Luận văn thạc sĩ tự động hóa thiết kế mô hình hóa và điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời

Luận văn thạc sĩ tự động hóa thiết kế mô hình hóa và điều khiển bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời, ứng dụng công nghệ hiện đại.

• Tác giả: Nguyễn Minh Huy
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Minh Phương
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế, mô hình hóa và điều khiển năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2013
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Luận văn thạc sĩ

Luận văn thạc sĩ này tập trung vào việc thiết kế, mô hình hóa và điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời. Nghiên cứu được thực hiện bởi Nguyễn Minh Huy tại Trường Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh, dưới sự hướng dẫn của PGS.TS Lê Minh Phương. Luận văn đã được bảo vệ thành công vào ngày 31/12/2014. Công trình này đóng góp quan trọng vào lĩnh vực tự động hóa và công nghệ năng lượng mặt trời, với mục tiêu tối ưu hóa hiệu suất và tính ổn định của hệ thống.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của luận văn thạc sĩ là thiết kế và điều khiển các bộ biến đổi công suất trong hệ thống năng lượng mặt trời dạng micro grid. Nghiên cứu bao gồm việc đề xuất giải pháp phần cứng, mô hình hóa các bộ điều khiển, và phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu. Các bộ biến đổi được nghiên cứu bao gồm bộ sạc, bộ nghịch lưu pha, và bộ nghịch lưu 3 pha hòa lưới. Mục tiêu cuối cùng là tạo ra một hệ thống có khả năng hoạt động ổn định, hiệu quả, và dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng thực tế.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm mô hình hóa hệ thống bằng phần mềm Matlab/Simulink, sử dụng các thuật toán như MPPT (Maximum Power Point Tracking) và Fuzzy Logic để điều khiển các bộ biến đổi. Ngoài ra, nghiên cứu còn thực hiện các thí nghiệm thực tế sử dụng card điều khiển DSP C2000 để kiểm chứng hiệu quả của các giải pháp đề xuất. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm được so sánh để đánh giá tính khả thi và hiệu suất của hệ thống.

II. Tự động hóa thiết kế

Tự động hóa thiết kế là một trong những trọng tâm của luận văn, với mục tiêu tối ưu hóa quá trình thiết kế các bộ biến đổi công suất. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp tự động hóa trong việc thiết kế phần cứng và phần mềm, giúp giảm thiểu thời gian và chi phí phát triển. Các bộ biến đổi được thiết kế với khả năng linh hoạt cao, có thể dễ dàng tích hợp vào các hệ thống năng lượng mặt trời khác nhau.

2.1. Thiết kế phần cứng

Phần cứng của các bộ biến đổi công suất được thiết kế dựa trên các yêu cầu kỹ thuật cụ thể, bao gồm bộ sạc, bộ nghịch lưu pha, và bộ nghịch lưu 3 pha hòa lưới. Các bộ biến đổi này được thiết kế để đạt hiệu suất cao, độ ổn định tốt, và khả năng tích hợp với các hệ thống năng lượng mặt trời hiện có. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa kích thước và chi phí sản xuất.

2.2. Thiết kế phần mềm

Phần mềm điều khiển được phát triển dựa trên các thuật toán tiên tiến như MPPT và Fuzzy Logic. Các thuật toán này được tích hợp vào các bộ điều khiển để đảm bảo hệ thống hoạt động ở điểm công suất cực đại và đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của môi trường. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tăng tính linh hoạt và khả năng mở rộng của hệ thống.

III. Điều khiển bộ biến đổi

Điều khiển bộ biến đổi là một trong những yếu tố quan trọng nhất trong nghiên cứu này. Luận văn tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển tiên tiến để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của các bộ biến đổi công suất. Các thuật toán được đề xuất bao gồm MPPT, Fuzzy Logic, và bộ lọc thích nghi, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả trong các điều kiện môi trường khác nhau.

