based on artificial bee colony algorithm under dynamic conditions In: Proceedings of the IEEE international conference on recent trends in electronics information communication technology India; 20–21 May 2016 p 1251–5 [50] Brindha SG, Madhumitha R, Aravind C Maximum power point tracking for PV array based on ant colony optimization under uniform and non-uniform irradiance Int J Intellect Adv Res Eng Comput 2017;5(2):1277–82 [51] Titri S, Larbes C, Toumi KY, Benatchba K A new MPPT controller based on the ant colony optimization algorithm for photovoltaic systems under partial shading conditions Appl Soft Comput 2017;58:465–79 [52] Shenbagaramalakshmi S, Punitha K Soft computing technique based MPPT algorithms for photovoltaic system Int J Adv Res Electr Electron Instrum Eng 2017;6(1):131–9 65 [53] Lyden S, Haque MDE A simulated annealing global maximum power point tracking approach for PV modules under partial shading conditions IEEE Trans Power Electron 2016;31(6):4171–81 [54] Wang F, Zhu T, Zhuo F, Yi H, Fan Y Enhanced simulated annealing-based global MPPT for different PV systems in mismatched conditions J Power Electron 2017;17(5):1327–37 [55] Oshaba AS, Ali ES, Abd-Elazim SM BAT algorithm: a novel approach for MPPT control design of PV generator supplied SRM Int J Electr Eng 2015;15(1):293–302 [56] Oshaba S, Ali ES, Abd Elazim SM PI controller design for MPPT of photovoltaic system supplying SRM via BAT search algorithm; 28(4); 2017 p 651–67 [57] Kaced K, Larbes C, Ramzan N, Bounabia M, Dahmane ZE Bat algorithm based maximum power point tracking for photovoltaic system under partial shading conditions Sol Energy 2017;158:490–503 [58] www.pinmattroi.com 66 PHỤ LỤC Chương trình giải thuật 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 200 #define MxLp 100 #define c1 0.1 #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] = {0.2*R, 0.5*R, 0.8*R, 0.85*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}; static float G = 0; static int Dm = 0; if (D[j] > 0.85*R) D[i] = 0.85*R; else if (D[j] < 0*R) D[j] = 0*R; if (k