Hiệu suất làm việc của mạch MPPT được quyết định bởi nhiều yếu tố bao gồm giải thuật dị tìm, các linh kiện trong mạch boost, và xung kích cũng là một yếu tố vô cùng quan trọng, để hiệu suất của mạch boost cao nhất và tổn hao công suất trên mạch boost là nhỏ nhất thì xung kích tác động vơ chân G của MOSFET trên mạch boost phải là xung vuông. Để MOSFET chuyển từ trạng thái đóng sang dẫn bão hịa nhanh thì thời gian chuyển trạng thái của xung cũng phải nhanh. Vậy để thời gian chuyển trạng thái từ của xung nhanh nhất thì xung ta cần có phải là xung vng. Xung từ arduino xuất ra là xung vuông nhưng biên độ chưa đủ lớn để kích dẫn bão hịa MOSFET. Mạch khuếch đại biên độ xung này dùng 2 transistor NPN và một transistor PNP.
Hình 6.9. Mạch cơng suất tăng áp
Hình 6.10. Mạch thực nghiệm
Input: cấp nguồn từ trực tiếp bộ tuabin gió xuống mạch MPPT. Output: ngõ ra mạch MPPT cấp nguồn cho acqui, tải.
Điện trở shunt: điện trở shunt có điện trở 0,1Ω, lấy tín hiệu điện áp trở shunt để suy ra dịng điện qua cơng thức 𝐼 = 𝑈
𝑅
Module giảm áp LM2596: giảm áp đầu vào xuống 5V cấp nguồn cho arduino và LCD. Cầu phân áp: đo áp ngõ ra và ngõ vào mạch MPPT.
Mạch boost DC/DC: tăng áp ra lên 50V để cấp cho tải.
Arduino: nhận tín hiệu dịng ngõ vào, áp ngõ vào, áp ngõ ra hiển thị lên LCD và điều khiển độ rộng xung tần số 37,5 kHz.
LCD: hiển thị các thơng số điện áp ngõ vào, dịng điện ngõ vào, công suất ngõ vào và điện áp ngõ ra.
6.4. Kết quả thực tế về dò MPPT
Ta bắt đầu tiến hành thí nghiệm mơ hình thực tế ở các vận tốc gió khác nhau. Đầu tiên với tốc độ gió cố định là 47 km/h = 13,05 m/s ở tần số 50 Hz, dị tìm điểm cơng suất cực đại ở các cấp điện áp khác nhau bằng cách thay đổi độ rộng xung để kích tăng áp, để thay đổi độ rộng xung ta xây dựng một biến duty trong lập trình, khi biến duty thay đổi tăng lên thì áp tăng với các mức điện áp khác nhau ta sẽ thu được các giá trị công suất khác nhau ứng với mỗi một điện áp tương ứng của nó. Từ đó ta so sánh các giá trị cơng suất thu được và hiển thị ra màn hình LCD.
Hình 6.13. LCD hiển thị công suất đo được P = 8,14W ứng với điện áp U = 7,78V ở duty 230 với vận tốc gió 13,05 m/s
Hình 6.14. LCD hiển thị cơng suất đo được P = 8,42W ứng với điện áp U = 8,57V ở duty 210 với vận tốc gió 13,05 m/s
Hình 6.15. LCD hiển thị công suất đo được P = 9,55W ứng với điện áp U = 9,81V ở duty 190 với vận tốc gió 13,05 m/s
- Với tốc độ gió 44 km/h = 12,22 m/s ở tần số 48Hz, dị tìm ở các cấp điện áp khác nhau để tìm ra điểm cơng suất cực đại.
