Thạc Sĩ Tối ưu công suất trong hệ thống pin mặt trời

Luận văn thạc sĩ năm 2012
Đề tài: TỐI ƯU CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Định dạng file word

MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT i
DANH MỤC CÁC BẢNG .ii
DANH MỤC CÁC BIỂU ĐỒ , ĐỒ THỊ, SƠ ĐỒ, HÌNH ẢNH iii
MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của Đề tài: . 1
2. Mục đích của đề tài: . 1
3. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu: . 2
4. Kết quả dự kiến đạt được: 2
Chương 1
PHẦN TỔNG QUAN
1.1.Đặt vấn đề: [4],[5] 3
1.2.Các thuật toán MPPT:[14] . 5
1.2.1. Phương pháp P&O :[14] 5
1.2.2. Phương pháp INCond : [14] . 6
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
2.1.Tình hình năng lượng mặt trời: 9
2.1.1 Tình hình chung: . 9
2.1.2. Ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt nam: [5] . 9
2.2.Năng lượng mặt trời : . 11
2.2.1. Phổ Của Mặt Trời : 11
2.2.2. Định nghĩa tỷ số AM : . 13
2.2.3. Hiệu suất của vật liệu quang điện: . 15
2.3.Pin quang điện PV: 16
2.3.1. Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV: 16
2.3.2. Sơ đồ mạch PV khi có tính đến các tổn hao: . 17
2.3.3. Array PV và các ảnh hưởng tác động: . 19
Chương 3
CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC - DC
3.1.Bộ tạo xung DC ( DC choppers): . 24
3.2.Bộ chuyển đổi Buck: 25
3.3.Bộ chuyển đổi Boost: . 29
3.4.Bộ chuyển đổi Buck – Boost: 30
Chương 4
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN MỜ
4.1.Lý thuyết mờ: [8] . 33
4.1.1. Khái niệm cơ bản về điều khiển mờ: . 33
4.1.2. Định nghĩa tập mờ: [8] . 34
4.1.3. Các thuật ngữ trong logic mờ : 34
4.1.4. Biến ngôn ngữ: . 36
4.1.5. Các phép toán trên tập mờ: 37
4.1.6. Luật hợp thành : . 38
4.1.7. Giải mờ: . 49
4.1.8. Mô hình mờ Tagaki-Sugeno : . 51
4.1.9. Ví dụ: . 52
4.2. Điều khiển mờ trực tiếp: . 54
4.2.1. Cấu trúc bộ điều khiển mờ trực tiếp: . 54
4.2.2. Thiết kế bộ điều khiển mờ trực tiếp dựa vào kinh nghiệm chuyên gia 55
4.3.Điều khiển PID mờ : 56
4.3.1. Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Mamdani: . 56
4.3.2. Điều khiển PID mờ dùng hệ qui tắc Sugeno : . 60
4.3.3. Điều khiển hệ MIMO : . 61
Chương 5
ĐIỀU KHIỂN CHỌN ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
5.1. Giới thiệu về đặc tính tải : . 62
5.1.1. Tải điện trở: 62
5.1.2. Tải động cơ DC: . 64
5.1.3. Tải sạc pin: . 66
5.2. Điều khiển chọn điểm công suất cực đại (MPPT): . 67
5.2.1. Mục đích của MPPT: . 67
5.2.2. Các phương pháp điều khiển MPPT: . 68
Chương 6
SỬ DỤNG LOGIC MỜ ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT
6.1. Thuật toán logic mờ: . 74
6.1.1. Phương pháp điều khiển: . 74
6.1.2. Giải thuật: 75
6.1.3. Biến mờ: . 76
6.1.4. Qui tắc điều khiển mờ: . 79
6.1.5. Giải mờ: . 82
6.2. Mô hình hóa và kết quả mô phỏng các thành phần của hệ thống: 83
6.2.1. Pin qunag điện: 83
6.2.2. Bộ chuyển đổi DC – DC: . 86
6.2.3. Mô hình hóa bộ điều khiển MPPT: 90
Chương 7
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
7.1. Kết luận : . 102
7.2. Hạn chế: 102
7.3. Kiến nghị và hướng phát triển đề tài : 103
TÀI LIỆU THAM KHẢO 104
PHỤ LỤC .106
1. File.M xây dựng trên Matlab mô phỏng đặc tính PV 106
2. File.M xây dựng trên Matlab mô phỏng đặc tính PV khi cường độ chiếu sáng thay đổi,
nhiệt độ không đổi: 107
LÝ LỊCH KHOA HỌC 125
TÓM TẮT
Bài luận văn nghiên cứu một phương pháp điều khiển tốt để tối ưu công
suất hệ thống quang điện, dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ sáng thay đổi.
Phương pháp này sử dụng một bộ điều khiển logic mờ ứng dụng cho một thiết
bị chuyển đổi DC-DC. Trình tự các bước thiết kế của bộ điều khiển mờ được
trình bày cùng với các mô phỏng của nó. Kết quả mô phỏng thu được của bộ
điều khiển mờ được so sánh với bộ điều khiển quan sát nhiễu loạn (P&O). Kết
quả cho thấy bộ điều khiển mờ làm việc với hiệu suất cao, chắc chắn và thiết
kế đơn giản.
ABSTRACT

This master thesis research a fine control method for the maximum power point
tracking (MPPT) of a photovoltaic system under variable temperature and insolation
conditions. This method uses a fuzzy logic controller (FLC) applied to a DC-DC
converter device. The different steps of the design of this controller are presented
together with its simulation. Results of this simulation are compared to those
obtained by the perturbation and observation controller. They The results show
that fuzzy controllers work with high performance, compact and simple design.

