BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ CÔNG NGUYÊN KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC, DC-AC S K C 0 9 NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250 S KC 0 Tp Hồ Chí Minh, 2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ CÔNG NGUYÊN KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC, DC-AC NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG - 605250 Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 /2013 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ LÝ CÔNG NGUYÊN KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC, DC-AC NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG - 605250 Hướng dẫn khoa học: PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC Tp Hồ Chí Minh, tháng 04 /2013 LÝ LỊCH KHOA HỌC I LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: LÝ CÔNG NGUYÊN Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 21/10/1983 Nơi sinh: Phú yên Quê quán: Phú Yên Dân tộc: Kinh Chỗ riêng địa liên lạc: 45 Mai Xuân Thưởng, Phường 5, TP Tuy Hòa, tỉnh Phú Yên Điện thoại quan: ĐT nhà: 0573893689 Fax: E-mail: II QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: Trung học chuyên nghiệp: Hệ đào tạo: Thời gian đào tạo từ ……/…… đến ……/ … Nơi học (trường, thành phố): Ngành học: Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 09/2002 đến 05/ 2007 Nơi học (trường, thành phố): Trường ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM Ngành học: Điện khí hóa & cung cấp điện ( ĐKC ) III QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 2007 – đến Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa Giáo viên i LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan công trình nghiên cứu Các số liệu, kết nêu luận văn trung thực chưa công bố công trình khác Tp Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013 (Ký tên ghi rõ họ tên) Lý Công Nguyên ii LỜI CẢM TẠ Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC, người thầy đề phương hướng, hết lòng bảo, tận tình hướng dẫn dìu dắt suốt thời gian học tập thực luận văn tốt nghiệp Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm Khoa Điện – Điện tử, Phòng Đào tạo sau đại học thư viện Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, nhiệt tình giúp đỡ tạo điều kiện thuận lợi cho hoàn thành luận văn tốt nghiệp Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp bạn học khóa, giúp đỡ , động viên, góp ý xây dựng thời gian nghiên cứu, học tập thực luận văn Xin kính chúc sức khỏe chân thành cảm ơn ! Tp Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013 Học viên thực Lý Công Nguyên iii TÓM TẮT Năng lượng mặt trời nguồn lượng xem nguồn lượng vô tận, song song với nguồn lượng gió, lượng mặt trời lên nguồn lượng phổ biến thay lượng truyền thống, để đáp ứng nhu cầu ngày thiếu lượng Tuy nhiên, hạn chế lớn hệ thống quang điện (PV) có hiệu suất thấp vô hiệu vào ban đêm thời gian sự chiếu nắng thấp điều kiện bị bóng che phần Chi phí vốn ban đầu cao vấn đề khác việc hạn chế phổ biến hệ thống PV Để nâng cao công suất giảm chi phí bắt buộc nguồn PV phải hoạt động điểm công suất tối đa công suất tối đa trích xuất  Luận văn làm được: - Xây dựng thuật toán mô thành công thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn, thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch - Mô thành công mô hình gồm hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm công suất cực đại kết hợp với biến đổi DC/DC DC/AC - Từ kết nhận phương pháp khảo sát đưa nhận xét ưu điểm, khuyết điểm phương pháp để có lựa chọn xác cho lĩnh vực ứng dụng cụ thể iv ABSTRACT Energy solar is considered a pollution-free energy and endless So together winding energy, solar have emerged as one of the most popular alternatives to conventional energy, Satisfy the ever-increasing demand for low-energy However, a major drawback of the Photovoltaic (PV) source is its low-effect and ineffectiveness during the nights or low insolation periods or during partially shaded conditions High initial capital cost has been another problem in the popularity of PV systems.To increase