Hình 6.16. Tốc độ gió ở vận tốc 12,22 m/s
Hình 6.17. LCDhiển thị cơng suất đo được P = 6,47W ứng với điện áp U = 7,01V ở duty 230 với vận tốc gió12,22 m/s
Hình 6.18. LCD hiển thị cơng suất đo được P = 6,90W ứng với điện áp U = 7,93V ở duty 210 với vận tốc gió 12,22 m/s
- Ở tốc độ gió 39 km/h = 10,833 m/s ở tần số 44Hz, dị tìm ở các cấp điện áp khác nhau để tìm ra điểm cơng suất cực đại
Hình 6.20. LCD hiển thị cơng suất đo được P = 4,67W ứng với điện áp U = 6,33V ở duty 230 với vận tốc gió 10,833 m/s
Hình 6.21. LCD hiển thị cơng suất đo được P = 8,02W ứng với điện áp U = 11,71V ở duty 140 với vận tốc gió10,833 m/s
Hình 6.22. LCD hiển thị công suất đo được P = 7,42W ứng với điện áp U = 17,18V ở duty 70 với vận tốc gió 10,833 m/s
- Ở tốc độ gió 37 km/h = 10,27 m/s, dị tìm ở các cấp điện áp khác nhau để tìm ra điểm cơng suất cực đại.
Hình 6.23. Tốc độ gió ở vận tốc 10,277 m/s
Hình 6.24. LCD hiển thị cơng suất đo được P = 6,65W ứng với điện áp U = 9,21V ở duty 170 với vận tốc gió 10,277 m/s
Hình 6.25. LCD hiển thị công suất đo được P = 5,27W ứng với điện áp U = 7,97V ở duty 190 với vận tốc gió 10,277 m/s
Hình 6.26. LCD hiển thị công suất đo được P = 5,27W ứng với điện áp U = 7,97V ở duty 190 với vận tốc gió 10,277 m/s
Hình 6.27. LCD hiển thị cơng suất đo được P = 5,22W ứng với điện áp U = 17,53V ở duty 50 với vận tốc gió 10,277 m/s
6.5. Kết quả thu được
Kết quả thu được khi dị điểm cơng suất cực đại ở chế độ khơng tự động ở vận tốc gió khác nhau với các số liệu thu thập được:
Bảng 6.1: Thu thập dữ liệu kết quả ở các tốc độ gió khác nhau
Duty 250 230 210 190 170 150 140 130 120 U(v=13,05m/s) 6,97 7,78 8,57 9,81 10,98 12,49 13,3 14,33 15,02 P(v=13,05m/s) 7,81 8,14 8,42 9,55 10,13 10,34 10,91 11,75 11,48 U(v=12,22m/s) 6,33 7,01 7,93 8,87 9,87 11,31 12,35 13,1 13,69 P(v=12,22m/s) 6,24 6,47 6,90 7,49 7,84 8,55 9,55 9,57 9,42 U(v=10,83m/s) 6,33 6,39 7,33 8,27 9,47 10,29 11,71 12,18 13,38 P(v=10,83m/s) 4,67 6,05 6,07 6,11 7,14 6,86 8,02 7,91 8,5 U(v=10,28m/s) 6,31 6,33 6,92 7,97 9,21 10,09 10,61 11,83 12,12 P(v=10,28m/s) 4,66 4,54 4,56 5,27 6,45 6,52 6,57 7,14 7,02 Duty 110 100 90 80 70 60 50 40 30 U(v=13,05m/s) 15.97 16.87 17.76 18.53 19.41 20.66 21.73 22.7 23.8 6 P(v=13,05m/s) 11.45 11.26 11.09 10.57 9.83 9.39 8.59 7.57 6.79 U(v=12,22m/s) 13.51 14.56 16.36 17.63 18.4 19.44 20.19 21.2 7 22.3 6 P(v=12,22m/s) 9.32 9.24 9 8.97 8.56 8.52 7.23 6.63 5.89 U(v=10,83m/s) 13.87 14.4 15.21 16.24 17.18 18.6 19.32 20.3 7 21.4
P(v=10,83m/s) 8.56 7.93 7.78 7.46 7.42 7.16 6.42 5.98 5.2 U(v=10,28m/s) 12.55 13.58 14.37 15.47 15.89 17.45 17.53 18.9 19.7
6 P(v=10,28m/s) 6.89 6.88 6.8 6.77 5.87 6.04 5.22 5 4.54
Từ bảng kết quả thực nghiệm ta vẽ được đồ thị thể hiện mối quan hệ giữa P-U
Hình 6.28. Đồ thị P - U thực nghiệm
Từ biểu đồ P - U thực nghiệm cho ta thấy rằng việc đi tìm MPPT trong điện gió thực sự ln thây đổi khi gió thay đổi,do tốc độ gió ln thay đổi và khơng ổn định nên ln có dao động về đồ thị.
