Thuật toán điều khiển điều khiển logic mờ (FLC)

3.2.2.1 Phương pháp điều khiển:

Khi thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ta thu được một họ các đường đặc tính PV. Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực đại . Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều này người ta dùng bộ MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều khiển bộ dc/dc để đạt được điểm làm việc này hình 3.13. Bộ MPPT có tác dụng theo dõi dòng điện và điện áp hiện hành để điều khiển công suất cấp cho tải là lớn nhất, bất kể nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi. Bộ điều khiển MPPT phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Điểm vận hành của PV càng gần điểm MPP càng tốt, không phân biệt sự thay đổi của khí quyển.

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 42

- Chi phí thấp và hiệu suất cao.

- Cung cấp công suất đầu ra phù hợp với yêu cầu tải.

Hình 3.13 Sơ đồ khối của bộ MPPT

Trong nghiên cứu của luận văn sử dụng bộ bộ điểu khiển logic mờ (FLC) (FLC: fuzzy logic controller) để theo dõi điểm MPP của hê thống PV. Bộ điều khiển logic mờ (FLC) làm việc với hiệu suất cao, chắc chắn và thiết kế đơn giản. Ngoài kỹ thuật FLC làm việc với đầu vào không chính xác, không cần một mô hình toán học chính xác và nó có thể xử lý phi tuyến. Nó dựa trên kiến thức và kinh nghiệm của người dùng chứ không phải là sự hiểu biết kỹ thuật của hệ thống. Các khối chính của FLC (hình 4-2) bao gồm: Hai biến rõ đầu vào sai số E và sự thay đổi của sai số CE tại k lần lấy mẫu xác định theo biểu thức (4.1) và (4.2); mờ hóa (Fuzzification); các qui tắc điều khiển mờ (rules); suy diễn mờ (inference); giải mờ (defuzzification); biến ra là tỷ số độ rộng xung D.

Hình 3.14 Sơ đồ khối của bộ FLC      ( 1) ( 1) ph ph ph ph P k P k E k V k V k      (3.7)      1 CE k  E k E k (3.8) Pin quang điện Bộ chuyển đổi DC-DC Bộ điều khiển MPPT Tải D Mờ hóa (Fuzzification) Suy diễn mờ (Inference) Giải mờ (Defuzzification) Các qui tắc (Rules) E(k) CE(k) ΔD

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 43 Trong đó:

- Pph(k): Công suất tức thời của PV.

- Vph(k): Điện áp của PV

Đầu vào E(k) thể hiện tại thời điểm k điểm làm việc nằm bên trái hoặc bên phải điểm MPP, trong khi đầu vào CE (k) thể hiện hướng di chuyển của thời điểm này.

3.2.2.2. Giải thuật:

Hình 3.15 Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC

3.3.5.3. Qui tắc điều khiển mờ:

Mục đích của điều khiển là xác định điểm làm việc MPP bất kể nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi. Suy luận mờ sử dụng phương pháp Mamdani và dựa vào luật hợp thành mờ, rất dễ dàng xây dựng lên tới 25 quy tắc điều khiển như thể hiện trong Bảng

3-1. Bắt đầu V(k), I(k), P(k) E(k), CE(k) D(k)=D(k-1)+ΔD V(k-1), I(k-1), P(k-1) Ngõ vào hàm thành viên (Input membership functions)

Danh sách quy tắc

(Rule list)

Ngõ ra hàm thành viên (Input membership functions)

Mờ hóa (Fuzzification) Đánh giá quy tắc (Rule evaluation) Giải mờ (Defuzzification) Dữ liệu cơ bản Trở lại

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 44 Bảng 3.1 Bảng chọn tỷ số D của FLC

Mỗi quy tắc điều khiển từ bảng 3.1 có thể được mô tả bằng cách sử dụng các biến đầu vào là sai số E, thay đổi sai số CE và biến đầu ra D. Từ đó xây dựng được ma trận quan hệ mờ R như trong biểu thức 3.34:

Ri: nếu E là Ai và CE là Bi thì D là Di (3.9) Trong đó: Ai, Bi, là các giá trị đầu vào biến mờ E, CE thứ i của bảng 4.1

Di là giá trị đầu ra rõ tương ứng với đầu vào thứ i

Theo bảng 4.1 và biểu thức (3.34) ta có 25 qui tắc điều khiển như sau:

Phép suy diễn mờ trong ứng dụng này áp dụng qui tắc Mamdani dựa trên luật hợp thành min-max. Các giá trị A, B, và D phụ thuộc các hàm thành viên µA(E), µB(CE) và µD(D) tương ứng. Các giá trị các hàm thành viên Hi tại vị trí thứ i theo qui tắc hợp thành min.

