SO SÁNH HAI THUẬT TOÁN INC VÀ P&O TRONG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP

12 412 0
  • Loading ...
    Loading ...
    Loading ...

Tài liệu hạn chế xem trước, để xem đầy đủ mời bạn chọn Tải xuống

Tài liệu liên quan

Thông tin tài liệu

Ngày đăng: 06/08/2017, 23:23

J Sci & Devel 2015, Vol 13, No 8: 1452-1463 Tạp chí Khoa học Phát triển 2015, tập 13, số 8: 1452-1463 www.vnua.edu.vn SO SÁNH HAI THUẬT TOÁN INC VÀ P&O TRONG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP Nguyễn Viết Ngư1*, Lê Thị Minh Tâm1, Trần Thị Thường1, Nguyễn Xuân Trường2 Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm kỹ thuật Hưng Yên Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam Email*: ngunguyenviet77@gmail.com Ngày gửi bài: 20.05.2015 Ngày chấp nhận: 19.11.2015 TÓM TẮT Năng lượng mặt trời nguồn lượng sạch, hoàn toàn miễn phí không gây ô nhiễm môi trường Việc nghiên cứu hệ thống điện mặt trời có ý nghĩa quan trọng, góp phần khai thác triệt để nguồn lượng tự nhiên nguồn lượng truyền thống ngày cạn kiệt Điều khiển bám điểm công suất cực đại dàn pin điện mặt trời (MPPT) coi phần thiếu hệ thống điện mặt trời, áp dụng để nâng cao hiệu sử dụng dàn pin điện mặt trời Bài báo giới thiệu so sánh hai thuật toán điện dẫn gia tăng (INC) nhiễu loạn quan sát (P&O) sử dụng để thực điều khiển bám điểm công suất cực đại dàn pin điện mặt trời Kết mô cho thấy, thuật toán INC có hiệu tốt so với thuật toán P&O Từ khóa: Bám điểm công suất cực đại (MPPT), pin điện mặt trời (PV), thuật toán điện dẫn gia tăng (INC), thuật toán nhiễu loạn quan sát (P&O) Comparison of INC and P&O Algorithms in Maximum Power Point Tracking Control of Independently PV System ABSTRACT Solar energy is clean and free of cost and does not pollute the environment The research of solar energy systems plays a very important role that contributes to fully exploit the natural energy resources while traditional energy sources become scare Maximum Power Point Tracker (MPPT) control for Solar panels considered as an indispensable part of the solar power system is applied in order to improve the efficiency of solar panels This paper described and compaired Perturb and Observer (P&O) and Incremental Conductance (INC) algorithms that were used to implement for Maximum Power Point control of Solar panels Simulation results showed that INC algorithm had a better effect than P&O algorithm did Keywords: Incremental Conductance algorithm (INC), Maximum Power Point Tracking (MPPT); Perturb and Observer algorithm (P&O); Photovoltaics (PV) ĐẶT VẤN ĐỀ MPPT (Maximum Power Point Tracking) phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất cực đại hệ thống điện mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử biến đổi DC/DC Phương pháp MPPT sử dụng phổ biến hệ thống PV làm việc độc lập 1452 dần áp dụng hệ quang điện làm việc với lưới (Sivagamasundari, 2013; Hohm, 2000, 2003) Khi dàn PV mắc trực tiếp vào tải điểm làm việc dàn PV giao điểm đường đặc tính làm việc I-V PV đặc tính I-V tải Nếu tải trở đường đặc tính tải đường thẳng với độ dốc 1/Rtải Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường Hình Đặc tính làm việc I-V PV tải (có thể thay đổi giá trị) Từ đặc tính I -V cho thấy có điểm gọi điểm công suất cực đại (MPP-maximum power point), điểm mà hệ thống hoạt động điểm công suất PV lớn Các yếu tố thời tiết ảnh hưởng lớn tới hoạt động