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết c ủa Đ ề tài:
Từ khi phát hiện ra lửa thì nhu cầu về năng lượng của con người ngày càng
tăng, con người cần năng lượng để phục vụ cho những nhu cầu trong cuộc sống của
mình, từ những nhu cầu đơn giản như sưởi ấm cho đến việc cung cấp cho các cỗ
máy hoạt động. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ
đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt năng lượng. Ngoài ra
các dạng năng lượng này thường ở dạng hóa thạch và khi sử dụng luôn gây ra ô
nhiễm môi trường xung quanh và làm tăng hiệu ứng nhà kính.
Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới thân thiện với môi
trường như năng lượng: địa nhiệt, thủy triều, gió và mặt trời là hướng quan trọng
trong kế hoạch phát triển năng lượng.
Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng
phát triển được nhiều sự chú ý vì những tính chất ưu việt của nó như: luôn có sẵn,
siêu sạch và gần như vô tận. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được nhiều
nước trên thế giới sử dụng. Con người đã biết khai thác và sử dụng nguồn năng
lượng này từ rất lâu, tuy nhiên việc sử dụng nó một cách có hiệu quả và phục vụ
cho nhiều mục đích khác nhau vẫn là vấn đề mà chúng ta quan tâm.
Những thách thức chính liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt
là quang điện, liên quan đến chi phí lắp đặt cao và chuyển đổi năng lượng hiệu quả
thấp. Điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất là một phương pháp tiếp cận được sử
dụng để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, do đó năng lượng phát ra
từ mặt trời có thể được trích xuất tối đa.
2. Mục đích c ủa đề tài:
- Điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất hệ thống cho hệ thống quang điện,
để tối ưu hóa công suất có thể được chuyển từ hệ thống quang điện cho một hệ
thống điện. Sử dụng điều khiển logic mờ (FLC)chọn điểm công suất lớn nhất hệ
thống pin mặt trời cấp cho tải DC là một phương pháp thông minh.
3. Cách ti ếp cận và ph ương pháp nghiên cứu :
- Nghiên cứu các đặc tuyến làm việc của các tấm pin quang điện
- Nghiên cứu các bài báo về ứng dụng các phương pháp điều khiển chọn
điểm công suất lớn nhất hệ thống pin mặt trời cấp cho tải DC.
- Nghiên cứu mô phỏng pin quang điện và MPPT
- Sử dụng logic mờ điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất hệ thống pin
mặt trời cấp cho tải DC
4. Kết quả dự kiến đạt đ ược:
- Kết hợp bài toán điều khiển mờ và bài toán tối ưu công suất trong hệ thống
pin mặt trời.

Chương 1
PHẦN TỔNG QUAN
1.1.Đặt vấn đ ề : [4],[5]
Như chúng ta đã biết mốc lịch sử rất quan trọng trong lịch sử phát triển của loài
người là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như củi rừng
để duy trì ngọn lửa, nhờ đó đã phát triển thành một nền văn minh của nhân loại và
thoát khỏi cuộc sống của động vật. Sau nhiều nghìn năm mãi đến thế kỷ thứ nhất
trước công nguyên con người mới biết dùng sức nước để làm quay guồng nước, và
đến đầu thế kỷ thứ XII mới biết sử dụng sức gió để làm quay cối xay gió. Khoảng
nửa cuối thế kỹ thứ XVIII con người mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa
thạch như: than đá, dầu và khí đốt tự nhiên. Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện
nguyên tử đầu tiên của thế giới ra đời, nhờ đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng
lượng của con người và đưa nền văn minh của nhân loại tiến một bước dài như ngày
nay.
Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con người khai thác đến
một lúc nào đó sẽ hết, hơn nữa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên
liệu hóa thạch, thủy điện và điện nguyên tử đã để lại cho loài người những hậu
quả về tác động môi trường là vô cùng lớn lao. Một trong những hậu quả đó là
khi sử dụng các nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trường các loại khí độc làm ô
nhiễm bầu khí quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại của hiện tượng này đã
làm thay đổi khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai của loài
người.
Ngày nay, khi mà tiềm năng thủy điện đã được con người khai thác gần hết, còn
các nguồn nhiên liệu như: than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong
tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều
tranh cãi bởi sự độc hại của nó thì việc nghiên cứu tìm ra các nguồn năng lượng mới
và sạch đã trở thành nghiên cứu mũi nhọn của nhiều quốc gia, đặt biệt là các nước
phát triển. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con người đã đạt
được những thành công nhất định: Đó là sự ra đời của các trung tâm phát
điện dùng năng lượng gió, năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn
mega oát. Tuy nhiên những nguồn năng lượng trên tương đối phụ thuộc vào tự
nhiên.
Hòa cùng xu hướng phát triển về khoa học kỹ thuật trên thế giới, thì
trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và
năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta đã được triển khai khá mạnh mẽ và rộng
khắp. Vì vậy, chúng ta cần phải nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận
này một cách tốt nhất và có hiệu quả nhất.
Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát
triển được nhiều sự chú ý vì những tính chất ưu việt của nó như: luôn có sẵn, siêu
sạch và gần như vô tận. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được nhiều nước
trên thế giới sử dụng. Con người đã biết khai thác và sử dụng nguồn năng lượng này
từ rất lâu, tuy nhiên việc sử dụng nó một cách có hiệu quả và phục vụ cho nhiều
mục đích khác nhau vẫn là vấn đề mà chúng ta quan tâm.
Những thách thức chính liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt
là quang điện: Chi phí lắp đặt cao và chuyển đổi năng lượng hiệu quả thấp. Điều
khiển chọn điểm công suất lớn nhất là một phương pháp tiếp cận được sử dụng để
tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, do đó năng lượng phát ra từ mặt
trời có thể được trích xuất tối đa.
Chính vì vậy, đề tài “Tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời” với
mục đích sử dụng logic mờ điều khiển chọn điểm công suất lớn nhất hệ thống pin
mặt trời cấp cho tải DC.
Trong phạm vi luận văn tôi xin trình bày đến phương thức : Quang năng ->

