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 dị 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 cơng suất lớn MPPT 31 2.3.3.1 Thuật toán nhiễu loạn quan sát P&O 32 2.3.3.2 Thuật tốn 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 dịng khơng đổi 41 vii 2.4.4.2 Nạp với áp không đổi 41 2.4.4.3 Nạp 42 Chƣơng PHƢƠNG PHÁP 43 DÕ TÌM ĐIỂM CƠNG 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 giải thuật P&O Matlab 47 3.2.3 Nhược điểm giải thuật P&O 48 3.3 Giải thuật P&O cải tiến 50 3.3.1 Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 52 3.3.2 Mô giải thuật P&O cải tiến Matlab 53 3.4 Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch 54 3.4.1 Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 55 3.4.2 Mô giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 56 3.5 Phương pháp tăng tổng dẫn 58 3.5.1 Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn 59 3.5.2 Mô giải thuật tăng tổng dẫn 61 3.6 Nhận xét chung 62 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 BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG 64 TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT 4.1 Bộ chuyển đổi lượng từ DC – DC kết hợp MPPT 64 viii 4.1.1 Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC) 64 4.1.2 Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cựa đại) 66 4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng MPPT 68 4.1.2.2 Mô MPPT kết 71 4.2 Bộ chuyển đổi lượng từ DC – AC 72 4.2.1 Lý thuyết phương pháp điều rộng xung PWM 72 4.2.2 Bộ nghịch lưu áp pha 74 4.2.2.1 Bộ nghịch lưu áp pha dạng cầu 75 4.2.2.2 Mô nghịch lưu áp pha 78 4.2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha 79 4.2.3.1 Phân tích điện áp nghịch lưu áp ba pha 80 4.2.4 Mô theo phương pháp P&O 82 4.2.5 Mô theo phương pháp tăng tổng dẫn 83 4.2.6 Mô theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch 85 4.2.7 Nhận xét chung 86 Chƣơng KẾT LUẬN 88 5.1 Kết luận 88 5.2 Hướng phát triển đề tài 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 92 ix DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT GP : ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn đỉnh công suất Local Peaks : Những đỉnh công suất lớn MPP : ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà cơng suất thu cực đại MPPT : ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại P&O : ( Perturb & Observe ) thuật toán quan sát nhiễu loạn để đạt đến điểm cực đại PV : (photovoltaic) pin quang điện, biến quang thành điện x DANH SÁCH CÁC HÌNH HÌNH TRANG Hình 1.1: Sơ đồ tương đương pin mặt trời Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V – I pin mặt trời Hình 1.3: Mắc nối tiếp song song pin mặt trời tạo thành hay kết nối pin lại tạo thành dãy để đạt cơng suất cao Hình 1.4: Khi mắc nối tiếp pin mặt trời, dòng ngắn mạch hệ thống dòng ngắn mạch tấm, áp hở mạch hệ thống tổng áp hở mạch tất pin mặt trời hệ thống Hình 1.5: Khi mắc song song pin mặt trời, dòng ngắn mạch hệ thống tổng dòng ngắn mạch tất pin mặt trời hệ thống, áp hở mạch hệ thống áp hở mạch Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT hệ thống pin mặt trời Hình 1.8: Đường cong đặc tính I – V P - V hệ thống pin mặt trời Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I – V đặc tính tải cường độ xạ thay đổi Hình 1.10: (a)mơ hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V Hình 1.11: Đường cong đặc tính P – V thay đổi dãy PV bị bóng che 10 Hình 2.1: Cấu tạo pin mặt trời 13 Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 13 Hình 2.3: Hệ thống mức lượng E1 < E2 14 Hình 2.4: Các vùng lượng 14 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động pin mặt trời 16 Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V – I pin mặt trời 17 Hình 2.7: Sơ đồ tương đương pin mặt trời 17 Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I pin mặt trời 18 phụ thuộc vào cường độ xạ Mặt trời xi Hình 2.9: Đường cong đặc tính V - I pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt 19 độ pin Hình 2.10: Đường đặc tính tải đặc tính pin mặt trời 19 Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý giảm áp Buck 21 Hình 2.12: Dạng sóng điện áp dịng điện mạch Buck 21 Hình 2.13: Sơ đồ ngun lý mạch Boost 23 Hình 2.14: Dạng sóng dịng điện mạch Boost 23 Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 24 Hình 2.16: Mạch vịng điều khiển điện áp 25 Hình 2.17: Mạch vịng dịng điện phản hồi 26 Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC pha dạng nửa cầu hình cầu 26 Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu kiểu Full-bridge 27 Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc nghịch lưu kiểu Half-bridge 27 Hình 2.21: Ví dụ pin mặt trời mắc trực tiếp với tải trở 28 thay đổi giá trị điện trở Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc pin tải trở có giá trị 28 điện trở thay đổi Hình 2.23: Tổng trở vào Rin điều chỉnh D 30 Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I – V pin cường độ xạ 30 thay đổi mức nhiệt độ Hình 2.25: Đặc tính làm việc I – V pin nhiệt độ thay đổi 31 mức cường độ xạ Hình 2.26: Thuật tốn dị tìm điểm làm việc cơng suất lớn P&O 31 Hình 2.27: Đường cong P – V điều kiện dãy PV bị bóng che phần 32 Hình 2.28: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 