Gọi Hi là độ phụ thuộc của E và CE vào các giá trị ngôn ngữ đầu vào ta có:

Hi = min(µAi(E), µBi(CE)) (3.10) Gọi Hi là độ phụ thuộc của E và CE vào các giá trị ngôn ngữ đầu vào ta có: Gọi Ri ma trận đầu ra theo luật điều khiển ta có:

Ri = min(Hi, µDi(D)) (3.11) Hợp mờ sử dụng phương pháp tiêu chuẩn max. Bằng phương pháp này giá trị tối ưu rõ nét đầu ra được sử dụng để điều khiển đóng cắt bộ DC - DC.

25

j i

i=1

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 45

3.2.2.4 Giải mờ:

Để thực hiện giải mờ ta chọn phương pháp giải mờ thông dụng là phương pháp điểm trọng tâm để tính toán giá trị rõ nét đầu ra của FLC là tỷ số độ rộng xung, biểu thức .

Toàn bộ hệ thống logic mờ đươc thể như hình . Mờ hóa tổ hợp với mỗi biến đầu vào để xác định qui tắc điểu khiển mờ. Sau đó giải mờ được áp dụng để suy giá trị rõ nét đầu ra.

Hình 3.16 Sơ đồ hệ thống FLC Iput 1

E (NB, NS, ZE, PS, PB)MF

Rule 1: If (E is PB) and (CE is PB) then (D is ZE)

Max Output

D

Rule 2: If (E is PS) and (CE is PB) then (D is ZE)

Rule 3: If (E is ZE) and (CE is PB) then (D is NS)

Rule 4: If (E is NS) and (CE is PB) then (D is PS)

Rule 5: If (E is NB) and (CE is PB) then (D is PB)

Rule 25: If (E is NB) and (CE is NB) then (D is ZE)

Iput 1 CE (NB, NS, ZE, PS, PB)MF Giá trị rõ của các biến vào Mờ hóa (hàm thành viên)

Toàn bộ luật suy diễn mờ Giải mờ

(Min- Max)

Giá trị rõ các biến ra

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 46

3.3 Nguyên tắc điều khiển thiết bị theo bức xạ mặt trời.

PV p an el D C /D C , PV PV V I VDC MCU , PV PV V I PWM VDC L O A D

Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống pin năng lượng mặt trời Nguyên lý làm việc của hệ thống pin năng lượng mặt trời được thể hiện chi tiết như trong hình 3.23. Hệ thống gồm hai thành phần chức năng cơ bản là thành phần công suất và thành phần điều khiển. Thành phần công suất bao gồm tấm pin NLMT, mạch chuyển đổi điện áp một chiều (DC/DC) và điện trở phụ tải (LOAD). Thành phần điều khiển là bộ điều khiển trung tâm. Các thành phần đảm nhận vai trò và nhiệm vụ cụ thể, cùng phối hợp với nhau giúp hệ thống hoạt động ổn định.

Khối xử lí trung tâm có nhiệm vụ thu nhận tín hiệu điện áp và dòng điện tại ngõ ra của các tấm pin mặt trời để làm tín hiệu điều khiển. Dựa trên các tín hiệu dòng áp này, bộ dò MPPT có nhiệm vụ xác định điện áp tại điểm MPP của hệ thống pin mặt trời VPV ref, 

. Thuật toán P&O được áp dụng để xác định điểm công suất cực đại. Nhiệm vụ của mạch là đưa điểm làm việc của pin mặt trời về điểm làm việc này để thu được công suất lớn nhất. Việc điều chỉnh điện áp thực tế trên pin mặt trời về điện áp tham chiếu được thực hiện dựa trên đường đặc tuyến V-I như trong hình 3.6 với đặc trưng là khi điện áp trên pin mặt trời tăng lên thì dòng điện chạy ra trên pin giảm xuống và ngược lại. Cụ thể nguyên tắc hoạt động trong các trường hợp được đưa ra như sau:

− Khi điện áp tham chiếu lớn hơn điện áp thực tế trên pin mặt trời. Lúc

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 47 khỏi tấm pin. Khi đi qua bộ trừ như trong hình 3.14, trong trường hợp này, giá trị sai số sẽ là số âm. Khi đó giá trị sai số thu được sau bộ trừ sẽ mang dấu âm. Sau khi đi qua bộ điều chỉnh điện áp PI V_  sẽ cho biết giá trị dòng điện cần bơm vào lưới bị

 *

pv

I giảm xuống. Việc điều khiển dòng điện thực tế theo giá trị dòng điện tham chiếu cần bơm vào lưới được thực hiện dựa trên sự điều chỉnh hệ số D sau khi đưa sai số giữa chúng qua bộ điều chỉnh dòng điện PI I_ . Trong trường hợp dòng điện thực tế lớn hơn dòng điện mong muốn, sai số ngõ vào bộ điều chỉnh ei sẽ âm làm giảm hệ số D xuống. Khi giảm hệ số D xuống cũng chính là giảm giá trị dòng điện bơm ra từ pin mặt trời. Qua bộ tạo xung PWM một xung vuông có tỉ số D được tạo nên nhằm cấp cho mạch kích trong bộ DC/DC.

