(Đồ án tốt nghiệp) cải tiến giải thuật po dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN ĐIỆN TỬ CẢI TIẾN THUẬT P&O DÒ ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI GVHD: TRƯƠNG VIỆT ANH SVTH: LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG MSSV: 14142348 SKL006464 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2018 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP CẢI TIẾN GIẢI THUẬT P&O DÒ ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PIN MẶT TRỜI SVTH : LƯƠNG XUÂN TRƯỜNG MSSV : 14142348 KHOÁ: 2014 NGÀNH: CNKT ĐIỆN – ĐIỆN TƯ GVHD: PGS.TS TRƯƠNG VIỆT ANH Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2018 CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc *** Tp Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng năm 2018 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP MSSV: 14142348 Lớp: 14142CL1 ĐT: 0913117659 Ngày nộp đề tài: 16/7/2018 Họ tên sinh viên: Lương Xuân Trường Ngành: CNKT Điện – Điện tư Giảng viên hướng dẫn: Trương Việt Anh Ngày nhận đề tài: 5/3/2018 Tên đề tài: Cải tiến giải thuật P&O dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời Các số liệu, tài liệu ban đầu: − Tài liệu thuật tốn dò điểm cơng śt cực đại − Giáo trình điện tư công suất Nội dung thực hiện đề tài: − Nghiên cứu phương pháp dò điểm cực đại cho pin mặt trời đề xuất cải tiến giải thuật − cải tiến dò điểm công suất cực đại thành mô hình lượng mặt trời nối bus DC − Thi công thực nghiệm mô hình, giải thuật đã đề xuất Sản phẩm: Giải thuật mô hình TRƯỞNG NGÀNH i GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên hướng dẫn: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: .) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên) ii CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh Phúc ******* PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN Họ tên Sinh viên: MSSV: Ngành: Tên đề tài: Họ tên Giáo viên phản biện: NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện: Ưu điểm: Khuyết điểm: Đề nghị cho bảo vệ hay không? Đánh giá loại: Điểm:……………….(Bằng chữ: ) Tp Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 20… Giáo viên phản biện (Ký & ghi rõ họ tên) iii LỜI CẢM ƠN  Lời đầu tiên, em xin gưi lời cảm ơn chân thành tới thầy PGS.TS Trương Việt Anh đã tận tình hướng dẫn trình thực hiện đồ án Xin cảm ơn thầy TS Trần Quang Thọ phòng Thí nghiệm Năng lượng tái tạo & Hệ thống điện đã tạo điều kiện thiết bị giúp em hồn chỉnh mơ hình Cảm ơn Thầy cô khoa Điện – Điện tư khoa Đào tạo chất lượng cao trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TPHCM đã hỗ trợ em rất nhiều trình học tập tại trường Cuối cùng em xin cảm ơn cha mẹ, người thân đã ở bên động viên em suốt thời gian qua Sinh viên Lương Xuân Trường iv TÓM TẮT Nhu cầu lượng ngày tăng lên tác động của việc gia tăng dân số sự phát triển hoạt động kinh tế Tuy nhiên, nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt Đồng thời, việc sư dụng nhiều nhiên liệu đốt gây vấn đề lớn môi trường hiệu ứng nhà kính, ô nhiễm không khí… Thế giới có xu hướng khai thác nguồn lượng tái tạo (NLMT, gió, địa nhiệt sinh khối) chúng thân thiện với môi trường không bị cạn kiệt Trong đó, NLMT được sư dụng phổ biến nhất vì ánh sáng mặt trời có sẵn nơi Hệ thống điện mặt trời hiện có dạng: sư dụng nhiệt mặt trời hoặc pin quang điện (PV) Các tấm pin mặt