Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời

Nội dung text: Nghiên cứu thuật toán điều khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời

1. NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN SẠC TỐI ƯU CỦA HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI AN INVESTIGATION CONTROL ALGORITHM IMPROVE THE EFFICIENT OF THE CHARGER FOR SOLAR SYSTEM Huỳnh Lâm Ngọc Tâm Cao học Kỹ thuật Điện 2013B Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. HCM TÓM TẮT Bài báo này trình bày phương pháp dò tìm công suất cực đại Max Power Point Tracking (MPPT) theo thuật P&O, đây là một khâu quan trọng trong hệ thống sử dụng điện năng lượng mặt trời. Qua đó hệ thống sẽ thu được công suất lớn hơn so với hệ thống không sử dụng MPPT. Việc mô phỏng này được thực hiện bằng phần mềm Matlab/Simulink. Có thể kết luận từ kết quả nghiên cứu rằng giải thuật đề xuất có thể làm tăng hiệu suất của bộ sạc trong hệ thống pin mặt trời. Từ khóa: Pin mặt trời, điểm công suất cực đại, năng lượng. ABSTRACT This paper presents a detection method maximum capacity Max Power Point Tracking (MPPT) in P&O, this is an important step in the system using solar electric system will troi. Obtained greater capacity than the system does not use fake MPPT. The simulation results were performed by using Matlab/Simulink software. It can be concluded from the simulation results that the proposed algorithm can improve the efficient of the PV charger for the studied PV system. Keywords: Photovoltaic cell, Max Point Tracking, Energy. I.GIỚI THIỆU Những thách thức chính liên quan đến sử Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là vô tận, mục tiêu của đề tài nghiên cứu là làm quangđiện, liên quan đến chi phí lắp đặt cao và sao có thể tận thu được tối đa nguồn năng chuyển đổi năng lượng hiệu quả thấp. Điều lượng đó. Nước ta có vị trí địa lý gần vùng xích khiển chọn điểm công suất lớn nhất là một đạo nên năng lượng Mặt Trời chiếu xuống phương pháp tiếp cận được sử dụng để tối ưu hằng ngày là rất lớn, chúng ta cần phát triển hệ hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, do thống thu nhận nguồn năng lượng “vĩnh cữu” đó năng lượng phát ra từ mặt trời có thể được này. Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng trích xuất tối đa. mặt trời là một trong những hướng phát triển Mục đích của đề tài là chọn điểm công suất được nhiều sự chú ý vì những tính chất ưu việt lớn nhất của hệ thống quang điện để tối ưu hóa của nó như: luôn có sẵn, siêu sạch và gần như công suất có thể được chuyển từ hệ thống vô tận. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng quang điện cho một hệ thống điện. Nghiên cứu được nhiều nước trên thế giới sử dụng. Con và đưa ra giải thuật điều khiển MPPT để sạc tối người đã biết khai thác và sử dụng nguồn năng ưu của hệ thống pin năng lượng mặt trời. Với lượng này từ rất lâu, tuy nhiên việc sử dụng nó phương pháp điều khiển này nhằm chọn điểm một cách có hiệu quả và phục vụ cho nhiều có công suất lớn nhất của hệ pin mặt trời cấp mục đích khác nhau vẫn là vấn đề mà chúng ta điện cho tải DC là một phương pháp tối ưu với quan tâm. khả năng đáp ứng điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ, bức xạ với chi phí thấp. 1
2. II. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN 1. Pin quang điện và hệ MPPT Tổng quan về pin PV, mô hình và các công thức mô tả đặc tính pin PV: [1] Hình 4. Điểm cực đại của pin PV Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, do đó các điểm MPP cũng thay đổi, giả sử tải là một điện trở, ta có đường đặc tính Hình 1: Sơ đồ tương đương pin mặt trời làm việc sau: Hình 2. Mô tả đường đặc tính của PV trong trường hợp lý tưởng và trong thực tế Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện Hình 5. Sự phụ thuộc của đặc trưng VA pin PV có thể xem là trường hợp ngược lại của mặt trời vào cư ờng độ bức x ạ mặt trời diode quang. Diode quang nhận năng lượng Để tải hoạt động ở chế độ Maximum công điện sinh ra ánh