3.1. Thuật toán MPPT

Thuật toán MPPT được sử dụng để dò tìm điểm công suất cực đại của các tấm pin mặt trời, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu đề xuất các cải tiến trong thuật toán MPPT để tăng độ chính xác và tốc độ đáp ứng của hệ thống. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy thuật toán đề xuất đạt hiệu suất cao hơn so với các phương pháp truyền thống.

3.2. Điều khiển Fuzzy Logic

Fuzzy Logic được áp dụng để điều khiển các bộ biến đổi công suất, giúp hệ thống đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của môi trường. Nghiên cứu đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa các tham số của bộ điều khiển Fuzzy Logic, giúp tăng tính linh hoạt và độ ổn định của hệ thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong các điều kiện khác nhau.

IV. Hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời được nghiên cứu trong luận văn là một hệ thống micro grid, bao gồm các bộ biến đổi công suất, bộ sạc, và bộ nghịch lưu. Hệ thống được thiết kế để cung cấp năng lượng liên tục cho các tải dân dụng và công nghiệp, đồng thời có khả năng hòa lưới điện. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

4.1. Thiết kế hệ thống

Hệ thống được thiết kế với cấu trúc linh hoạt, bao gồm các bộ biến đổi công suất, bộ sạc, và bộ nghịch lưu. Các bộ biến đổi được thiết kế để đạt hiệu suất cao và độ ổn định tốt, đồng thời có khả năng tích hợp với các hệ thống năng lượng mặt trời hiện có. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để tối ưu hóa kích thước và chi phí sản xuất.

4.2. Ứng dụng thực tế

Hệ thống được triển khai thực tế tại Ninh Thuận, một khu vực có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả, đáp ứng được các yêu cầu về cung cấp năng lượng liên tục và hòa lưới điện. Nghiên cứu cũng đề xuất các giải pháp để mở rộng và cải tiến hệ thống trong tương lai.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUOC GIA THÀNH PHO HO CHÍ MINH TRUONG DAI HOC BACH KHOA NGUYEN MINH HUY THIET KE, MO HINH HOA VA DIEU KHIEN NANG LUONG MAT TROI Chuyên ngành: Tự động hóa Mã số chuyên ngành: 60.60 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP. HO CHÍ MINH, Tháng 12 năm 2013 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa —- ĐHQG —- HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS Lê Minh Phương Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Vĩnh Hao Cán bộ cham nhận xét 2: TS. Nguyễn Đức Thành Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Truong Dai học Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 31 tháng 12 năm 2014.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1.TS Nguyễn Thị Phương Hà — Chủ tịch hội đồng. Nguyễn Trọng Tài — Thu ký hội đồng. Nguyễn Vĩnh Hảo - Ủy viên hội đồng. Nguyễn Đức Thành — Ủy viên hội đồng.

Trương Dinh Châu — Ủy viên hội đồng. Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA ĐIỆN —- ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BACH KHOA >= CONG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM Độc lập — Tự do — Hạnh phúc NHIEM VỤ LUẬN VAN THAC SY Ho và tên học viên: NGUYEN MINH HUY Phai: Nam Ngày, thang, năm sinh: 20/9/1989 Noi sinh: Déng Thap Chuyên ngành: Tự động hóa MSHV: 12153174 I.

Tén dé tai: THIET KE, MO HINH HOA VA DIEU KHIEN CAC BO BIEN DOI CONG SUAT TRONG HE THONG NANG LUONG MAT TROI Il. Nhiém vu đề tài: + Dé xuất và thiết kế phan cứng các bộ biến đổi công suất trong hệ thông năng lượng mặt trời dạng “micro grid” bao gôm bộ sac, bộ nghịch lưu | pha, bộ nghịch lưu 3 pha hòa lưới. + Mô hình hóa các bộ điêu khiên và đê xuât giải thuật điêu khiên cho từng bộ biên đôi công suât bao gôm: e© Điều khiển bộ sạc sử dụng năng lượng mặt trời, kết hợp sạc dò tìm công suất cực đại (MPPT) và sạc 3 trạng thái sử dụng bộ điều khiến mờ (Fuzzy logic). e Điều khiến bộ inverter I pha công suất từ 1 đến 2.5KW có thé ghép nối song song để tăng công suất và tăng tính linh hoạt.

