Hệ thống điện Mặt Trời tại thư viên khoa Công Nghệ sử dụng phần mềm giám sát Năng lượng hệ thống Grid - Tie Solar Inverter (GMS - V2.20) có chức năng kết nối truyền thông đến các thiết bị hòa lưới điện Mặt Trời (ATS ® Grid - Tie Solar Inverter, Enery Meter,…) về máy tính trung tâm để giám sát và lưu trữ các thông số điện năng dưới dạng sơ đồ, bảng biểu hoặc đồ thị.
Hình 3.5: Giao diện phần mềm GMS- V2.20 3.2. Mô phỏng hệ thống
Hệ thống điện mặt trời tại thư viện khoa được mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink với bộ MPPT sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi nhằm so sánh khả năng đáp ứng của bộ điều khiển MPPT trong các trường hợp.
Thông số tấm pin ở mỗi pha:
Công suất cực đại của tấm pin: Pmax = 250W Điện áp ở công suất cực đại: Vmpp = 29.6V Dòng điện ở công suất cực đại: Impp = 8.45 V Điện áp hở mạch: Voc = 37V
Dòng điện ngắn mạch: Isc = 9.02 A Số tấm pin mắc nối tiếp nP = 10 Số tấm pin mắc song song nS = 2
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
3.2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC
Đầu vào bộ chuyển đổi DC/DC là điện áp DC phát ra từ tấm PMT (Vin+,Vin-). Tín hiệu điện áp và dòng điện phát ra từ tấm pin được đưa đến bộ MPPT chuyển thành tín hiệu PWM để điều khiển khóa điện tử IGBT.
Hình 3.6: Sơ đồ mạch tăng áp
Bộ điều khiển MPPT sử dụng cả hai thuật toán điều khiển P&O kinh điển và phương pháp P&O mờ thích nghi với đầu vào là giá trị điện áp và giá trị dòng điện của tấm PMT được lấy từ các sensor, đầu ra là giá trị D (duty cycel).
Sơ đồ bộ điều khiển MPPT được thể hiện như hình bên dưới:
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
Hình 3.8: Phương pháp P&O mờ thích nghi
3.2.2. Bộ chuyển đổi DC/AC
Mạch động lực của bộ chuyển đổi DC – AC sử dụng mạch nghịch lưu cầu một pha đầu vào là điện áp một chiều phát ra từ bộ tăng áp DC/DC, đóng cắt bằng khóa công suất.
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
3.3. Thu thập số liệu
Số liệu CĐBX và công suất được trình bài như Bảng 3.2 bên dưới, được lấy từ bộ điều khiển trung tâm tại phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo (Thư viên Khoa Công Nghệ) ngày 07/11/2019 (từ 9h03 đến 9h22). Số liệu CĐBX cho trong bảng sẽ được dùng để mô phỏng hệ thống từ đó so sánh công suất ngõ ra của tấm PMT khi mô phỏng bằng hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi với với công suất thực tế đo đạt được.
Bảng 3.2: Cường độ bức xạ và công suất thực tế
Thời gian 09:03 09:04 09:05 09:06 09:07 09:08 09:09 09:10 09:11 09:12
Chương 4: Kết quả mô phỏng
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Hệ thống được mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink với bộ MPPT sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi nhằm so sánh khả năng đáp ứng của bộ điều khiển MPPT trong các trường hợp với nhiêt độ không đổi T = 25°C với các thông số ngõ ra bên dưới:
Công suất cực đại P = 5000W
Điện áp ở công suất cực đại V = 296V Dòng điện ở công suất cực đại I = 16.9A
Sơ đồ tổng quát hệ thống được thể hiện như Hình 4.1.