6.6. Kết quả thu được khi ở chế độ dị tìm ở chế độ tự động
Ở chế độ tự động hình minh họa ở vận tốc gió 13,05m/s, giải thuật dị tìm và bám điểm công suất cực đại, ưu điểm của giải thuật là sẽ ln ln dị tìm và bám điểm cơng suất cực đại khi có sự dao động cũng như sự thay đổi khi tốc độ gió thay đổi. Nội dung
- Khi chưa có sự thay đổi tốc độ gió
Hình 6.29. LCD hiển thị cơng suất max đo được Pmax = 17,41W ở duty 119 với vận tốc gió 13,05 m/s
Khi có sự thay đổi tốc độ gió bất kì thì chu kì qt sẽ được thực thi lại từ đầu để dị tìm điểm cơng suất cực đại, biến duty sẽ tăng từ từ theo từng đơn vị một cho việc kích xung để điều khiển việc tăng áp qua đó tìm điểm cơng suất cực đại sẽ chính xác đến từng đơn vị một, tránh được việc có điểm cực trị địa phương. Đây là ưu điểm lớn nhất trong giải thuật leo đồi và nó nhanh chóng tìm được điểm cơng suất cực đại một cách chính xác.
Hình 6.30. LCD hiển thị cơng suất max đo được Pmax = 13.06 W ở duty 66 với vận tốc gió thay đổi
CHƯƠNG 7
KẾT LUẬN
7.
7.1. Nhận xét từ kết quả thực nghiệm
Các phân tích cho thấy rằng từ kết quả thực nghiệm việc tìm điểm cơng suất cực đại của hệ thống với vận tốc không đổi là sự đơn giản. Tuy nhiên khi có sự biến động nhỏ thì lập tức cơng suất biến động theo, vì vậy trên thực tế là tốc độ gió khơng hề ổn định mà luôn luôn dao động, ổn định chỉ là rằng buộc ở một ngưỡng dao động nào đó đủ nhỏ để khơng nhận biết được. Một giải thuật leo đồi đã được áp dụng và đề ra đã chứng minh được rằng ưu điểm của nó tốt hơn so với giải thuật P&O truyền thống là khơng rơi vào cực trị địa phương, tìm được chính xác MPPT. Tuy nhiên, trong hệ thống với vận tốc khơng đổi, tiếng ồn có thể là một vấn đề, vì mức độ tiếng ồn liên quan mật thiết đến vận tốc của cánh tuabin. Vấn đề này có thể được giảm bớt bằng cách sử dụng máy phát điện có số cặp cực có thể thay đổi được và cho phép tuabin vận hành với vận tốc quay thấp hơn khi tốc độ gió thấp. Ưu điểm của hệ thống vận tốc biến thiên là có thể sản xuất nhiều năng lượng hơn với chế độ vận tốc gió khơng đổi. Mặc dù hiệu quả về điện năng giảm vì sự tiêu hao năng lượng điện là đáng kể trong hệ thống vận tốc biến thiên, nhưng vẫn có được hiệu quả về động lực học dựa vào hệ thống vận tốc biến thiên. Hiệu quả về động lực học vượt trội hơn so với sự thiệt hại về hiệu quả điện năng, kết quả chung là hiệu suất năng lượng sẽ cao hơn. Ngoài ra, hệ thống này cũng có ứng suất về cơ năng ít hơn, vì rotor hoạt động như một bánh đà (chứa năng lượng tạm thời như một bộ hoãn xung), giảm thiểu sự biến thiên của bộ truyền động momen xoắn. Vì vậy, vấn đề về tiếng ồn cũng được giảm thiểu, vì tuabin vận hành với tốc độ thấp khi có ít gió.
Khuyết điểm của hệ thống phát điện với vận tốc biến thiên là chi phí đắt hơn. Tuy nhiên, việc sử dụng hệ thống phát điện với vận tốc biến thiên cũng có thể tiết kiệm được phần lớn các chi phí hệ thống phụ của tuabin. Chẳng hạn như, thiết bị gọn nhẹ có thể được lắp ráp ở ngồi khơi và có thể hạn chế việc gia tăng thất thoát.
Trong các hệ thống điện năng lượng gió đã được trình bày, một số hệ thống tuabin gió làm việc độc lập sử dụng máy phát điện nam châm vĩnh cửu. Trong khi đó, hầu hết các hệ thống tuabin gió hiện đại kết nối với lưới điện sử dụng máy phát điện đồng bộ hoặc máy phát điện không đồng bộ.
Máy phát điện đồng bộ phức tạp và chi phí cao hơn máy phát khơng đồng bộ nhưng chúng cung cấp điện áp và tần số đạt chất lượng tốt hơn.
Máy phát nam châm vĩnh cửu. Loại máy phát này sản sinh ra điện áp và tần số xoay chiều dao động. Vì vậy, cần phải được chuyển đổi thành tín hiệu DC hoặc phải dùng bộ biến đổi cơng suất để ổn định điện áp và tần số. Với sự hỗ trợ của thiết bị biến đổi công suất, máy phát điện nam châm vĩnh cửu có hiệu suất cao hơn máy phát điện không đồng bộ hoặc máy phát đồng bộ. Máy phát điện đồng bộ hoặc nam châm vĩnh cửu tự kích từ thường được điều khiển trực tiếp với số cực đủ để rotor máy phát điện có thể quay với tốc độ bằng tốc độ của tuabin gió, trừ khi trong hệ thống sử dụng hộp số truyền động chuyển đổi tốc độ. Các loại máy phát này thường được kết nối với lưới điện thông qua bộ biến đổi công suất. Hầu hết các tuabin trước đây chỉ làm việc với một tốc độ cố định. Đối với những tuabin hiện đại, đặc biệt là những tuabin lớn, có thể vận hành với tốc độ thay đổi trong một khoảng giá trị cố định và có một số ưu điểm như sau :
+ Hiệu suất khí động học của rotor ở tốc độ gió thấp đến trung bình có thể được hồn thiện bằng cách thay đổi tốc độ quay của rotor để giữ cho tuabin vận hành với tỷ số tốc độ đầu cánh tối ưu và cực đại hệ số cơng suất. Với tốc độ gió cao, các cánh quạt sẽ được điều khiển để giới hạn công suất cực đại phát ra.
+ Hệ thống phụ tải động có thể được giảm bớt do quán tính của rotor khi giảm tốc độ trong điều kiện gió giật.
+ Tuabin có thể làm việc với các chế độ khác nhau: chế độ làm việc ở hiệu suất tối ưu để cực đại cơng suất nhận được khi tốc độ gió thấp và chế độ làm việc nhằm để làm giảm hư hỏng hệ thống.
7.2. Kết luận
Các vấn đề liên quan đến các hệ thống điện năng lượng gió đã được trình bày chuyển đổi hệ thống năng lượng gió đã nhận được sự chú ý rộng nhất trong số các hệ thống năng lượng tái tạo khác nhau. Khai thác năng lượng tối đa có thể từ năng lượng gió có sẵn đã là một lĩnh vực nghiên cứu quan trọng trong đó tốc độ gió MPPT cảm biến đã là một khu vực rất tích cực của nghiên cứu. Trong luận văn này, một đánh giá ngắn gọn về phương pháp điều khiển MPPT đề xuất trong các nền văn học khác nhau để kiểm soát WECS với máy phát điện PMSG đã được trình bày. Có một nỗ lực tiếp tục thực hiện chuyển đổi và điều khiển chương trình hiệu quả hơn và hiệu quả chi phí trong hy vọng phát triển một giải pháp khả thi về mặt kinh tế để tăng các vấn đề mơi trường. Phát điện gió đã phát triển với một tốc độ đáng báo động trong thập kỷ qua và sẽ tiếp tục làm như vậy là sức mạnh công nghệ điện tử tiếp tục tiến lên.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
TIẾNG VIỆT
[1] Nguyễn Văn Liễn, Bùi Quốc Khánh, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB Khoa học & Kỹ thuật.