PV Trong đó, nhiệt độ cường độ xạ mặt trời yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh tới đặc tính I-V dẫn tới thay đổi vị trí MPP PV Trong hầu hết ứng dụng người ta mong muốn tối ưu hóa dòng công suất từ PV tới tải Để làm điều đòi hỏi điểm hoạt động hệ thống phải thiết lập điểm MPP Có nhiều thuật toán nghiên cứu ứng dụng thực tế Bài báo giới thiệu hai thuật toán P&O INC; xây dựng thuật toán, mô so sánh hai thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại dàn PV MÔ TẢ TOÁN HỌC PIN MẶT TRỜI Pin PV có mạch điện tương đương diode mắc song song với nguồn điện quang sinh Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có trạng thái làm việc định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc Do đó, mạch điện tương đương xem nguồn dòng ổn định Iph Trên thực tế, trình chế tạo pin PV, tiếp xúc điện cực mặt trước sau, thân vật liệu có điện trở suất định Vì mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào điện trở nối tiếp Rs điện trở song song Rsh với tải RL Như vậy, mạch điện tương đương pin PV thể hình (Zainudin, 2010; Nguyen Viet Ngu, 2011; Sharma, 2014) Hình Sơ đồ mạch điện tương đương PV 1453 So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập Dòng điện qua diode: ID  IS qVD (e nkT Từ phương trình (2.1),(2.2),(2.3) suy phương trình đặc tính I-V tế bào PV 1) (2.1) Ipv  Iph  ID  Ish  Theo định luật Kirchhoff cường độ dòng điện: I ph  I D  VD  IPV  R sh Iph  IS q(Vpv RsIpv ) (e nkT (2.2) 1)  Vpv  Rs Ipv (2.4) Rsh Từ phương trình (2.1), (2.2), (2.3), (2.4) từ sơ đồ tương đương dàn PV ta xây dựng mô hình mô dàn PV nhiệt độ cường độ xạ thay đổi hình Theo định luật Kirchhoff điện thế: VPV  VD  R S I PV (2.3) Trong đó: ID-dòng điện qua diode (A); IS - dòng điện bão hòa diode (A); q - điện tích electron (1,602.10 - 19C); k - số Boltzman (1,381.10 23 J/K); T - nhiệt độ lớp tiếp xúc (K); n - hệ số lý tưởng diode; VD - điện áp diode (V); IPV dòng điện PV (A) Sơ đồ mô sử dụng loại PV dòng Mono-cell hãng Bosch (Đức) sản xuất có thông số đo điều kiện tiêu chuẩn (1000W/m2, 25oC) sau: Pmax = 50 W, VMPP = 16,5 V, IMPP = 2,77 A, Voc = 22,01 V, Isc = 3,1 A Mô thu đường cong quan hệ V-I, P-V P-I PV hình 4, Hình Mô hình mô dàn PV nhiệt độ, cường độ xạ thay đổi o T = 25 C S = 1000W/m Ipv = 2.2(A) Vpv = 19(V) D ong dien (A) S = 800W/m 2.2 Ipv = 1.65(A) Vpv = 18.7(V) S = 600W/m 1.65 S = 400W/m 1.1 Ipv = 1.1(A) Vpv = 18(V) S = 200W/m 0 10 15 20.0 Dien ap (V) 25.0 a) Đường cong quan hệ I-V PV 1454 30 Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường 70 T=25oC 60 50 C o n g s u a t (W ) S=1000W/m2 40 S=800W/m2 30 S=600W/m2 20 S=400W/m2 10 S=200W/m2 0 10 15 20 Dien ap (V) 25 30 b) Đường cong quan hệ P-V PV 70 C o n g s u a t (W ) T=25oC P3max 42.5 S=1000W/m2 P2max 31.2 S=800W/m2 P1max 20 S=600W/m2 S=400W/m2 S=200W/m2 0 1.1 1.65 2.2 Dong dien (A) c) Đường cong quan hệ P-I PV Hình Đặc tính tương quan PV xạ mặt trời thay đổi S=1000W/m2 3.5 D o n g d ie n (A ) 2.5 T=100oC T=75oC T=50oC T=25oC T=0oC 1.5 0.5 0 10 15 Dien ap (V) 20 25 30 a) Đường cong quan hệ I-V PV 1455 So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập 70 P1max S=1000W/m2 P2max C o n g su a t (W ) 54.5 50 45 P3max T=100oC T=75oC T=50oC T=25oC T=0oC 0 16 1819.5 30 Dien ap (V) b) Đường cong quan hệ P-V PV 70 P1max S=1000W/m2 C o n g s u a t (W ) P2max P3max 54.5 50 45 T=100oC T=75oC T=50oC T=25oC T=0oC 0 2.8 Dong