5.2. So sánh phương pháp P&O và phương pháp leo đồi
0
Hình 5.5. Lưu đồ giải thuật P&O cho việc tìm kiếm MPPT thơng qua điện áp tham chiếu
Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất , đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O là sẽ so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước. Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện với tốc độ gió thay đổi liên tục, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn. Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là khơng tìm được chính xác điểm làm việc có cơng suất lớn nhất khi điều kiện gió thay đổi. Đặc điểm của phương pháp này là phương
Start P&O Gỉa định giá trị Ban đầu P1=0 V1=Vref ĐO:V(K), I(K) P(K)=V(K).I(K) ΔP=P(K)-P(K-1) ΔV=V(K)-V(K-1) ΔP>0 ΔP>0 ΔV>0 ΔV≥0 Δ P > 0
Tăng Vref Giảm Vref Giảm Vref Tăng Vref
P(K-1)=P(K) V(K+1)=V(K) Yes Yes Yes No No No
pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng. Phương pháp này khơng phù hợp với điều kiện gió thay đổi thường xuyên và đột ngột.
Cuối cùng một giải thuật leo đồi điều khiển MPPT cho WECS để quan sát và dị tìm cơng suất cực đại được trình bày trong luận này là một nghiên cứu được đề xuất trong trường hợp tốc độ gió thay đổi và dị tìm điểm cơng suất tối đa. Phương pháp này khơng đòi hỏi kiến thức về tốc độ gió, mật độ khơng khí. Giải thuật leo đồi được đề ra được thực hiện khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, tránh được rơi vào điểm cực trị địa phương bằng cách là sẽ qt hết một chu kì cơng suất ứng với một tốc độ gió nào đó và với việc tìm điểm cơng suất cực đại bằng cách đi so sánh các giá trị công suất thu được, đặt công suất cực đại là Pmax = 0, nếu P(k) > Pmax thì P(k) = Pmax, cứ như vậy ta sẽ dị tìm được điểm cơng suất cực đại một cách nhanh chóng và chính xác.
Bảng 5.1: Bảng so sánh thuật toán P&O và Leo Đồi
Thuật toán MPPT Chi phí Thơng số đo Tốc độ tính tốn Mức độ phức tạp Điểm làm việc tìm được Lưu ý P&O Trung bình VPV, IPV Chậm Thấp Dao động quanh điểm MPP Sử dụng nhiều phép lặp; điểm làm việc dao động
quanh MPP Leo Đồi Trung bình VPV, IPV Chậm Trung bình Tại điểm MPP
Cho kết quả tốt tốc độ gió thay đổi, tránh được dao
CHƯƠNG 6
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM CỦA ĐỀ TÀI
6.
6.1. Giải thuật leo đồi tìm điểm công suất cực đại
Mối quan hệ giữa công suất và điện áp được thể hiện ở hình 6.1, để thu được cơng suất ứng với một tốc độ gió là sẽ có đường đặc tính như trong hình 6.1, bằng cách đi đo dịng thu được từ tuabin gió ứng với một điện áp V từ đó là tính được cơng suất P = V.I tương ứng.
Hình 6.2. Lưu đồ giải thuật leo đồi cho việc tìm kiếm MPPT thơng qua việc điều khiển điện áp Gỉa định giá trị ban đầu Pmax=0 Duty=0 Đo:V(k),I(k)
Thuật toán leo đồi đề xuất Đề P(K)=V(K).I(K) ΔP=P(K)-P(K-1) ΔV=V(K)-V(K-1) ΔP>0 ΔP>0 |ΔP|<β,Duty<ε Tăng Vref Pmax=P(k) Xuất V(K) Yes No |ΔP|<β,Duty<ε Yes Yes No No ΔP>0 ΔP>0 Yes No Tăng Vref
Một giải thuật đề xuất mới được thực hiện, giải thuật này đã hoàn toàn khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, để tìm được MPPT ta sẽ cho quét hết một chu kì cơng suất, sau đó ghi lại điểm cơng suất đó ứng với một điện áp tương ứng P(k) = V(k).I(k),bằng cách tăng điện áp lên để thu được công suất lớn hơn, sau đó lại ghi lại giá trị cơng suất tương ứng đó, thực hiện tăng điện áp cho đến khi hết một chu kì qt thơng qua việc thay đổi độ rộng xung Duty đề điện áp được gia tăng ta sẽ thu được điểm công suất cực đại với việc so sánh giá trị công suất.
6.2. Mơ hình thí nghiệm
Mơ hình thí nghiệm bao gồm một lồng gió nhân tạo trong đó gồm có một động cơ để tạo gió với cơng suất 1,5kW; một bộ đo tốc độ gió và một bộ tuabin gió 6 cánh sử dụng máy phát PSMG. Một bộ kit thiết kế để dị điểm cơng suất cực đại và duy trì điểm cơng suất cực đại ở chế độ làm việc với tốc độ gió khác nhau.
Điện áp đầu ra của tuabin gió được kết nối trực tiếp với bộ kit thí nghiệm được thiết kế để đo giá trị dòng ngõ ra I và áp ngõ ra V từ đó ta thu được cơng suất ngõ ra của tuabin gió P = U.I.
Một bộ đo tốc độ gió được kết nối trực tiếp trả tín hiệu về bộ phát gió trung tâm.
Hình 6.4. Bộ đo tốc độ gió
Tuabin gió 6 cánh được kết nối trực tiếp với bộ kit thí nghiệm để sử dụng cho việc đo dòng và áp.
Cấu tạo của bộ tuabin điện gió thí nghiệm bao gồm các thành phần chính như: cánh quạt, bộ điều chỉnh góc nghiêng của cánh, trục truyền động, hộ số, bộ hãm, máy biến áp, bộ chỉnh hướng đón gió.
6.3. Mơ hình thiết kế
Hình 6.7. Sơ đồ mạch thiết kế
Yêu cầu cần đặt ra là nghiên cứu và điều chế một xung có tần số cao 37,5 kHz để phù hợp với xung kích của MOSFET SUP85N10 trên mạch boost và đồng thời có độ rộng xung thay đổi được. Nên bộ thí nghiệm đã sử dụng arduino để viết một chương trình lập trình xuất xung kích PWM với tần số 37,5 kHz tại chân digital số 10. Đồng thời thiết kế một bộ khếch đại dùng transistor NPN và PNP để khếch đại điện áp xung kích lên điện áp bão hòa của chân VG của Mosfet từ 5V lên 12V.
Hình 6.8. Mạch khuếch đại xung
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 vơ 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.
Mạch khuếch đại xung: khuếch đại xung vuông tần số 37,5 kHz, biên độ 5V lên vng có tần số 37,5 kHz biên độ 12V kích vào mosfet mạch boost.
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 thông số điện áp ngõ vào, dịng điện ngõ vào, cơng 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 cơng 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 công 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 cơng 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 được trình bày rõ qua video ghi lại trên thực tế.
- 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 dò 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 công 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 khơng 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 ln ln 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.