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Roberto Faranda, S.L., Energy Comparison of MPPT Techniques for PV
Systems. WSEAS Trans. on POWER SYSTEMS, vol. 3, No.6.
[2] V. Salas, E.O., A. Barrado, A. Lazaro, Review of the Maximum Power Point
Tracking Algorithms for Stand-alone Photovoltaic Systems, Solar Energy Materials
and Solar Cells, 2006, p.p 1555–1578.
[3] Hohm, D.P. and M.E. Ropp, Comparative Study of Maximum power point
tracking algorithms, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2003,
Vol.11, No.1, pp. 47-62.
[4] Nguyễn Công Vân, 2005, Năng lượng mặt trời,nhà xuất bản khoa học và kỹ
thuật

[5] http://www.dienmattroi.com/ung-dung-doi-song/144-ung-dung-nang-luong-mat-troi-
tai-viet-nam.html.
[6] Gilbert, 2004, Chapter 8, Chapter 9, Renewable and efficient electric power systems.
[7] MUHAMMAD H. RASHID Ph.D., Fellow IEE, Fellow IEEE- Power Electronics
Handook.
[9] Nguyễn Trừờng Đan Vũ - luận văn: Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật ANN-IncCond
MPPT cho hệ thống Pin mặt trời dựa trên nền tảng FPGA.– năm 2010
[10] Trishan Esram, Student Member, IEEE, and Patrick L. Chapman, Senior Member,
IEEE - Comparison of Photovoltaic Array Maximum Power Point Tracking Techniques
- IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 22, NO. 2, JUNE 2007
[11] B. Amrouche, M. Belhame and A. Guessoum - Artificial intelligence based P&O
MPPT method for photovoltaic systems - Revue des Energies Renouvelables ICRESD-
07 Tlemcen (2007) 11 – 16
[12] Weidong Xiao, Student Member, IEEE, William G. Dunford, Senior Member,
IEEE, Patrick R. Palmer, Member, IEEE, and Antoine Capel - Application of Centered
Differentiation and Steepest - Descent to Maximum Power Point Tracking - IEEE
TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS, VOL. 54, NO. 5, OCTOBER
2007.
[13] Ting-Chung Yu, Yu-Cheng Lin A -Study on Maximum Power Point Tracking
Algorithms for Photovoltaic Systems - lunghwa university of Science and Technology
2010.12.
[14] Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan - A Study of Maximum Power Point Tracking
Algorithms for Stand-alone Photovoltaic Systems - 2011 IEEE Applied Power
Electronics Colloquium (IAPEC).
[15] Slamet Widodo - Microcontroller Implementation of Low-Cost Maximum Power
Point Tracking Methods for Photovoltaic System -Southern Taiwan University ,
Master’s Thesis, 2010.
[16] Pongsakor Takun, Somyot Kaitwanidvilai and Chaiyan Jettanasen-Maximum
Power Point Tracking using Fuzzy Logic Control for Photovoltaic Systems- Proceedings
of International Multiconference of Engineers and Computer Scientists 2011 Vol II,
IMECS 2011, March 16-18. 2011, Hong Kong.
[17] M.S. Aït Cheikh, C. Larbes, G.F. Tchoketch Kebir and A. Zerguerras - Maximum
power point tracking using a fuzzy logic control scheme - Revue des Energies
Renouvelables Vol. 10 N03 (2007) 387 – 395.
[18] Kiều Xuân Thực Vũ Thị Thu Hương, Vũ trung Kiên - Vi điều khiển: cấu trúc – lập
trình và ứng dụng - Nhà xuất bản giáo dục viện nam 11 năm 2010
[19] http://www.mathworks.com/matlabcentral/fileexchange.