Hình 4.1: Hệ thống điện mặt trời 5kW
4.1. Trường hợp cường độ bức xạ ở điều kiện tiêu chuẩn
Để đánh giá độ ổn định của cả hai phương pháp ta tiến hành mô phỏng hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn với cường độ bức xạ S = 1000 W/m2 nhiệt độ T = 25°C với tải có công suất 1000W thời gian chạy mô phỏng là 5 phút.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.2: Công suất ngõ ra của tấm pin
Phương pháp P&O
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.4: Dòng điện ngõ ra của tấm pin
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.6: Công suất tải tiêu thụ Nhận xét:
Với điều kiện trên ta thấy rằng lúc này tấm PMT nhận được CĐBX đủ để phát ra công suất cực đại. Từ kết quả trên cho thấy rằng cả hai thuật toán P&O và P&O mờ thích nghi đều làm việc ổn định chứng minh thuật toán điều khiển MPPT sử dụng là chính xác với độ ổn định cao.
4.2. Trường hợp cường độ bức xạ thay đổi theo lý thuyết
Bức xạ giảm từ 1000 – 250 W/m2 từ giây 0.4 – 0.9s và 1.9 – 2.0s và bức xạ tăng từ 250 – 1000 W/m2 từ giây 1.3 -1.4s và 2.3 – 2.6s với thời gian chạy mô phỏng là 3s ở nhiệt độ cố định 25°C.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Hình 4.7: Bức xạ thay đổi theo lý thuyết
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.8: Công suất ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.8 trình bày công suất ngõ ra của tấm PMT ở điều kiện CĐBX thay đổi ngẫu nhiên. Ta thấy rằng công suất phát ra khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi có độ ổn định cao hơn, hệ thống đáp gần như là cùng lúc khi CĐBX tăng với độ dao động ổn định quanh điểm MPP. Quá trình bức xạ giảm hệ thống vẫn làm việc ổn định. Sự chênh lệch công suất là rất nhỏ. Ngược lại phương pháp P&O có xu hướng giảm công suất ở các vị trí cường độ bức xạ giảm nhanh (giây thứ 0.9 và giây thứ 2).
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.9: Điện áp ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.9 trình bày điện áp ngõ ra của tấm PMT khi CĐBX thay đổi ngẫu nhiên. Ta thấy rằng tại những vị trí CĐBX tăng nhanh hoặc giảm nhanh thì phương pháp P&O có độ dao động mạnh dẫn đến việc giảm giá trị điện áp điều này sẽ gây mất ổn định cho hệ thống. Còn phương pháp P&O mờ thích nghi thì tương đối ổn định với độ dao động tương đối thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.10: Dòng điện ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.10 trình bày dòng điện ngõ ra của tấm PMT khi CĐBX thay đổi ngẫu nhiên. Dòng điện ngõ ra khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi luôn ổn định khi CĐBX tăng hoặc giảm. Ngược lại dòng điện khi sử dụng phương pháp P&O luôn dao động và không ổn định khi CĐBX tăng nhanh hoặc giảm nhanh.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.11: Điện áp ngõ ra mạch tăng áp Nhận xét:
Hình 4.11 trình bày điện áp ngõ ra mạch tăng áp khi CĐBX thay đổi theo thực tế. Qua kết quả trên ta thấy dù CĐBX thay đổi nhưng điện áp ngõ ra mạch tăng áp luôn giữ ổn định.
Kết luận: Từ kết quả trên ta thấy rằng hệ thống làm việc tương đối ổn định với cả hai phương pháp tuy nhiên phương pháp P&O mờ thích nghi có một số ưu điểm vượt trội so với phương pháp P&O kinh điển như: thời gian đáp ứng của hệ thống sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi (0.03s) nhanh hơn phương pháp P&O (0.07s) hệ thống đáp gần như là cùng lúc khi CĐBX tăng với độ dao động ổn định quanh điểm MPP. Quá trình bức xạ giảm hệ thống vẫn làm việc ổn định. Sự chênh lệch công suất là rất nhỏ. Độ dao động điện áp rất thấp khi CĐBX thay đổi.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Từ số liệu Bảng 3.1 ta vẽ lại đường cong bức xạ thực tế được trình bày như Hình 4.12 bên dưới.