[2] Võ Minh chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2004), Điện tử công suất, NXB Khoa học & Kỹ thuật.
[3] Nguyễn Phùng Quang (2006), Truyền động điện thông minh, NXB Khoa học & Kỹ thuật.
[4] Nguyễn Phùng Quang (2007, MATLAB & Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học & Kỹ thuật.
[5] Nguyễn Doãn Phước (2005), Lý thuyết điều khiển tuyến tính, NXB Khoa học & Kỹ thuật.
[6] Nguyễn Doãn Phước (2003), Lý thuyết điều khiển phi tuyến, NXB Khoa học & Kỹ thuật. [7] Hoàng Minh Sơn (2009), Điều khiển quá trình, NXB Bách khoa Hà Nội.
[8] Dương Minh Quang, Nguyễn Anh Duy, Thiết kế và thi công cho Ắc-Quy xe ô tô điện từ pin năng lượng mặt trời.
[9] Lưu Tuấn Kiệt, Nghiên cứu và phân tích mơ hình máy phát điện gió.
TIẾNG NƯỚC NGỒ I
[8] Gabriel Olguin (2005), Voltage Dip (Sag) Estimation in Power Systems based onStochastic Assessment and Optimal Monitoring. Thesis for the degree of doctor of philosophy, Electric Power Engineering Chalmers University of Technology.
[9] JovicaV.Milanović (2006), Voltage Sags, School of Electrical & Electronic
Engineering
[10] Alexis Polycarpou (2011), Power Quality and Voltage Sag Indices in Electrical PowerSystems, University Campus STeP Ri Slavka Krautzeka 83/A 51000 Rijeka, Croatia. [11] Yan Zhang, B.Sc., M.Sc (2008), Techno-economic Assessment of Voltage Sag Performance and Mitigation. Thesis submitted to The University of Manchester for the
degree of PhD
[25] Project co-funded by the European Community under the Sixth Framework Programme – Priority 6.1.ii (2006), Report on Control Strategie, European Power
Electronics and Drives Association.
[12] Hirofumi Akagi, Edson Hirokazu Wantanabe, Mauricio Aredes (2007), InstantaneousPower Theory and Applications to Power Conditioning.Wiley-interscience A John Wiley & Sons, INC, Publication.
[13] Jogendra Singh Thongam and Mohand Ouhrouche (2011). MPPT Control Methods in Wind Energy Conversion Systems, Fundamental and Advanced Topics in Wind Power, Dr. Rupp Carriveau (Ed.), InTech, DOI: 10.5772/21657. Available from:
https://www.intechopen.com/books/fundamental-and-advanced-topics-in-wind- power/mppt-control-methods-in-wind-energy-conversion-systems.
Phụ Lục
Code chạy ở chế độ khơng tự động, lập trình bằng arduino #include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(4, 5, 6, 7, 8, 9);
int duty=200; // cai dat gia tri do rong xung ban dau signed int denta = 5;
int i=0; int j=0; int T=0; int min_duty=100; int max_duty=350; float current=0; float voltage_in=0; float voltage_out=0; float power=0; float power_max = 0; float range_power = 0.1; void setup() { TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; DDRB |= (1 << PB2); TCCR1A |= (1 << WGM11); TCCR1B |= (1 << WGM12) | (1 << WGM13); TCCR1A |= (1 << COM1B1); ICR1 = 426; // tan so 37.5khz
OCR1B = 200; // thay doi do rong xung bang cach thay doi gia tri OCR1B TCCR1B |= (1 << CS10);
lcd.begin(16, 2);
lcd.setCursor(0, 0); lcd.print("MAXIMUM POWER "); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print("POINT TRACKING "); delay(1000); lcd.clear(); Serial.begin(115200); power_max = 0; } void loop() { voltage_in=0; current=0; for(j=0; j<100; j++)
{ voltage_in = voltage_in+ analogRead(A1) ; delay(1); }
voltage_in=voltage_in*0.0004365*1.2516/21*19.5/2; //di?u ch?nh h? s? nhân d?