trời biến đổi trực tiếp ánh sáng mặt trời thành lượng điện dựa vào hiện tượng quang điện Trong điều kiện thực tế ở nước ta hiện nay, chi phí phát điện của hệ thống còn rất lớn so với lượng truyền thống, chúng chủ yếu được dùng độc lập với lưới điện quốc gia Các hệ thống thường được cấu trúc thành lưới điện độc lập hoặc phối hợp với nguồn lượng khác gió hay diesel Nội trở của hệ thống pin có trị số lớn đáng kể phụ thuộc vào điều kiện môi trường (chủ yếu bức xạ nhiệt độ) Vì vậy, công suất tấm pin phụ thuộc vào sự tương quan điện trở tải nội trở nguồn Để đạt được công suất cực đại, biến đổi điện áp DC được ứng dụng với nhiều thuật toán khác để dò điểm cực đại Trong luận văn này, giải thuật được phát triển tư giải thuật P&O được đề xuất giúp tăng tốc độ dò điểm cực đại giảm sự dao động điện áp tải Để lưới điện mặt trời có thể hoạt động hiệu quả, bus DC được sư dụng việc kết nối hệ thống điện lại với Bài toán đặt ở để có thể vưa ổn định điện áp bus DC công suất phát hoặc tải thay đổi vưa có thể tận dụng được công suất cực đại lấy tư tấm pin Đã có nhiều phương án được đề xuất Luận văn đề xuất kết hợp hệ thống với nguồn dự phòng (acquy) qua mạch biến đổi điện áp chiều (Bidirectional) v MỤC LỤC NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii LỜI CẢM ƠN iv TÓM TẮT v MỤC LỤC vi DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT viii DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, BẢNG, BIỂU ĐỒ ix CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu 1.2 Các nghiên cứu liên quan 1.2.1 Dò điểm công suất cực đại cho pin mặt trời 1.2.2 Nâng cao hiệu nối lưới của pin lượng mặt trời 1.2.3 Tăng hiệu suất sư dụng bằng nguồn hybrid 1.3 Nhiệm vụ phạm vi nghiên cứu 1.4 Phương pháp nghiên cứu 1.5 Điểm của luận văn CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Pin mặt trời, cấu tạo nguyên lý hoạt động 2.1.1 Cấu tạo 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 2.1.3 Phân loại pin mặt trời 10 2.1.4 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 10 2.2 Bộ chuyển đổi DC-DC Converter 15 2.2.1 Mạch buck 15 2.2.2 Mạch boost 18 2.2.3 Mạch Buck – Boost: 19 2.3 Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời MPP 20 2.4 Các phương pháp phổ biến dò tìm điểm công suất cực đại pin mặt trời .21 2.4.1 Phương pháp điện áp hằng số 21 2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) 22 vi 2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance) 24 CHƯƠNG 3: PHƯƠNG TRÌNH TOÁN 26 3.1 Cải tiến giải thuật P&O 26 3.2 Cấu hình bus DC 28 3.2.1 Đề xuất mô hình 28 3.2.2 Điều khiển ổn áp 29 3.2.3 Đề xuất giải thuật điều khiển bus DC 30 3.3 Xác định yêu cầu thiết kế 30 3.3.1 Thông số kỹ thuật 31 3.3.2 Dòng điện lớn nhất khóa điện 31 3.3.3 Cuộn cảm 31 3.3.4 Chọn diode chỉnh lưu 32 3.3.5 Chọn tụ điện 32 3.3.6 Mạch kích cho Boost DC 33 3.3.7 Mạch kích cho Bi – Directional 34 3.3.8 Thiết kế mạch đo lường 35 3.3.9 Mạch lọc thông thấp 36 CHƯƠNG 4: MÔ HÌNH HỆ THỐNG 37 4.1 Bộ mô phỏng pin lượng mặt trời 37 4.2 Mạch Boost DC 38 4.3 Bộ biến đổi điện áp hướng 39 4.4 Module giảm áp DC – DC 39 4.5 Cảm biến dòng điện ACS712 20A 40 4.5 IC giải mã 74HC238 40 4.6 Bộ điều khiển trung tâm 41 4.7 Phụ tải 41 4.8 Thi công mạch in 41 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM 43 5.1 Kết mô phỏng 43 5.1.1 Kết mô phỏng MPPT 43 5.1.2 Kết mô phỏng Bus