dien (A) c) Đường cong quan hệ P-I PV Hình Đặc tính tương quan PV nhiệt độ thay đổi Như vậy, vị trí điểm MPP đường đặc tính trước thay đổi phụ thuộc vào điều kiện xạ nhiệt độ Do đó, cần có thuật toán để theo dõi điểm MPP, thuật toán trái tim điều khiển MPPT 3.1 Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MPPT Chaudhari, 2005) Cấu trúc hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu trình bày hình Hình mô tả nguyên lý hoạt động thuật toán P&O, từ suy cách thức hoạt động thuật toán sau: 1456 Trong thuật toán điện áp hoạt động pin mặt trời (PMT) bị nhiễu gia số nhỏ ΔV kết làm thay đổi công suất, ΔP quan sát (Sivagamasundari, 2013; Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường - Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP < ΔV < 0) cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP - Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP > ΔV < 0) cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP - Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP > ΔV > 0) cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP - Nếu điểm hoạt động hệ thống di chuyển theo hướng (ΔP < ΔV > 0) cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP Hình Cấu trúc điều khiển MPPT dàn PV 70 60 Vi tri MPP C o n g su a t (W ) 50 40 30 20 10 Tang Vref 0 Giam Vref 10 15 Dien ap (V) 20 25 30 Hình Đường đặc tính P-V thuật toán P&O 1457 So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập Hình Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref Giải thích thuật toán: Bộ điều khiển MPPT đo giá trị dòng điện I điện áp V, sau tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V kiểm tra: - Nếu ∆P ∆V > tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref - Độ dốc dương bên trái điểm MPP - Độ dốc âm bên phải điểm MPP Đặc tính P-V thuật toán INC minh hoạ hình dP/dV = 0, MPP - Nếu ∆P ∆V < giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref dP/dV > 0, bên trái MPP Sau cập nhật giá trị thay cho giá trị trước V, P tiến hành đo thông số I, V cho chu kỳ làm việc Vì: 3.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC dP/dV < 0, bên phải MPP dP / dV  d(IV) / dV  I  V(dI / dV)  I  V(I / V) nên ta viết lại Thuật toán INC dựa thực tế sau: - Độ dốc đường cong công suất không điểm MPP (Chaudhari, 2005; Akihiro.Oi, 2005; Reisi, 2013; Hohm, 2003) 1458 ∆ /∆ = -I/V, MPP ∆ /∆ > -I/V, bên trái MPP ∆ /∆ < -I/V, bên phải MPP Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường 70 60 Vi tri MPP C ong suat (W ) 50 40 30 dP/dV>0 dP/dV=0 dP/dV 0) điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Nếu xạ giảm (ΔI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Vào chu kỳ cuối, cập nhật lịch sử cách lưu giá trị điện áp dòng điện tại, sử dụng chúng giá trị trước cho chu kỳ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CÁC THUẬT TOÁN MPPT 4.1 Kết mô MPPT với thuật toán P&O thuật toán INC Từ kết mô hình 16, 17 đối chiếu với hình 4a,c hình 22, 23 đối chiếu với hình 5b,c cho thấy, cường độ xạ mặt trời nhiệt độ môi trường thay đổi, hai thuật toán bám MPP với thời gian nhanh Tuy nhiên, MPPT làm việc với thuật toán INC tốt so với thuật toán P&O, công suất dàn PV trường hợp sử dụng thuật toán INC bám sát công suất cực đại (MPP) hơn, hay nói cách khác phạm vi dao động quanh MPP nhỏ so với thuật toán P&O Thuật toán INC trình điều khiển MPPT, phản ứng nhanh xác hơn, đặc biệt dòng điện điện áp PV ổn định sử dụng thuật toán P&O Vì vậy, việc sử dụng thuật toán INC điều khiển MPPT hệ thống PV cấp điện độc lập thích hợp, đảm bảo tính cung cấp điện cho phụ tải tối ưu nhất, liên tục ổn định Hình 11 Hệ thống điều khiển MPPT dàn PV sử dụng thuật toán điều khiển P&O INC 1460 Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường 3 o o T = 25 C T = 25 C Ipv tai P3max Ipv tai P3max 2.2 Dong dien (A) Dong dien (A) 2.2 Ipv tai P2max S = 800W/m 1.65 Ipv tai P1max S = 600W/m 1.1 S = 800W/m2 Ipv tai P2max 1.65 Ipv tai P1max S = 600W/m2 1.1 S = 400W/m S = 400W/m 0.25 0.5 0.75 0.25 Thoi gian (s) 0.5 Hình 12 Dòng điện dàn pin cường độ xạ thay đổi (với thuật toán INC) Hình 13 Dòng điện dàn pin cường độ xạ thay đổi (với thuật toán P&O) 25 25 o o T = 25 C Dien ap (V) 20 2 S = 800W/m S = 600W/m S = 400W/m Vpv tai P3max Vpv tai P2max Vpv tai P1max Vpv tai P3max Vpv tai P2max 15 T = 25 C Dien ap (V) Vpv tai P1max 20 10 15 2 S = 800W/m S = 600W/m S = 400W/m 10 5 0 0.25 0.5 0 0.75 0.25 0.5 Hình 14 Điện áp dàn pin cường độ xạ thay đổi (với thuật toán INC) Hình 15 Điện áp dàn pin cường độ xạ thay đổi (với thuật toán P&O) 60 60 o o T = 25 C T = 25 C P3max P3max 42.5 Cong suat (W) 42.5 S = 800W/m P2max 31.2 P1max S = 600W/m 20 S = 800W/m P1max S = 600W/m 20 2 P2max 31.2 S = 400W/m S = 400W/m 0.75 Thoi gian (s) Thoi gian (s) Cong suat (W) 0.75 Thoi gian (s) 0.25 0.5 0.75 Thoi gian (s) Hình 16 Công suất dàn pin cường độ xạ thay đổi (với thuật toán INC) 0 0.25 0.5 0.75 Thoi gian (s) Hình 17 Công suât dàn pin cường độ xạ thay đổi (với thuật toán P&O) 1461 So sánh hai thuật toán INC P&O điều khiển bám điểm công suất cực đại hệ thống pin mặt trời cấp điện độc lập 3.5 3.5 S = 1000W/m2 Ipv tai P1max Ipv tai P2max S = 1000W/m2 Ipv tai P1max Ipv tai P3max 2.8 Ipv tai P2max T = 50oC 0 0.25 Dong dien (A) Dong dien (A) 2.8 T = 25oC T = 75oC 0.5 0 0.75 0.25 25 thay đổi (với thuật toán P&O) 25 S = 1000W/m2 Vpv tai P1max Vpv tai P1max Vpv tai P2max Vpv tai P3max Dien ap (V) Dien ap (V) T = 25oC T = 50oC T = 75oC 0.25 0.5 Vpv tai P2max 19.5 18 16 Vpv tai P3max 16 T = 25oC T = 50oC T = 75oC 0.75 0.25 Thoi gian (s) 0.5 0.75 Thoi gian (s) Hình 20 Điện áp dàn pin nhiệt độ thay đổi (với thuật toán INC) 65 Hình 21 Điện áp dàn pin nhiệt độ thay đổi (với thuật toán P&O) 65 S = 1000W/m2 P3max S = 1000W/m2 P3max 54.5 50 54.5 50 P2max P3max P2max P3max 45 Cong suat (W) Cong suat (W) 45 T = 25oC T = 50oC T = 75oC 0.25 0.5 0.75 Thoi gian (s) Hình 22 Công suất dàn pin nhiệt độ thay đổi (với thuật toán INC) 1462 0.75 Hình 19 Dòng điện dàn pin nhiệt độ S = 1000W/m 19.5 18 0.5 Thoi gian (s) Hình 18 Dòng điện dàn pin nhiệt độ thay đổi (với thuật toán INC) T = 75oC T = 50oC T = 25oC Thoi gian (s) Ipv tai P3max T = 25oC T = 50oC T = 75oC 0 0.25 0.5 0.75 Thoi gian (s) Hình 23 Công suât dàn pin nhiệt độ thay đổi (với thuật toán P&O) Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm, Trần Thị Thường, Nguyễn Xuân Trường KẾT LUẬN Bài báo xây dựng mô hình mô dàn PV, khảo sát ảnh hưởng cường độ xạ mặt trời nhiệt độ đến công suất phát dàn PV Trong hệ thống PV, người ta mong muốn cho dù điều kiện thời tiết nào, dòng công suất phát từ dàn PV tới tải cực đại, mục tiêu toán điều khiển MPPT Qua đó, báo giới thiệu hai thuật toán INC P&O áp dụng điều khiển MPPT dàn PV Mô hai thuật toán MPPT điều kiện thời tiết thay đổi thường gặp thực tế để thấy