power and decrease cost, it is imperative to operate the PV source at Maximum Power Point so that maximum power can be extracted  This thesis has been: - Construction algorithms and simulation algorithms to find the maximum power point P & O, the algorithm increases the total lead, the open circuit voltage ratio algorithm - Successful simulation model of the solar system, the maximum power point algorithm combined with converters DC / DC and DC / AC - From the results of the survey method to make comments on the advantages and disadvantages of each method to get the correct choice for each specific application areas v MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch cá nhân i Lời cam đoan ii Cảm tạ iii Tóm tắt iv Mục lục .vii Danh sách chữ viết tắt x Danh sách hình xi Danh sách bảng xv Chƣơng TỔNG QUAN 1.1 Tính cần thiết đề tài 1.2 Pin quang điện (PV) 1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập 1.3.1 Thành phần lưu giữ lượng 1.3.2 Các biến đổi bán dẫn hệ PV 1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan 10 1.5 Nhược điểm nghiên cứu khoa học 11 1.6 Nhiệm vụ luận văn 12 1.7 Phạm vi nghiên cứu 12 1.8 Phương pháp nghiên cứu 12 1.9 Giá trị thực tiễn đề tài 13 Chƣơng 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 14 2.1 Pin mặt trời, cấu tạo nguyên lý hoạt động 14 2.1.1 Cấu tạo 14 2.1.2 Nguyên lý hoạt động 14 vi 2.1.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 17 2.2 Các biến đổi bán dẫn hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập 20 2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 20 2.2.1.1 Các loại biến đổi DC/DC 21 2.2.1.2 Điều khiển biến đổi DC/DC 26 2.2.2 Bộ biến đổi DC/AC 27 2.3 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 28 2.3.1 Giới thiệu chung 28 2.3.2 Nguyên lý cân tải 30 2.3.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn MPPT 31 2.3.3.1 Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O 32 2.3.3.2 Thuật toán P&O điều kiện dãy PV bị bóng che phần 33 2.3.4 Phương pháp điều khiển MPPT 34 2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp 34 2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu 35 2.3.5 Giới hạn MPPT 37 2.4 Bộ lưu giữ lượng 37 2.4.1 Các loại ắc quy 38 2.4.1.1 Ắc quy chì – axit 38 2.4.1.2 Ắc quy kiềm 39 2.4.2 Các đặc tính ắc quy 39 2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu C) 39 2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp 39 2.4.2.3 Điện áp hở mạch 40 2.4.3 Chếđộ làm việc ắc quy (xét ắc quy chì - axit) 40 2.4.3.1 Nạp ắc quy 40 2.4.3.2 Ắc quy phóng 40 2.4.4 Các chế độ nguồn nạp ắc quy 41 2.4.4.1 Nạp với dòng không đổi 41 vii Chương Bộ chuyển đổi lượng từ DC – DC, DC - AC 4.2.6 Mô theo phương tỷ lệ điện áp hở mạch: Hình 4.24 Mô Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch 4.2.6.1 Điện áp nghịch lưu U a dòng điện pha a: Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia 80 60 40 20 -20 -40 -60 -80 0.005 0.01 0.015 0.02 Thoi gian 0.025 0.03 0.035 0.04 Hình 4.25 Điện áp nghịch lưu U a dòng điện pha ia Luận văn thạc sĩ 86 Lý Công Nguyên Chương Bộ chuyển đổi lượng từ DC – DC, DC - AC 4.2.6.2 Dòng điện sau qua lọc: Dong dien sau qua bo loc 50 Dong dien (A) X: 0.02596 Y: 32.84 -50 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 Thoi gian 0.034 0.036 0.038 0.04 Hình 4.26 Dòng điện sau qua lọc 4.2.7 Nhận xét chung: Việc chọn giải thuật MPPT phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào yếu tố sau: tính hiệu giải thuật, độ phức tạp giải thuật giá thành Đối với giải thuật tỷ lệ điện áp hở mạch có ưu điểm dễ cài đặt, mạch tương tự phí thấp Tuy nhiên, hiệu suất không cao so với hai giải thuật lại, đồng thời giải thuật phù hợp với ứng dụng mà nhiệt độ môi trường thay đổi Đối với ứng dụng cần hiệu suất cao nên sử dụng thuật toán P&O cải tiến thuật toán tăng tổng dẫn thuật toán tìm điểm công suất cực đại nhanh xác so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch Khuyết điểm phương pháp phức tạp chi phí cao cần sử phải sử dụng vi xử lý để điều khiển Luận văn thạc sĩ 87 Lý Công Nguyên Chương Kết luận Chương KẾT LUẬN 5.1 Kết đạt - Xây dựng thuật toán mô thành công thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn, thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch - Mô thành công mô hình gồm hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm công suất cực đại với biến đổi DC/DC DC/AC Những mặt hạn chế: Do đề tài thân, khả nhận thức hạn chế nên luận văn số khâu chưa hoàn chỉnh, nhiều vấn đề chưa đề cập đến Nó mô rời rạc thành phần hệ thống, chưa thể mô toàn hệ thống pin mặt trời để có nhìn tổng quan hoạt động toàn hệ thống Vì thực mô hình thực tế chắn có nhiều vấn đề phát sinh Tuy nhiên, nên tảng sở để xây dựng lượng mặt trời nước ta tương lai Ngoài giải thuật P&O, giải thuật tăng tổng dẫn, giải thuật tỷ lệ thuật toán hở mạch hệ hống MPPT trình bày có nhiều giải thuật khác như: Fuzzy Logic Control, Neutral Network, DSP… Với phát triển mạnh mẽ vi điều khiển nay, giải thuật sớm triển khai đáp ứng nhanh xác 5.2 Hướng phát triển đề tài - Xây dựng hệ thống lượng mặt trời sử dụng công cụ DSP để cài đặt thuật toán MPPT, sau khảo sát đánh giá khả ứng dụng thực tiễn hệ thống Luận văn thạc sĩ 88 Lý Công Nguyên Chương Kết luận - Nghiên cứu ảnh hưởng dòng điện điện áp lên thiết bị hòa lưới Và từ phát triển hệ thống điện mặt trời công suất lớn, hòa lưới điện mặt trời vào lưới điện quốc gia, giải vấn đề thiếu điện trầm trọng - Nghiên cứu kết hợp lượng mặt trời lượng gió - Nhà nước cần có sách đầu tư nhân lực, khuyến khích doanh nghiệp nước để sản xuất thiết bị điện mặt trời nhằm làm giảm chi phí giá điện mặt trời cao Luận văn thạc sĩ 89 Lý Công Nguyên TÀI LIỆU THAM KHẢO TIẾNG VIỆT PGS.TS Nguyễn Bốn, TS Hoàng Dương Hùng, – Năng lượng mặt trời TS Hoàng Dương Hùng, – Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng TS Nguyễn Văn Nhờ, – Điện tử Công suất TIẾNG ANH Renewable and Efficient Electric Power Systems - Gilbert M Masters Stanford University Understanding Renewable Energy Systems - Volker Quaschning Modeling and Simulation of SPVA Characterization under all Conditions R.Ramaprabha ,Member,IEEE Badrilal Mathur K.Santhosh S.Sathyanarayanan MATLAB Based Modelling and Performance Study of Series Connected SPVA under Partial Shaded Conditions - Ramaprabha Ramabadran A Grid Current-controlled Inverter with Particle Swarm Optimization MPPT for PV Generators - Hanny H Tumbelaka, and Masafumi Miyatake Parallel-Connected Solar PV System to Address Partial and Rapidly Fluctuating Shadow Conditions - Lijun Gao, Senior Member, IEEE, Roger A Dougal, Senior Member, IEEE, Shengyi Liu, Senior Member, IEEE, and Albena P Iotova 10 Partial Shadowing, MPPT Performance and Inverter Configurations: Observations at Tracking PV Plants - Miguel Jose Miguel Maruri, Luis Marroyo, Eduardo Lorenzo and Migue 11 A New Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Systems Mohamed Azab 12 Two Stages Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV Systems Operating under Partially Shaded Conditions - Hamdy Radwan, Omar AbdelRahim, Mahrous Ahmed, IEEE Member, Mohamed Orabi, IEEE Senior Member 90 13 Innovative Decision Reference Based Algorithm for Photovoltaic Maximum Power Point Tracking - Siamak Mehrnamiyand Shahrokh Farhangiy 14 A comparison of two MPPT techniques for PV system - NAZIH MOUBAYED, ALI EL-ALI, RACHID OUTBIB 15 Artificial intelligence based P&O MPPT method for photovoltaic systems B Amrouche, M Belhamel and A Guessoum 16 Modeling of PV Array and Performance Enhancement by MPPT Algorithm - R.Sridhar Asst.Professor, Dr.Jeevananathan Asst.Professor 17 A Modified MPPT Scheme for Accelerated Convergence - Michael Sokolov, Doron Shmilovitz, Member, IEEE 18.Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques - Trishan Esram, Student Member Patrick L Chapman, Member 19.Novel Control Strategy for Grid-Conneted DC - AC Converters with Load Power Factor and MPPT Control - Pedro G Barbosa,Luís G.B Rolim , Vladimir V Wavares, Edson H Watanabe and R Hanitsch 20 Renewable and Efficient Electric Power Systems - Gilbert M Masters Stanford University 91 Phụlục PHỤ LỤC CÁC CHƯƠNG TRÌNH CÓ TRONG LUẬN VĂN : Chươngtrìnhtìmđiểmcôngsuấtcựcđạitheophươngpháp P&O: function y = MPPT(P) globalPold; globalVref; global Increment; %global V; VpvH=21.6; VpvL=-0.1; %V=0.04; %Pold=0; delta=0.014; %fprintf('p value : %g\n',P); %fprintf('Pold value : %g \n',Pold); %fprintf('Vref value : %g \n',Vref); %fprintf('V value : %g \n',V); if (P VpvH) Vref = VpvH; end if (VrefdVU dV=dVU; end ifdV0 Increment=Increment; Vref=Vref+Increment*step; else% deltaIVpvH) Vref = VpvH; end if (Vref[...]