− Khi điện áp tham chiếu nhỏ hơn điện áp thực tế trên pin mặt trời. Lúc

này, để giảm điện áp thực tế về điện áp mong muốn thì phải tăng dòng điện chạy ra khỏi tấm pin. Khi đi qua bộ trừ như trong hình 3.14, trong trường hợp này, giá trị sai số sẽ là số dương. Khi đó giá trị sai số thu được sau bộ trừ sẽ mang dấu dương. Sau khi đi qua bộ điều chỉnh điện áp PI V_  sẽ cho biết giá trị dòng điện cần bơm vào lưới bị  *

pv

I tăng lên. Việc điều khiển dòng điện thực tế theo giá trị dòng điện tham chiếu cần bơm vào lưới được thực hiện dựa trên sự điều chỉnh hệ số D sau khi đưa sai số giữa chúng qua bộ điều chỉnh dòng điện PI I_ . Trong trường hợp dòng điện thực tế nhỏ hơn dòng điện mong muốn, sai số ngõ vào bộ điều chỉnh ei sẽ dương làm tăng hệ số D lên. Khi tăng hệ số D lên cũng chính là tăng giá trị dòng điện bơm ra từ pin mặt trời. Qua bộ tạo xung PWM một xung vuông có tỉ số D được tạo nên nhằm cấp cấp cho mạch kích trong bộ DC/DC.

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 48 PV V PV.ref V PI_V v e I*pv PV V PV I M P P T PI_I D PWM PWM PV I i e

Hình 3.18 Nguyên lý làm việc khối MPPT trong điều khiển bộ DC/DC

Việc tăng giảm điện áp đầu ra các tấm pin được điều chỉnh bằng cách giảm hay tăng dòng điện bơm ra khỏi tấm pin mặt trời. Điều đó đảm bảo tấm pin luôn vận hành tại điểm công suất cực đại

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 49

Chương 4

SỬ DỤNG P&O KẾT HỢP LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT

Luận văn này trình bày công việc về việc cải thiện thuật toán MPPT để có thể tăng hiệu suất của hệ thống PV. Công trình này giới thiệu sự kết hợp thích ứng của các tính năng trong cả P&O và FLC thông thường để tạo thành một thuật toán duy nhất cho MPPT của bộ chuyển đổi DC–DC, nên đơn giản và nhanh chóng, đóng góp quan trọng nhất là khả năng đáp ứng tốt với nhiễu. Thuật toán MPPT được đề xuất được đánh giá và so sánh với cả thuật toán P&O và FLC thông thường dưới trạng thái ổn định và hiệu suất động với nhiều điều kiện chiếu sáng khác nhau. Một bổ sung quan trọng trong công việc này là bao gồm đánh giá hiệu suất MPPT ở mức chiếu xạ thấp có thể đóng góp đáng kể khác nhau giữa hai thuật toán này. Để giải thích thêm về công việc này ta tiến hành phân tích các mô hình sau.

4.1 Mô hình hóa Pin NLMT

Nhằm nâng cao tính thực tiễn của luận văn, thông số tấm pin năng lượng mặt trời được dùng trong mô phỏng được thiết lập dựa trên tấm pin 250Wp của nhà phân phối SOLARKING VIỆT NAM được thể hiện trong http://solarking.vn/tam-pin- nang-luong-mat-troi-solarking-mono-250w.html

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 50 Hình 4.1 Thông số pin năng lượng mặt trời.

Hình 4.2 Thiết lập thông số tấm pin 250Wp trong Matlab/Simulink

Với tấm pin này, một chương trình mô phỏng tìm điểm công suất cực đại tại các mức BXMT khác nhau được thực hiện như mô tả trong Hình 4.3 bên dưới. Qua quá trình mô phỏng, các kết quả mô phỏng được thể hiện trong

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 51 Bảng 0.1 Bảng giá trị công suất cực đại tại các mức BXMT trong tấm pin 250W

radian (W/m2) Power (W) 1000 250 900 226 800 203 700 178 600 154 500 129 400 103

Hình 4.3 Mô hình xác định MPP tại các mức BXMT khác nhau

4.2 Thiết lập P&O-fuzzy cho mô hình

4.2.1 Thuật toán P&O

Thuật toán P&O được đề xuất như trong Error! Reference source not found. ở trên. Ưu điểm của thuật toán này là luôn nhảy để có thể tiến đến điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) của tấm pin NLMT. Tuy nhiên, do nhảy liên tục nên công suất tấm pin cũng thay đổi theo ít nhiều và không ổn định khi các điều kiện làm việc (bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm pin) không có sự thay đổi. Sự thay đổi này phụ thuộc vào giá trị ∆D

Nếu ∆D lớn thì nhanh tiến đến điểm MPP nhưng lại có sự nhấp nhô do thay đổi D tại điểm MPP.

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 52 Nếu ∆D nhỏ thì tiến chậm đến điểm MPP nhưng lại ít nhấp nhô do thay đổi D tại điểm MPP

4.3 Giải thuật điều khiển logic P&O-Fuzzy thích nghi :

Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật P&O-Fuzzy

4.3.1 Thay đổi giá trị ∆D bằng fuzzy.

Để khắc phục nhược điểm của thuật toán P&O, giá trị ∆D được thay đổi linh hoạt theo điều kiện làm việc của tấm pin. Giá trị này sẽ tăng cao khi có sự thay đổi điều kiện làm việc của tấm. Cụ thế:

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 53

 Nếu điểm hoạt động gần và ngay điểm MPP thì ∆D có giá trị nhỏ.

Hình 4.5 Thay đổi giá trị ∆P theo điện áp.

Qua Hình 4.5 cho thấy bảng luật mờ dành cho giải thuật Fuzzy-P&O MPPT gồm hai biến đầu vào là biến độ dốc Sa = dP và giá trị ∆D của thông số áp biến động ΔVref. Biến đầu ra của bộ điều khiển mờ FLC là giá trị D của thông số ΔVref thích nghi cần hiệu chỉnh. có thể nhận thấy mối liên hệ giữa ∆P và ∆D như sau:

 ∆P lớn, khi điểm hoạt động ở xa điểm MPP, thì cần giá trị ∆D lớn để tiến nhanh đến điểm MPP.

 ∆P trung bình, khi điểm hoạt động gần hơn đến điểm MPP, cần giá trị ∆D nhỏ lại để tiến đến điểm MPP.

 ∆P nhỏ, khi điểm hoạt động rất gần hoặc trùng điểm MPP, cần giá trị ∆D nhỏ hợn hoặc bằng 0.

4.3.2 Xây dựng luật mờ và khối fuzzy trong bài toán MPPT của pin NLMT

Dựa vào mối liên hệ giữa ∆P và ∆D, một bảng luật mờ xác định giá trị ΔD dựa trên giá trị ΔP và giá trị ΔD trước đó được trình bày như sau.

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 54 Bảng 4.1 Bảng Luật Mờ của thuật toán Fuzzy P&O MPPT

∆D

Sa=dP

Small Medium Large

Small ZO NS NB

Medium PS ZO NS

Large PB PS ZO

Các hàm liên thuộc được đình nghĩa như trong

(a) Giao diện hàm liên thuộc (b) Hàm liên thuộc của Sa

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 55 Hình 4.6 Các hàm liên thuộc trong khối fuzzy

Hình 4.7 Xây dựng luật mờ trong khối fuzzy

Sau khi xây dựng xong luật mờ, kết quả được save lại thành một file dữ liệu có định dạng “.fis”. Khi muốn sử dụng chương trình này, chép tên chương trình vào

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 56 khối fuzzy trong simulink là được. Cụ thể, với yêu cầu hai ngõ vào và một ngõ ra, khối fuzzy trong Simulink được thiết lập như trong Hình và có giao diện chọn file luật mờ như trong Hình4.9. Lưu ý là luật mờ phải được viết đầy đủ cả phần tên và phần mở rộng. Tên đầy đủ này được đặt trong dấu nháy đơn như thể hiện trong.

Hình 4.8 Kết nối của một khối fuzzy có 2 ngõ vào và một ngõ ra.

Hình 4.9 Giao diện nhập file chương trình của khối fuzzy Cách chọn file.fis chèn vào khối Fuzzy Logic Controller

4.4 Mô phỏng bài toán MPPT cho pin NLMT dựa trên thuật toán P&O 4.4.1 Bài toán MPPT dựa trên P&O cơ bản. 4.4.1 Bài toán MPPT dựa trên P&O cơ bản.

Trong bài toán bám theo điểm công suất cực đại của hệ thống pin NLMT, P&O là một thuật toán cơ bản trong họ các thuật toán leo đồi (Climing Hill). Dựa trên giải thuật được đề xuất trong hình 3.10 một mô hình mô phỏng được xây dựng như trong