Hình 4.12: Bức xạ thay đổi theo thực tế
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.13: Công suất ngõ ra của tấm pin
Từ kết quả mô phỏng trên ta thu được công suất mô phỏng của khi sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi so với công suất thực đo được từ hệ thống được trình bày như bảng bên dưới:
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Bảng 4.1: Công suất theo bức xạ thực tế
Nhận xét:
Hình 4.13 trình bày công suất ngõ ra của tấm PMT khi CĐBX thay đổi theo thực tế. Ta thấy rằng công suất ngõ ra của tấm pin khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi ổn định (không có những gợn sóng) hơn phương pháp P&O, giá trị công suất mô phỏng gần bằng với số liệu thực tế với độ chênh lệch không quá ±10 W, hệ thống vẫn làm việc ổn định khi CĐBX xuống thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.14: Điện áp ngõ ra của tấm pin Nhận xét
Hình 4.14 trình bày điện áp ngõ ra của tấm pin khi sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi với điều kiện CĐBX đổi theo thực tế. Qua kết quả trên ta thấy rằng phương pháp P&O khi CĐBX thay đổi thì điện áp ra dao động dẫn đến những gợn sóng như trên hình với độ dao động điện áp là ± 3V, đường cong khi sử dụng thuật toán P&O thích nghi là một đường thẳng, hệ thống luôn ổn định khi CĐBX tăng hoặc giảm.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.15: Dòng điện ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.15 trình bày dòng điện ngõ ra của tấm pin khi CĐBX thay đổi theo lý thuyết. Ta thấy rằng đường cong dòng điện khi sử dụng thuật toán P&O có những gợn sóng khi CĐBX giảm, còn hệ thống dùng thuật toán P&O mờ thích nghi thì tương đối ổn định cả khi CĐBX xuống thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.16: Điện áp ngõ ra mạch tăng áp Nhận xét:
Hình 4.16 trình bày điện áp ngõ ra mạch tăng áp khi CĐBX thay đổi theo thực tế. Qua kết quả trên ta thấy dù CĐBX thay đổi liên tục nhưng điện áp ra mạch tăng áp luôn giữ ổn định.
Kết luận: Từ kết quả trên ta thấy rằng với điều kiện CĐBX thực tế như trên thì phương P&O mờ thích nghi làm việc ổn định hơn phương pháp P&O kinh điển. Khi mô phỏng bằng phương pháp P&O mờ thích nghi thì công suất mô phỏng và công suất từ số liệu thực tế là gần bằng nhau (công suất mô phỏng và công suất thực tế chênh lệch nhau không quá ± 10W). Đối với phương pháp P&O kinh điển khi thay đổi CĐBX theo thực tế hệ thống làm việc tương đối ổn định, tuy nhiên sự dao động điện áp là rất lớn dẫn đến sự chênh lệch công suất mô phỏng và khi so sánh với công suất thực tế thì chênh lệch rất cao (công suất mô phỏng và công suất thực tế chênh lệch nhau ± 30W). Nguyên nhân gây ra sự chênh lệch này do khi mô phỏng trên phần mềm ta sử dụng các linh kiện bán dẫn ở điều kiện lý tưởng với với hiệu suất cao nhưng khi đo đạt thực tế sẽ có sự chênh lệch do sự hao phí trên các linh kiện điện tử công suất này.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
4.4. Kết luận chung
Từ kết quả mô phỏng với các trường hợp trên có thể kết luận rằng hệ thống làm việc tương đối ổn định với cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi. Tuy nhiên ở các điều kiện môi trường thay đổi như CĐBX thay đổi ngẫu nhiên và CĐBX thay đổi theo thực tế thì phương pháp P&O thích nghi lại phát huy được những ưu điểm vượt trội so với phương pháp P&O kinh điển như: khả năng đáp ứng của hệ thống khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi (0.03s) nhanh hơn phương pháp P&O (0.07s) hệ thống đáp gần như là cùng lúc khi cường độ bức xạ tăng với độ dao động ổn định quanh điểm MPP. Sự chênh lệch giữa công suất mô phỏng và công suất thực tế thu được là rất nhỏ, độ dao động điện áp là rất thấp khi CĐBX thay đổi.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị
CHƯƠNG 5
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1. Kết luận
Sau thời gian 15 tuần nghiên cứu và tìm hiểu, em đã hoàn thành luận văn với đề tài “Khảo sát và mô phỏng hệ thống điện mặt trời tại Thư viện Khoa Công Nghệ”. Luận văn đã trình bài chi tiết về cấu tạo của hệ thống điện mặt trời tại Thư viện Khoa Công Nghệ với các thành phần tấm pin, bộ chuyển đổi DC/AC (Inverter), bộ điều khiển trung tâm. Qua đó em đã hiểu biết thêm kiến thức về điện mặt trời như:
‒ Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời thực tế so với lý thuyết ‒ Phương pháp điều khiển tìm điểm công suất cực đại
‒ Mô phỏng hệ thống và kiểm chứng trên phần mềm Matlab Simulink Mô phỏng được thực hiện trong các trường hợp cường độ bức xạ ở điều kiện tiêu chuẩn, cường độ bức xạ thay đổi ngẫu nhiên và cường độ bức xạ thực tế tương ứng với các điều kiện vận hành của hệ thống điện Mặt Trời trong thực tế. Kết quả mô phỏng chỉ ra rằng hệ thống có thể hoạt động tốt dưới các điều kiện vận hành và thay đổi của thời tiết như ngày nhiều nắng và ngày nhiều mây. Phương pháp điều khiển MPPT với thuật toán P&O mờ thích nghi giúp hệ thống làm việc tốt với các ưu điểm vượt trội so với phương pháp P&O kinh điển như: độ ổn định cao trong các điều kiện bức xạ thay đổi, thời gian đáp ứng nhanh, độ dao động điện áp và công suất ngõ ra của tấm pin thấp, sự chênh lệch giữa công suất mô phỏng và công suất thực tế thu được là rất nhỏ. Thông qua đó giúp em có cái nhìn rõ nét giữa việc học tập trên lý thuyết và trên thực tế.
5.2. Kiến nghị
Mặc dù đã hoàn thành luận văn nhưng do kiến thức còn hạn chế, thời gian không cho phép nên đề tài vẫn còn nhiều thiếu sót. Luận văn chỉ mô phỏng được một phần của hệ thống nên chưa thấy được chi tiết về hệ thống điện mặt trời tại Thư viện Khoa nhưng đây sẽ là tiền đề cho các nghiên cứu sao này.
Bộ môn nên đầu tư trang bị thêm các thiết bị đo đếm cường độ bức xạ để sinh viên có thể thực hiện đo thực tế tại điểm lắp đặt hệ thống.
Từ đó đề suất hướng nghiên cứu về sự tác động của những nguồn năng lượng phân tán đối với lưới điện để có biện pháp bảo vệ và khắc phục kịp thời.
Tài liệu tham khảo
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Tiếng Việt
[1] Hoàng Dương Hùng (2006), “Năng lượng mặt trời lý thuyết và ứng dụng”, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
[2] Đặng Đình Thống (2005), “Pin mặt trời và ứng dụng”, NXB Khoa học và kỹ thuật.
[3] Nguyễn Trọng Thắng, Trần Thế San (2005), “Sổ tay điện mặt trời”, NXB Khoa học và kỹ thuật.
[4] Nguyễn Văn Nhờ (2008), “Giáo trình Điện tử công suất 1”, NXB Đại học quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh.
Tiếng Anh
[5] Ashwin Chandwani, Abhay Kothari, IEEE (2016), “Simulation and
Implementation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) for Solar based Renewable Systems”, pp. 539-544.
[6] M.A.A.Mohd Zainuri, M.A.Mohd Radzi, Azura Che Soh , IEEE (December 2012),“Adaptive P&O-Fuzzy Control MPPT for PV Boost DC-DC Converter”. [7] H. Bounechba, A. Bouzid, K. Nabti and H. Benalla , IEEE (2014),
“Comparison of Perturb & Observe and Fuzzy logic in maximum power point tracker for PV systems”.