ưu, nhược điểm phương pháp Dựa kết mô hình 16, 17 hình 22, 23 cho thấy, hai phương pháp MPPT hoạt động tốt điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột, phản ứng bám điểm công suất cực đại với thời gian nhanh, độ điều chỉnh nhỏ Tuy nhiên, thuật toán INC có ưu điểm thuật toán P&O chẳng hạn như: dao động quanh điểm công suất cực đại hẹp thuật toán P&O; giảm thiểu hao tổn công suất phát dao động quanh điểm công suất cực đại thuật toán P&O Vì vậy, việc áp dụng thuật toán INC điều khiển MPPT cho hiệu tốt thuật toán P&O Ali Reza Reisi, Mohammad Hassan Moradi, Shahriar Jamasb (2013) Classification and comparison of maximum power point tracking techniques for photovoltaic system, pp 433-443 Chandani Sharma, Anamika Jain (2014) Solar Panel Mathemaical Modeling Using Simulink, Journal of Enginering Research and Applications, ISSN: 2248-9622, 4(5): 67-72 Hairul Nissah Zainudin, Saad Mekhile (2010) Comparison Study of Maximum Power Point Tracker techniques for PV Systems”, Proceeding of the 14 International Middle East Power Systems Conference, Cairo University, Egypt, December 19-21, paper ID 278 Hohm D.P and M.E.Ropp (2003) Comparative Study of Maximum Power point tracking algorithms, Progress in photovoltaic, research and application, pp 47-62 Hohm D.P (2000) Comparative study of maximum power point tracking algorithms using an experimental, programmable, maximum power point tracking test bed, pp 1699-1702, ISSN: 0160-8371 Nguyen Viet Ngu, Wang Hong-hua, Nguyen Xuan Truong, Vo Van Nam, Le Thi Minh Tam (2011) Simulation of Maximum Power point tracking for solar cells based on fuzzy control, Journal of Science and Development, 9(2): 278-285 TÀI LIỆU THAM KHẢO Sivagamasundari M.S., Dr.P MelbaMary, V.K Velvizhi (2013) Maximum power point tracking for photovoltaic system by perturb and observe method using buck boost converter, International Journal of Advanced research in electrical, Electronics and Instrumentation Engineering, 2(6), ISSN: 2278-8875 Akihiro.Oi (2005) Design and Simulation of Photovoltaic Water Pumping System, Electrical Engineering, Master of Science in Electrical Engineering San Luis Obispo: California Polytechnic State University, p 113 Vikrant.A.Chaudhari (2005) Automatic Peak Power Traker for Solar PV Modules Using dSpacer Software., Maulana Azad National Institute Of Technology Vol Degree of Master of Technology, Energy Bhopal: Deemed University, p 1463 ... xây dựng thuật toán, mô so sánh hai thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại dàn PV MÔ TẢ TOÁN HỌC PIN MẶT TRỜI Pin PV có mạch điện tương đương diode mắc song song với nguồn điện quang... Rs điện trở song song Rsh với tải RL Như vậy, mạch điện tương đương pin PV thể hình (Zainudin, 2010; Nguyen Viet Ngu, 2011; Sharma, 2014) Hình Sơ đồ mạch điện tương đương PV 1453 So sánh hai... thuật toán INC tốt so với thuật toán P&O, công suất dàn PV trường hợp sử dụng thuật toán INC bám sát công suất cực đại (MPP) hơn, hay nói cách khác phạm vi dao động quanh MPP nhỏ so với thuật toán
- Xem thêm -

Xem thêm: SO SÁNH HAI THUẬT TOÁN INC VÀ P&O TRONG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP, SO SÁNH HAI THUẬT TOÁN INC VÀ P&O TRONG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP, SO SÁNH HAI THUẬT TOÁN INC VÀ P&O TRONG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI CẤP ĐIỆN ĐỘC LẬP

Từ khóa liên quan