33 Hình 2.29: Mối quan hệ tổng trở vào mạch Boost 34 hệ số làm việc D Hình 2.30: Lưu đồ thuật tốn P&O dùng phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu xii 35 Hình 3.1: Các trường hợp hở mạch (a), ngắn mạch (b), kết nối tải (c) 44 Hình 3.2: Đồ thị V-A cơng suất 44 Hình 3.3: Đồ thị xác định MPP 45 Hình 3.4: Đặc tính cơng suất phụ thuộc vào điện áp đầu 46 Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật P&O 47 Hình 3.6: Mơ Matlab simulink giải thuật P&O 48 Hình 3.7: Kết mơ thuật tốn P&O chiếu độ khơng đổi 48 Hình 3.8: Kết mơ thuật tốn P&O chiếu độ thay đổi 49 Hình 3.9: Hệ Pin PV phát lượng lưới điện 49 Hình 3.10: Khi chiếu độ thay đổi điểm công suất cực đại 50 sai theo giải thuật P&O Hình 3.11: Cấu tạo Cell PV 51 Hình 3.12: Đặc tuyến I-P PV chiếu độ thay đổi 53 Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến 53 Hình 3.14: Mơ Matlab simulink giải thuật P&O cải tiến 54 Hình 3.15: Kết mơ thuật tốn P&O chiếu độ khơng đổi 55 Hình 3.16: Kết mơ thuật tốn P&O chiếu độ thay đổi 55 Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch 57 Hình 3.18: Mơ Matlab simulink giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 58 Hình 3.19: Kết mơ thuật toán điều khiển điện áp hở mạch 59 chiếu độ khơng đổi Hình 3.20: Kết mơ thuật tốn điều khiển điện áp hở mạch 59 chiếu độ không đổi Hình 3.21: Đặc tuyến đường cong cơng suất PV 59 Hình 3.22: Mơ Matlab simulink giải thuật tăng tổng dẫn 61 Hình 3.23: Kết mơ thuật tốn tăng tổng dẫn chiếu độ khơng đổi 61 Hình 3.24: Kết mơ thuật tốn tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi 62 Hình 3.25: Sự giao động điểm MPP với phương pháp P&O cải tiến 63 xiii Hình 4.1: Những đường cong đặc tính I – V P – V module 64 cường độ xạ thay đổi từ 400W/m2 đến 1000W/m2 Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I – V P – V module 64 nhiệt độ thay đổi từ đến 75oC Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ xạ theo thời gian ngày 65 (số liệu ghi nhận có tính tương đối) Hình 4.4: Kết mơ thuật tốn P&O cường độ xạ 67 thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2 Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I – V P – V 68 hai tập hợp nhóm1 Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I – V P – V 68 hai tập hợp nhóm Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I – V P – V 69 tập hợp nhóm Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I – V P – V tập 69 hợp nối tiếp nhóm từ đến Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I – V P – V nhóm 70 từ đến Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I – V P – V dãy PV 71 Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P – V, tập hợp nối tiếp, nhóm, dãy 73 hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10, Hình 4.12: Kết mơ thuật toán P&O điều kiện dãy 75 PV bị bóng che phần Hình 4.13: Những đường cong đặc tính I – V P – V 75 hai tập hợp nhóm Hình 4.14: Những đường cong đặc tính I – V P – V 78 hai tập hợp nhóm Hình 4.15: Những đường cong đặc tính I – V P – V hai tập hợp nhóm xiv 80 Hình 4.16: Những đường cong đặc tính I – V P – V 81 hai tập hợp nhóm Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I – V P – V 81 tập hợp nhóm Hình 4.18: Mơ Matlab simulink theo phương pháp P&O Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu U a dịng điện pha ia 82 83 Hình 4.20: Dịng điện sau qua lọc 83 Hình 4.21: Mô Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn 84 Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu U a dịng điện pha ia 84 Hình 4.23: Dịng điện sau qua lọc 85 Hình 4.24: Mơ Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch 86 Hình 4.25: Điện áp nghịch lưu U a dịng điện pha Hình 4.26: Dịng điện sau qua lọc ia 86 87 xv Chương Bộ chuyển đổi lượng từ DC – DC, DC - AC 4.2.5.2 Dòng điện sau qua lọc: Dong dien sau qua bo loc Dong dien (A) 50 -50 0.02 0.025 0.03 Thoi gian 0.035 0.04 Hình 4.23 Dòng điện sau qua lọc Luận văn thạc sĩ 85 Lý Công Nguyên 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 Mơ 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 Dịng 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 khơng cao so với hai giải thuật cịn lại, đồng thời giải thuật phù hợp với ứng dụng mà nhiệt độ mơi trường thay đổi Đối với ứng dụng cần hiệu suất cao nên sử dụng thuật tốn P&O cải tiến thuật tốn tăng tổng dẫn thuật tốn tìm điểm cơng 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 tốn mơ thành cơng thuật tốn tìm điểm cơng suất cực đại P&O, thuật tốn tăng tổng dẫn, thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch - Mơ thành cơng mơ hình gồm hệ thống pin mặt trời, thuật tốn tìm điểm cơng 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 hồn chỉnh, cịn nhiều vấn đề chưa đề cập đến Nó mơ rời rạc thành phần hệ thống, chưa thể mô toàn hệ thống pin mặt trời để có nhìn tổng quan hoạt động tồn hệ thống Vì thực mơ 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 cịn 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 hịa lưới Và từ phát triển hệ thống điện mặt trời cơng suất lớn, hịa 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 CĨ TRONG LUẬN VĂN : Chươngtrìnhtìmđiểmcơngsuấtcựcđạitheophươngpháp 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