DC 50 vii 5.2 Kết thực nghiệm 51 5.2.1 Dạng sóng điện áp linh kiện: 51 5.2.2 Khảo sát hiệu suất của mạch: 53 5.2.3 Khảo sát hiệu suất dò MPPT: 53 5.2.4 Khảo sát mô hình bus DC: 54 CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 54 6.1 Kết luận 54 6.2 Hướng phát triển 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO PHỤ LỤC: chương trình arduino DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT PV: Photovoltalic MPP: Maximum Power Point MPPT: Maximum Power Point Tracking DC: Direct Current AC: Alternate Current P&O: Perturb and Observe INC: Incremental Conductance PID: Proportional-Integral-Derivative MOSFET: Metal-Oxide Semiconductor Field Effect Transistor viii Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Kết mô phỏng thu được lúc có thay đổi bức xạ cho thấy tương đồng với phân tích giải thuật Đồng thời, giống với phân tích lý thuyết, tại thời điểm thay đổi bức xạ, nội trở của tấm pin giảm xuống nên cần phải tăng độ rộng xung 5.1.2 Kết quả mô phỏng Bus DC Mô hình PSIM mô phỏng bus DC ở trạng thái thiếu công suất đủ công suất Hình 5.8 mô tả dạng sóng công suất tấm pin, điện áp bus DC dòng điện acquy: (a) (b) (c) Hình 8: Dạng sóng mô phỏng bus DC (a) Công suất tấm pin, (b) Điện áp bus DC, (c) dòng điện qua acquy 50 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Giải thích quy trình hoạt động của mạch: Công suất định mức bus DC: Pđm = 153,6 (W) Tại t = 0, cường độ bức xạ S = 1000W/m , PMPP = 200W, công suất dư 46,4W Dòng acquy tại S = 1000W/m : Ibat = P/U =46,4/24 = 1,93 (A) Tại t = 0,15s, cường độ bức xạ S = 600W/m , PMPP = 120W, bị thiếu 33,6W Dòng acquy tại S = 600W/m : Ibat = P/U = -33,6/24 = -1,4 (A) Dấu “-“ biểu thị dòng tư Acquy lên bus DC Những kết thu được hình 5.8 cho thấy độ ổn định của bus DC phụ thuộc chủ yếu vào điều khiển ổn áp So với chỉ chạy MPPT, tốc độ xác lập của mạch chậm (thời gian xác lập 0,05s so với 0,02s MPPT) Ngoài ra, trình độ mạch dao động tương đối mạnh sư dụng khối tích phân Tại thời điểm 0,15s công suất tấm pin giảm xuống thấp công suất định mức nên acquy bơm thêm công suất lên bus DC, dòng điện tại acquy đảo chiều giống đề xuất lý thuyết 5.2 Kết quả thực nghiệm 5.2.1 Dạng sóng điện áp linh kiện: Các hình Lần lượt trình bày dạng sóng điện áp đo được tại cực G cực D của MOSFET (VGS VDS), điện áp vào điện áp của mạch hoạt động ổn định ở công suất 200W Hình 9: Dạng sóng điện áp cực G của MOSFET 51 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Hình 10: Dạng sóng điện áp VDS Hình 11: Dạng sóng điện áp 52 5.2.2 Khảo sát hiệu suất mạch: Hiệu suất của tăng áp phụ thuộc vào công suất được biểu thị hình 5.12 Khi công suất lớn thì hiệu suất mạch giảm tổn hao tỉ lệ thuận với bình Hiê u suât (%) phương dòng điện theo công thức P = RI 5.2.3 Khảo sát hiệu suất dị MPPT: Bộ mơ hình thực nghiệm dùng để khảo sát hiệu suất trình dò điểm công suất cực đại gồm mạch boost DC nối với tải trở lấy nguồn tư mô phỏng pin mặt trời Công suất cực đại của nguồn 200W cường độ bức xạ thay đổi tư 700 lên 1000W/m Quá trình MPPT được ghi lại máy tính, tư đó ta có đồ thị hình 5.12: Quá trình dò MPPT 200 150 Giải thuật đề xuất 100 P&O 50 Pmax 30 28 26 24 22 20 18 16 14 12 10 CÔNG SUÂT (W) 250 THỜI GIAN (S) Hình 13: Thực nghiệm trình dò MPPT 53 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh 5.2.4 Khảo sát mô hình bus