sáng, pin PV nhận năng lượng suất PV, ta cần sử dụng bộ converter DC – DC ánh sáng sinh ra điện. linh kiện đóng cắt có thể là BJT, MOSFET, PV có đặc tính phi tuyến như hình sau: IGBT để thay đổi điện áp và dòng điện đầu ra sao cho thu được công suất lớn nhất. Vậy dòng điện, điện áp ngõ ra như thế nào để đạt được công suất cực đại của PV, điều khiển khoá đóng cắt ra sao ? Để đạt được đáp án này ta cần phải có giải thuật cho hệ MPPT. Giải thuật P & O cũng có hạn chế: nếu sự thay đổi môi trường quá nhanh, giải thuật P & O có thể không chính xác, tuy nhiên nó rất quan trọng là giải thuật cơ bản nhất để tìm hiểu Hình 3. Đặc tính phi tuyến PV về MPPT, là cơ sở để tiến đến các giải thuật phức tạp hơn. Trên hình vẽ ta thấy đặc tính PV có một điểm mà ở đó công suất thu được là cực đại, đó 2. Phân tích giải thuật P&O cũng chính là mục tiêu của hệ thống MPPT Như đã trình bày ở các mục trước, giải thuật P&O là phương pháp dò tìm điểm MPP thông qua sự thay đổi điện áp. Trong phần này ta sẽ giải thích rõ hơn về giải thuật P&O và nguyên nhân các hạn chế của giải thuật này với sự thay đổi nhanh của môi trường. Lưu đồ giải thuật P&O 2
3. khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được. Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.Vì những ưu điểm của bộ điều khiển số mà tác giả sẽ chọn phương pháp điều khiển số cho MPPT. 3. Kỹ thuật nâng cao hiệu suất của pin mặt trời III. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG MPPT (Maximum Power Point Tracker) là 1. Nghiên cứu Solar cell phương pháp dò tìm điểm làm việc có công Mô hình sử các khối trong SimElectronics suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt and Simulink, khối Solar cell được kết nối với trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá các cảm biến dòng và cảm biến áp để đo lường điện tử dùng trong bộ DC/DC. Phương pháp dòng điện và điện áp của Solar cell. Khối MPPT được sử dụng rất phổ biến tronghệ Irradiance level và Temperature cũng được kết thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang nối với mô hình. Các thông số mô phỏng với Is o dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc = 0,1nA, nhiệt độ T=25 C, dòng Ir0 được đặt với lưới. MPPT bản chất là thiết bị điện tử bằng 7,34A khi bức xạ mặt trời bằng công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để 1000W/m2 khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển. Hình 7. Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời Hình 6. Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống Công suất cực đại đạt được khi Rs nhỏ pin mặt trời nhất, Rs càng tăng thì công suất cực đại giảm, thể hiện theo hình dưới đây: Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng phát triển vì nó có nhiều ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự. Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều khiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự. Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính. Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn. Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận Hình 8. Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs 3
4. Tiến hành khảo sát đặc tuyến và đo giá với điện áp 17,8V, qua mạch Buck - Boost tạo trị Pm khi thay đổi Is thì cho thấy rằng điện áp ổn định 12V và nạp vào bình ắc quy để công suất cực đại giảm khi tăng Is, thể hiện lưu trữ sử dụng cho tải một chiều hay làm như hình dưới đây nguồn nghịch lưu thành điện xoay chiều trong điều kiện thời tiết xấu. Hình 11. Mô hình MPPT phương pháp P&O điều khiển sạc trong hệ thống pin năng lượng mặt trời So sánh 2 giá trị điện áp trong cùng điều kiện thay đổi độ rọi trong trường hợp có sử dụng thuật toán MPPT (đường nét liền) và không sử dụng thuật toán MPPT (đường nét Hình 9. Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi đứt) được thể hiện: 16 Tương tự, khảo sát đặc tuyến khi thay đổi T 14 cũng cho ta kết quả theo hình sau: 12 Vdc (V) 10 8 6 0 1 2 3 4 t (s) Hình 12. So sánh điện áp ra của PV Ta thấy rằng điện áp ngõ ra luôn đạt được giá trị cực đại khi có thuật toán P&O. Vì vậy, hiệu suất nạp vào ắc quy của bộ sạc sẽ được nâng cao. Hình 13 thể hiện dòng điện nạp vào của ắc quy và Hình 14 là đặc tính V-I của ắc quy khi hệ thống có áp dụng giải thuật MPPT để tối ưu điện áp DC. Kết quả mô phỏng từ Hình 13 cho thấy dòng điện nạp ắc quy sẽ giảm về 0 khi được nạp đầy. Mặc dù trong thực tế thời gian nạp sẽ lâu hơn nhiều nhưng trong phần mô phỏng này tác giả đã cho ắc quy nạp từ giá trị là 90%. Bên cạnh đó, với đặc tính V-I có được trong Hình 13, ta nhận thấy đặc tính Hình 10. Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay này phù hợp với đặc tính làm việc ở chế độ đổi bình thường của ắc quy. 2. Mô hình hóa hệ thống sạc của pin 16 14 năng lượng mặt trời 12 10 8 6 Iaq Iaq (A) Pin mặt trời nhận năng lượng bức xạ, tạo ra 4 2 0 nguồn điện 12V; 7,5A trên một sell. Tín hiệu -2 -4 0 1 2 3 4 dòng và áp được đo lường đưa vào giải thuật t (s) MPPT P&O dò tìm điểm có công suất lớn nhất Hình 13. Dòng điện nạp vào của ắc quy 4
5. 16 IV. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 14 12 10 Mô hình hóa “Nghiên cứu thuật toán điều 8 Vaq (V) 6 khiển sạc tối ưu của hệ thống pin năng lượng 4 mặt trời” đã hoạt động tốt và đúng với yêu cầu 2 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 đặt ra và có thể nâng cao hiệu suất sạc của hệ Iaq (A) Hình 14. Đặc tính V_I của ắc quy thống pin mặt trời. Mô hình có thể ứng dụng tại nhiều nơi, có thể làm nguồn cung cấp điện cho Nhận xét: Đầu tiên sẽ nạp ắc quy với dòng những hộ gia đình tại khu vực chưa phát triển không đổi cho đến khi đạt đến điện áp 14,4V điện lưới, hoặc làm nguồn cung cấp dự phòng (giai đoạn 1). Sau đó giữ nguyên giá trị điện áp khi cúp điện. Hướng phát triển tiếp theo: này, vì vậy dòng điện giảm dần cho đến giá trị - Ứng dụng pin mặt trời vào mô hình có bằng ¼ giá trị cực đại (giai đoạn 2). Lúc này ắc công suất lớn hơn trong đời sống. quy sẽ được nạp khoảng 90% dung lượng. Đến giai đoạn tiếp theo, điện áp nạp tự động giảm - Làm bộ nghịch lưu một pha để ứng dụng xuống và giữ ở điện áp nổi là 13,8V (giai đoạn được nhiều hơn cho tải xoay chiều. 3). Khi đó, ắc quy sẽ từ từ được khôi phục 10% - Tiếp tục phát triển và ứng dụng các giải dung lượng còn lại. Như vậy toàn bộ dung thuật dò tìm điểm công suất cực đại để nhanh lượng ắc quy sẽ được khôi phục nhanh chóng chóng bám sát điểm cực đại và ổn định. và an toàn. -Ứng dụng vào mô hình năng lượng mặt trời lớn, từ đó có thể kết nối với lưới điện 5
6. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Công Vân, Năng lượng mặt trời, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2005, 208 trang. [2]. Đặng Đình Thống, Pin mặt trời và ứng dụng, Nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2008, 152 trang. [3]. Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất 1, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh, 2012, 300 trang. [4]. Steven L. Brunton, Clarence W. Rowley, Sanjeev R. Kulkarni, and Charles Clarkson, Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Optimization Using Ripple-Based Extremum Seeking Control, Princeton University, Princeton, NJ 08544, 2010, pp 20. [5]. Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan, A Study 0f Maximum Power Point Tracking Algorithms for Stand alone Photovoltavic Systems, IEEE Applied Power Electronics Coloquium (IAPEC), 2011. [6]. Li Jiang, Resistance Control MPPT for Smart Converter PV System, Master of Science in Electrical Enginnering, April 19, 2012. [7]. John C. Wiles, Jr.Southwest, Photovoltaic System Grounding, Technology Development Institute, College of Engineering, New Mexico State University, October 2012. Thông tin liên hệ tác giả chính (người chịu trách nhiệm bài viết): Họ tên: Huỳnh Lâm Ngọc Tâm Đơn vị: Trung tâm Khuyến công và Tư vấn phát triển công nghiệp Tiền Giang Điện thoại: 0972 933 386 Email: tamscttg@gmail.com 6
7. 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.