... được công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường Chính vì những lý do trên, đề tài: Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC – DC, DC – AC ” được hình thành Với kết quả nhận được có thể:  Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời dựa vào các thuật toán MPPT và các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC, DC - AC. .. hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm này có thể khắc phục phần nào 1.6 Nhiệm vụ của luận văn : Luận văn “ Khảo sát các thuật toán MPPT ( dò tìm điểm công suất cực đại) và bộ chuyển đổi DC DC, DC – AC ” có nội dung chủ yếu: - Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lượng mặt trời - Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC và DC – AC - Nghiên cứu và mô phỏng thuật toán P&O... quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC và DC – AC - Kết quả nghiên cứu của luận văn 1.7 Phạm vi nghiên cứu: - Chỉ nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập - Trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập chỉ tập trung nghiên cứu thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) - Nghiên cứu và mô phỏng thuật toán P&O - Nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC, DC – AC kết hợp... của ắc quy 1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến đổi DC - AC  Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho tải và ắc quy Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ... bức xạ không đồng nhất), thuật toán P&O sẽ hoạt động chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thuật toán P&O sẽ dò ra điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất (điểm có công suất lớn nhất là điểm C) Luận văn thạc sĩ 11 Lý Công Nguyên Chương 1 Tổng quan  Nhược điểm của nghiên cứu P&O Under Partially Shaded Conditions Nhược điểm của phương pháp này... 3.6.1 Ưu điểm 62 3.6.2 Khuyết điểm 62 3.6.2.1 Đối với giải thuật P&O cải tiến 62 3.6.2.2 Đối với thuật toán điều khiển điện áp hở mạch 63 3.6.2.3 Đối với thuật toán tăng tổng dẫn 63 Chƣơng 4 BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG 64 TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT 4.1 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC kết hợp MPPT 64 viii 4.1.1 Buck_Boost Converter (Bộ tăng,... THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 92 ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT GP : ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất MPP : ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu được cực đại MPPT : ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại P&O : ( Perturb & Observe ) thuật. ..2.4.4.2 Nạp với áp không đổi 41 2.4.4.3 Nạp nổi 42 Chƣơng 3 PHƢƠNG PHÁP 43 DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰA ĐẠI (MPPT) 3.1 Điểm công suất cực đại 43 3.2 Giải thuật P&O (Perturb & Observe) 45 3.2.1 Lưu đồ giải thuật P&O 47 3.2.2 Mô phỏng giải thuật P&O bằng Matlab 47 3.2.3 Nhược điểm của giải thuật P&O 48 3.3 Giải thuật P&O cải tiến ... Có nhiều loại bộ biến đổi DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Cả 3 loại DC - DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu cầu mà bộ DC - DC được lựa chọn cho thích hợp Khóa điện tử trong mạch DC - DC được điều khiển... (đỉnh có công suất lớn nhất) và 2 đỉnh local (đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất) Nhiệm vụ thuật toán là tìm ra điểm GP, nhưng thuật toán thông thường có thể không tìm ra chính xác điểm này, do đó cần có một thuật toán kết hợp để tìm ra điểm GP trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan  Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques,