Điều khiển tối ưu hệ thống pin quang điện

Nội dung text: Điều khiển tối ưu hệ thống pin quang điện

1. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN OPTIMAL CONTROL IN PHOTOVOLTAICSSYSTEM (1)Phạm Văn Để, (2)TS. Huỳnh Châu Duy (1)Trường Đại học SPKT TP. HCM, (2)TrườngĐại học Công nghệ TP. HCM TÓM TẮT Ngày nay, việc thiếu hụt nguồn năng lượng đang là vấn đề nghiêm trọng với nhiều quốc gia trên thế giới. Để giải quyết vấn đề trên thì các nguồn năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời đang được xem là nguồn năng lượng bổ sung. Nhưng khó khăn chính của việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là chi phí đầu tư cao, hiệu suất thấp. Trong bài báo này chỉ giải quyết vấn đề tối ưu về công suất. Giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện được đề xuất trong bài báo này đó là giải thuật INC cải tiến. Giải thuật INC cải tiến dựa trên nền tảng giải thuật INC thông thường. Tuy nhiên, giải thuật INC cải tiến có nhiều ưu điểm vượt trội hơn như: Giải thuật INC cải tiến có độ thay đổi điện áp (ΔV) không cố định mà thay đổi một cách tối ưu để nhanh đạt đến điểm công suất cực đại. Khi ở xa điểm công suất cực đại thì ΔV lớn, gần điểm công suất cực đại thì ΔV nhỏ dần và bằng không tại điểm công suất cực đại. Chính vì sự thay đổi giá trị điện áp một cách tối ưu nên giải thuật INC cải tiến tìm được điểm công suất cực đại nhanh hơn giải thuật INC thông thường, độ dao động tại điểm công suất cực đại bằng không nên giảm được tổn hao công suất do việc dao động quanh điểm công suất cực đại. Từ khóa: Pin quang điện, INC với bước nhảy thay đổi, Thuật toán INC cải tiến. ABSTRACT Nowaday, the the lack of energy is a serious problem for many countries around the world. To solve the above problem, renewable energy sources, especially solar energy is being considered as a additional energy source. But the main difficulty of using solar energy is the high investment cost, low performance. This paper only solve the optimization problem of power. Algorithm to find the maximum power point of the photovoltaic system is proposed that the algorithm Modified Incremental Conductance. Modified Incremental Conductance algorithm based on conventional algorithms Incremental Conductance. However, Modified Incremental Conductance algorithm has many outstanding advantages such as: Modified Incremental Conductance algorithm has a voltage change (ΔV) is not constant but changes in an optimal way to quickly reach the maximum power point. When away from the maximum power point, the large ΔV, near maximum power point is smaller and ΔV is zero at the maximum power point. Because the voltage value changes optimal, Modified Incremental Conductance algorithm to find the maximum power point faster than conventional Incremental Conductance algorithms, variation in the maximum power point by zero, reducing power losses due to fluctuating around the maximum power point. Key words:Photovoltaic(PV), A variable step size INC, Modified Incremental Conductance algorithm. 1
2. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT I. GIỚI THIỆU Để giải quyết các bài toán về hiệu suất của pin Quang điện, cần phải có một phương pháp để nhận công suất cực đại từ hệ thống pin Quang điện. Ngày nay với sự phát triển ngày càng nhanh của ngành điện tử công suất và khoa học về vật liệu đã giúp cho các kỹ sư tiếp cận với các hệ thống điện tử công suất hiện đại, công suất lớn, kích thước nhỏ gọn đáp ứng được nhu cầu chuyển đổi công suất hiệu suất cao. Chính nhờ những hệ thống điện tử công suất này mà hiệu suất của pin Quang điện được tăng lên, nhưng nhược điểm của các hệ thống này là tiêu tốn thêm một lượng công suất. Nhưng do chi phí của một hệ thống pin Quang điện vẫn còn rất cao và hiệu suất còn thấp nên nó chưa thể cạnh tranh tốt trong thị trường điện và trở thành nguồn năng lượng chính. Việc phát triển đều đặn các kỹ thuật sản xuất pin Quang điện sẽ làm việc sử dụng của công nghệ này ngày một rộng rãi hơn trong thực tế. Việc ứng dụng các giải thuật MPPT đã dẫn đến việc tăng hiệu suất hoạt động của các mô đun pin Quang điện [2]. Trong bài báo này, một giải thuật mINC dựa trên giải thuật INC truyền thống với bước nhảy điện áp thay đổi tối ưu đã cho thấy một kết quả tốt trong việc dò tìm điểm công suất cực đại với sự thay đổi mạnh của điều kiện môi trường. Các kết quả mô phỏng đã cho thấy giải thuật mINC hiệu quả hơn so với các giải thuật cũ trước đây. II. TRƯỜNG HỢP NGHIÊN CỨU 1. Mô hình pin Quang điện Để thuận tiện trong việc tính toán, thiết kế, một mạch điện tương đương được đưa ra để thay thế pin Quang điện. Hình 2.1: Mạch điện tương đương của pin Quang điện Mạch điện gồm có dòng quang điện IPH, điot (DJ), điện trở dòng rò RSH và điện trở nối tiếp RS, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V. Dựa trên mạch điện tương đương của pin Quang điện được đưa ra trong hình 2.1, một phương trình toán học được đưa ra để thể hiện mối tương quan giữa dòng điện và điện áp ngõ ra của pin Quang điện. q VI R VI I I I e kTC A 1 R (2.1) PH S R SH Trong đó: IPH: Dòng quang điện (A) V & I: Điện áp và dòng điện ngõ ra của cell (V & A) Is: Dòng bão hòa ngược của cell (A) q: Điện tích của electron, q = 1,6*10-19(C) 2
3. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT k: Hằng số Boltzmann, k =1,38*10-23(J/K) 0 TC: Nhiệt độ tuyệt đối ( K) A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ Công nghệ Si- monoA=1.2, Si-Poly A = 1.3 Rs: Điện trở nội nối tiếp (Ω) Rsh: Điện trở nội song song (Ω) Phương trình đặc trưng của một môđun pin Quang điện phụ thuộc vào số lượng cell mắc nối tiếp và song song. Nó được khảo sát từ các kết quả thực nghiệm rằng sự dao động của dòng điện là ít phụ thuộc vào điện trở mắc song song mà phụ thuộc nhiều vào điện trở mắc nối tiếp [2]. V RS I* NN q Sp N p kTC A VR( ) I* s N I N I N I e 1 s (2.2) PPSPH Rsh Trong đó: Ns: Số cell mắc nối tiếp Np: Số cell mắc song song 2. Mô hình hệ thống pin Quang điện nối lưới: Li Lg Vi Vg Vs IGBT Cdc inverter Ia Ib Ic abc→dq Cf Va Vb Vc Is Carrier PWM Iq Iq PLL wave Modulation MPPT V*abc Vq Vd abc→dq ωt Vmppt + I*d - V*d V*q Id PI_V Vq Iq_ref=0 + Vd + - + + Iq PI_d PI_q - + + + - Id_ref Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của hệ thống pin Quang điện nối lưới Nguyên lý hoạt động như sau: Một bộ nghịch lưu PWM 6 bước thông thường với 6 xung kích được tạo ra bằng cách so sánh sóng mang tần số cao với sóng điều khiển, sóng điều khiển được tính toán bằng cách chuyển đổi tín hiệu điều khiển V*dvà V*q thành tín hiệu V*abc thông qua bộ biến đổi dq abc, kết hợp với góc pha lấy được từ điện áp lưới (thông qua bộ PLL) để hòa đồng bộ với lưới điện. Trong đó, V*dvà V*qđược tạo ra bằng cách cộng hai tín hiệu điện áp lưới Vd và Vq với sai số của dòng điện điều khiển (Id_ref- Id) và (Iq_ref - Iq) (thông qua bộ hiệu chỉnh sai số PI_d và PI_q). Với Iq_ref bằng 0, ta có công suất phản kháng Q bơm lên lưới bằng 0. Mặt khác, đại lượng Id_ref được tính toán bằng cách lấy hiệu dòng điện I*d (được tính từ khối MPPT) với sai số của điện áp tham chiếu (Vmpp– Vs). 3
4. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Các mô hình pin Quang điện, bộ MPPT, mạch nghịch lưu được mô hình hóa và mô phỏng thực hiện trong Matlab Simulink như hình sau: Hình 2.3: Mô phỏng hệ thống pin Quang điện nối lưới 2.1 Khối hệ thống pin Quang điện Hình 2.4: Mô phỏng khối pin Quang điện 2.2 Khối điều khiển Hình 2.5: Mô phỏng khối điều khiển 4
5. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT 2.3 Khối mạch nghịch lưu Hình 2.6: Mô phỏng khối mạch nghịch lưu 2.4 Khối đo lường Hình 2.7: Mô phỏng khối đo lường 3. Giải thuật INC cải tiến đề xuất Phương pháp INC (Incremental Conductance) dựa trên đạo hàm P-V của đường cong pin Quang điện có thể được miêu tả như sau: 5
6. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Hình 2.8: Độ dốc (dP/dV) của pin Quang điện Ta có: dP/dV = 0, tại điểm MPP dP/dV> 0, bên trái điểm MPP dP/dV - I/V, bên trái điểm MPP dI/dV< - I/V, bên phải điểm MPP Kết hợp với đường đặc tuyến dP/dV như hình 2.9 ta thành lập được lưu đồ giải thuật INC cải tiến như hình 2.10 Hình 2.9: Đặc tuyến dP/dV 6
7. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Lưu đồ giải thuật INC cải tiến được thành lập: Bắt đầu Ngõ vào: V(k), I(k) dV=V(k)-V(k-1), dI=I(k)-I(k-1) dP=V(k)*I(k)-V(k-1)*I(k-1) Step=N*abs(dP/dV) dV=0 Sai Đúng Đúng Đúng V(k)=V(k-1) dI/dV=-I/V dI=0 V(k)=V(k-1) Sai Sai Đúng Đúng dI/dV>-I/V dI>0 Sai Sai V(k)=V(k-1)+Step V(k)=V(k-1)-Step V(k)=V(k-1)-Step V(k)=V(k-1)+Step Cập nhật V(k-1)=V(k), I(k-1)=I(k) Quay về Hình 2.10: Lưu đồ giải thuật INC cải tiến Dựa vào lưu đồ giải thuật ta lập trình trong cho khối MPPT như sau: function [Pnew,Vref,step,dPV] = do_mppt(Vnew,Inew,Vold,Iold) % Intinial interation N=1; dV=Vnew-Vold; dI=Inew-Iold; Pnew=Vnew*Inew; dP=Vnew*Inew-Vold*Iold; step=N*abs(dP/dV); dPV = dP/dV; if step =20 step=20; end if dV==0 if dI==0 Vref=Vold; elseif dI>0 Vref=Vold+step; 7
8. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT else Vref=Vold-step; end else if dI/dV==-Inew/Vnew Vref=Vold; elseif dI/dV>-Inew/Vnew Vref=Vold+step; else Vref=Vold-step; end end end III. KẾT QUẢ Đồ thị bức xạ NLMT dùng trong mô phỏng được mô tả như hình 3.1 bên dưới: Do thi buc xa NLMT ) 2 1 0.8 Buc xa Buc (kW/m 0.4 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Thoi gian (s) Hình 3.1: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của bức xạ NLMT Do thi Vdc 800 700 600 500 400 300 Dienap (V) 200 100 0 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Thoi gian (s) Hình 3.2: Đồ thị Vpv 8
9. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Do thi cong suat P (W) Q (Var) 5000 4000 2000 0 Congsuat -2000 -4000 -5000 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Thoi gian (s) Hình 3.3: Đồ thị công suất ngõ ra của pin Quang điện Từ các hình 3.1, 3.2, 3.3 ta nhận thấy rằng khi bức xạ mặt trời thay đổi thì Vpv thay đổi theo. Điện áp Vpv thay đổi là do bộ điều khiển MPPT quyết định và Vpv luôn đảm bảo sao cho Vpv = Vmpp, tại bức xạ 1 (kW/m2) giá trị công suất tác dụng bơm vào lưới đạt giá trị 4593 (W) và Vmpp = 676 (V), tại bức xạ 0,4 (kW/m2) giá trị công suất tác dụng bơm vào lưới đạt giá trị 1697 (W) và Vmpp = 628 (V), tại bức xạ 0,8 (kW/m2) giá trị công suất tác dụng bơm vào lưới đạt giá trị 3598 (W) và Vmpp = 663 (V). Đáp ứng của hệ thống tương đối nhanh trong vòng 2 chu kì tại thời điểm bức xạ thay đổi (t = 2s và t = 3s). Do thi Idc 10 9 8 7 6 5 4 Dongdien (A) 3 2 1 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Thoi gian (s) Hình 3.4: Đồ thị dòng điện ngõ ra của pin Quang điện Từ dạng đồ thị của dòng điện ngõ ra của pin Quang điện ta có dòng bơm vào lưới tương ứng thông qua bộ nghịch lưu. 9
10. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT Dong dien Ig 50 25 0 Dongdien (A) -25 -50 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Thoi gian (s) Hình 3.5:Đồ thị dòng điện bơm vào lưới thông qua bộ nghịch lưu Do thi dien ap Vg 400 300 200 100 0 -100 Dienap (V) -200 -300 -400 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 Thoi gian (s) Hình 3.6: Đồ thị điện áp lưới FFT window: 4 of 20 cycles of selected signal 5 0 -5 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 Time (s) Fundamental (50Hz) = 7.613 , THD= 3.75% 1.5 1 0.5 Mag Mag (% of Fundamental) 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Frequency (Hz) 4 x 10 Hình 3.7: Thông số sóng hài dòng điện bơm vào lưới 10
11. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT FFT window: 4 of 20 cycles of selected signal 200 0 -200 0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38 0.39 Time (s) Fundamental (50Hz) = 310.4 , THD= 0.32% 0.09 0.08 0.07 0.06 0.05 0.04 0.03 Mag Mag (% of Fundamental) 0.02 0.01 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 Frequency (Hz) 4 x 10 Hình 3.8: Thông số sóng hài điện áp lưới Từ các hình 3.7, 3.8 ta nhận thấy rằng với giải thuật mINC, dòng điện bơm vào lưới có độ méo dạng sóng hài thấp (THD = 3,75 %). Độ méo dạng sóng hài điện áp lưới thấp (THD = 0,32 %). Theo tiêu chuẩn hòa lưới độ méo dạng sóng hài phải nhỏ hơn 5 %. IV. KẾT LUẬN Hệ thống pin Quang điệnkết hợp bộ điều khiển MPPT với giải thuật INC cải tiến cho thấy kết quả mô phỏng tốt, thời gian đáp ứng nhanh, độ méo dạng sóng hài thấp. Ngoài ra thời gian quá độ của hệ thống khi xuất hiện sự thay đổi cường độ bức xạ mặt trời từ môi trường bên ngoài không quá 2 chu kì điện áp lưới điện phân phối, cho thấy khả năng đáp ứng rất nhanh với sự thay đổi cường độ bức xạ mặt trời liên tục của môi trường bên ngoài. Bộ nghịch lưu có hệ số công suất bơm vào lưới điện xấp xỉ bằng 1điều này có thể coi như hệ thống mô phỏng chỉ bơm thành phần công suất tác dụng và không bơm thành phần công suất phản kháng lên lưới điện phân phối. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Công Vân, “Năng lượng mặt trời”, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, Tp.HCM, 2005. [2] Huan-Liang Tsai, Ci-Siang Tu, and Yi-Jie Su, “Development of Generalized Photovoltaic Model Using MATLAB/SIMULINK”, Proceedings of the World Congress on Engineering and Computer Science 2008 WCECS 2008, October 22 - 24, 2008, San Francisco, USA. [3] M. G. Villalva, J. R. Gazoli, E. Ruppert F, "Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays", IEEE Transactions on Power Electronics, 2009 vol. 25, no. 5, pp. 1198- 1208, ISSN 0885-8993. [4] Mummadi Veerachary, "Control of TI-SEPIC Converter for Optimal Utilization of Pin quang điện Power", IICPE, 2010 New Delhi. 11
12. TẠP CHÍ KHOA HỌC GIÁO DỤC KỸ THUẬT [5] M. Berrera, A. Dolara, R. Faranda and S. Leva, “Experimental test of seven widely-adopted MPPT algorithms”, 2009 IEEE Bucharest Power Tech Conference, June 28th - July 2nd, Bucharest, Romania. [6] M. Liserre, F. Blaabjerg, S. Hansen, “Design and control of an LCL filter based three-phase active rectifier,” thirty-Sixth IAS Annual Meeting Conference Record of the 2001 IEEE, vol.1, pp. 299-307, 2001. [7] M.A.Elsaharty, H.A.Ashour, “Passive L and LCL Filter Design Method for GridConnected Inverters,” 2014 IEEE Innovative Smart Grid Technologies - Asia (ISGT ASIA). [8] Fangrui Liu, Shanxu Duan, Fei Liu, Bangyin Liu, and Yong Kang, “A Variable Step Size INC MPPT Method for Pin quang điện Systems”, IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 55, NO. 7, JULY 2008. [9] Trần Quang Thọ - Trương Việt Anh, MPPT VOLTAGE REGULATING IN THREE-PHASE GRID-CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEM, Science & Technology Development, Vol 15, No.K2- 2012, November 20th, 2012. [10] Li Jiang, Resistance Control MPPT for Smart Converter PV System, Master of Science in Electrical Engineering, April 19, 2012. [11] Joe-Air Jiang - Tsong-Liang Huang - YingTung Hsiao - Chia Hong Chen, Maximum Power Tracking for Photovoltaic Power Systems, Tamkang Journal of Science and Engineering, Vol. 8, No 2, pp. 147-153 (2005). [12] Samer Alsadi-Basim Alsayid, Maximum Power Point Tracking Simulation for Photovoltaic Systems Using Perturb and Observe Algorithm, International Journal of Engineering and Innovative Technology (IJEIT) Volume 2, Issue 6, December 2012. Thông tin tác giả chính: Họ tên: Phạm Văn Để Đơn vị: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành phố Hồ Chí Minh Điện thoại: 0937774416 Email: phamde2011@gmail.com 12
13. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.