DC: Điểm làm việc của bus DC ổn áp tại 48V, công suất tải lúc 70W, acquy nhận công suất 30W: Hình 14: Kết thực nghiệm bus DC CHƯƠNG : KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Qua trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, với kết đạt được có thể rút được kết luận sau: Về ưu điểm: Tìm hiểu được cấu tạo nguyên lý hoạt động của pin mặt trời, cách nối lưới hệ thống pin mặt trời Khảo sát được yếu tố ảnh hưởng đến điện áp, dòng điện công suất của pin mặt trời Tìm hiểu được nguyên lý của giải thuật dạng leo dốc đề xuất phương pháp cải tiến hiệu suất của giải thuật Xây dựng, cải tiến dò điểm cực đại thành biến đổi điện áp nối với bus DC 54 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh Thực nghiệm thành công mô hình hệ thống bus DC Qua đó khảo sát được hoạt động của mạch ở chế độ khác Tuy nhiên, mô hình còn tồn tại số ưu điểm cần phải cải thiện: Về phần cứng: So với biến đổi đã được nghiên cứu thế giới, hiệu suất của mạch còn thấp giới hạn tần số của MOSFET Ngoài ra, thiết kế chưa phối hợp tối ưu yếu tố: tần số đóng cắt, điện trở điện cảm cuộn cảm Về giải thuật dò điểm cực đại: Giải thuật dò điểm cực đại dược dựa giải thuật P&O nên mang khuyết điểm chung của giải thuật dạng leo dốc, đó chưa giải quyết được hiện tượng bóng che Yêu cầu độ chính xác của mạch đo lường cho giải thuật cũng cao so với P&O Về phương pháp điều khiển bus DC: Vẫn chưa áp dụng được điều khiển PID cho mạch bi – directional điều khiển ổn áp nên trình xác lập của mạch còn chậm chưa chính xác nữa, chương trình chính thực hiện chạy luân phiên giải thuật MPPT ổn áp nên cũng góp phần làm giảm tốc độ xác lập độ chính xác của điều khiển 6.2 Hướng phát triển Do thời gian kiến thức có hạn nên mô hình luận văn còn tồn tại hạn chế đã nêu kết luận Dựa vào kết luận, viết đưa số hướng giải quyết sau: Cải thiện hiệu śt mạch: Tính tốn tối ưu thơng số của linh kiện giảm thiểu tổn thất dây dẫn tổn thất nội trở của linh kiện Mặt khác, có thể ứng dụng kĩ thuật chuyển mạch mềm nhằm hạn chế tổn thất chuyển mạch khóa điện Khắc phục vấn đề bóng che: hiện có cách khắc phục – bằng phần mềm bằng phần cứng Giải quyết bằng phần cứng tức thu gọn mạch biến đổi điện áp tích hợp vào tưng tấm pin, đó ứng với mỗi biến đổi chỉ có điểm cực trị Tuy nhiên, phương pháp còn gặp khó khăn chi phí cần phải đồng tất biến đổi điện áp Còn nếu dùng phần mềm, số giải thuật đã được đề xuất giải thuật G.A, giải thuật đàn kiến, fuzzy logic… Tuy nhiên chúng phức tạp rất nhiều so với giải thuật truyền thống độ tin cậy của giải thuật chưa được cao, số giải thuật phải kết hợp với việc dùng P&O Tối ưu hóa điều khiển ổn áp: Áp dụng điều khiển PID cho mạch bi – directional điều khiển ổn áp Trong trường hợp này, cần phải lưu ý quán tính của chế độ Buck Boost khác nên cần phải lưu ý khảo sát lựa chọn hệ số K tại mỗi chế độ 55 Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] V.C Kotak, Preti Tyagi (2013), “DC To DC Converter in Maximum Power Point Tracker”, International Journal of Advanced Research in Electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, Vol 2, Issue 12 [2] Haidar Islam, Saad Mekhilef, Noraisyah Binti Mohamed Shah, Tey Kok Soon, Mehdi Seyedmahmousian, Ben Horan and Alex Stojcevski (2018), “Performance Evaluation of Maximum Power Point Tracking Approaches and Photovoltaic Systems”, Energies 2018, MDPI, 11(2), pp 365 [3] Anas El Filali, El Mehdi Laadissi, El Mehdi Laadissi (2016), “PSIM and MATLAB Co-Simulation of Photovoltaic System using “P and O” and “Incremental Conductance” MPPT”, (IJACSA) International Journal of Advanced Computer Science and Applications, Vol 7, No [4] Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường (2015), “So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập”, Tạp chí Khoa học Phát triển 2015, tập 13, số 8: 1452-1463 [5] Saad Motahhir, Abdelaziz El Ghzizal, Souad Sebti, Aziz Derouich (2015), “Proposal and Implementation of a novel perturb and observe algorithm using embedded software”, 2015 3rd International Renewable and Sustainable Energy Conference (IRSEC) [6] T Logeswarana, A SenthilKumarb (2013), “A Review of Maximum Power Point Tracking Algorithms for Photovoltaic Systems under Uniform and Non-Uniform irradiances”, 4th International Conference on Advances in Energy Research 2013 (ICAER 2013) [7] Hoàng Ngọc Văn (2014), “Giáo trình điện tư công suất”, Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM [8] Brigitte Hauke (2009-2014), “Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage”, SLVA372C, Texas Instrument [9] “The DC-DC Boost Converter – Power Supply Design Tutorial”, https://www.powerelectronicsnews.com [10] Nguyễn Minh Tuấn (2017), “Nghiên cứu cấu hình chuyển đổi lượng mặt trời nối bus DC”, Đại học Lạc Hồng, 86 trang Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh PHỤ LỤC: chương trình arduino #define A #define B #define Vref 48 #define range 0.3 //Gia tri gioi han rong xung #define min_duty 60 #define max_duty 320 //khai bao bien short int bb = 2; signed int duty_1 = 200, duty_2 = 0, duty_max = 0; signed int denta_1 = 12, denta_2 = 0; int i=0, xl=0; long Vdi=0, Id=0, Vdo=0; float Vi1=0, Vi2=0, I1=0, I2=0, Vo=0; float P1=0, P2=0, dV=0, dP=0, dh=0, Pm=0; //doc gia tri dong dien va dien ap void sense() { for(i = 0; i 10) denta_2 = 10; else if (denta_2 < -10) denta_2 = -10; duty_2 -= denta_2; if(duty_2 > max_duty) duty_2 = max_duty; else if(duty_2 < min_duty) duty_2 = min_duty; } OCR1A = duty_2; } void boost() { if (bb!=0) { digitalWrite(A, HIGH); digitalWrite(B, LOW); duty_2 = 100; bb = 0; } else { denta_2 = 2*(Vref - Vo); if (denta_2 > 10) denta_2=10; else if (denta_2 < -10) denta_2 = -10; duty_2 -= denta_2; if(duty_2 > max_duty) duty_2 = max_duty; else if(duty_2 < min_duty) duty_2 = min_duty; Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh } OCR1A = duty_2; } //do MPPT void MPPT() { if (xl>0) { if (P2>Pm) { duty_max=duty_1; Pm=P2; } } //Chua co diem cuc dai if (xl 10) denta_1 = 10; else if (denta_1 < -10) denta_1 = -10; duty_1 += denta_1; } //Da co diem cuc dai else { if (abs(dP)>1.9) { denta_1 = int(abs(dh)*0.5); if (dP>=0) duty_1 = duty_max - denta_1; else duty_1 = duty_max + denta_1*2; Pm=xl=0; } else if(abs(dP)>1.4) { Đồ án tốt nghiệp GVHD: PGS TS Trương Việt Anh if (xl>0) xl ; } else duty_1 = duty_max; } if(duty_1 > max_duty) duty_1 = max_duty; else if(duty_1 < min_duty) duty_1 = min_duty; OCR1B = duty_1; } void setup() { //Thiet lap chan A va B cho IC giai ma pinMode(A, OUTPUT); pinMode(B, OUTPUT); digitalWrite(A, LOW); digitalWrite(B, HIGH); //Khoi tao timer1 xuat xung PWM TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; //reset ghi 1A, 1B DDRB |= (1