e Mô hình hóa và điêu khiến bộ biến đổi công suất năng lượng mặt trời 3 pha hòa lưới sứ dụng bộ lọc thích nghi và ức lượng Kalman. + Thực nghiệm mô hình, triển khai áp dụng thực tế mô hình bộ sạc, bộ inverter | pha, triển khai mô hình nghiên cứu bộ inverter 3 pha hòa lưới. HL Ngày giao nhiệm vụ: 21/01/2013 IV. Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/12/2013 V.

Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS. Lê Minh Phương CÁN BỘ HƯỚNG DÂN CN BỘ MON QL CHUYEN NGANH KHOA DIEN — DIEN TU TRUONG DAI HOC BACH KHOA LỜI CÁM ƠN Tôi xin gởi đến thầy PGS. Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc vì đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như cho tôi những lời khuyên bồ ích dé hoàn thành luận văn này. Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy Cô Bộ Môn Cung Cấp Điện, Phòng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn.

Ngoài ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Bách Khoa — ĐHQG Tp. HCM, tôi đã được các Thay Co khoa Dién — Dién tu, va dac biét là các Thầy Cô bộ môn Điều khiến tự động giảng day tận tinh, cho tôi nhiều kiến thức mới bổ ích, bên cạnh đó tôi cũng được các bạn bè cùng khóa, cùng lớp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị. Xin gởi đến các Thầy Cô và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất. Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ và các anh chị em trong gia đình đã động viên và tạo điều kiện giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua.

Hô Chí Minh, ngày 01 tháng 12 năm 2013 Nguyễn Minh Huy TÓM TAT LUẬN VĂN Luận văn nay nghiên cứu, thiết kế, điều khiến và triển khai mô hình các bộ biến đổi công suất ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời dang micro grid sử dụng trong dân dụng bao gồm các bộ sạc thông minh, bộ inverter 1 pha 24VDC/220VAC công suất từ 1 đến 2.5KW, bộ inverter 3 pha hòa lưới. Bộ sạc có nhiệm vụ sử dụng kết hợp nguồn năng lượng từ pin mặt trời va từ lưới nhằm tiết kiệm năng lượng nhưng vẫn bảo đảm acquy luôn trong trạng thái sẵn sàng sử dụng trong các ứng dụng cần nguồn điện liên tục. Bộ sạc có cấu trúc bộ biến đôi DC/DC dạng Buck, điều khiển băng vi điều khiển PIC 16F của microchIp. Bộ inverter | pha ứng dụng trong dân dụng với điện áp có dạng sóng sin ở ngõ ra với chất lượng điện năng đáp ứng theo tiêu chuẩn sóng hài, cho phép thay đổi linh hoạt cau hình chuyển đôi năng lượng và linh hoạt về công suất thiết kế.

Bộ inverter 1 pha có thé sử dụng như ] bộ nguồn dự phòng (UPS) hoặc sử dụng kết hợp với bộ sac và pin mặt trời để tạo thành hệ thong năng lượng mặt trời. BO inverter được dé xuất sử dụng bộ điều khiển Fuzzy va VOC (voltage oriented control) dé tăng tính linh động và tăng kha năng thay đổi công suất. Bộ inverter 3 pha kết nối lưới có tác dụng biến đổi công suất năng lượng mặt trời thành điện áp AC hòa lưới bao gồm bộ biến đổi công suất DC/DC dang push pull và bộ DC/AC 3 pha 2 bậc. Bộ inverter sử dụng bộ lọc thích nghi và bộ ước lượng kalman để cho đáp ứng tốt trong trường hợp lưới điện có sự mất cân bằng hoặc có sóng hài, ngoài ra bộ nghịch lưu còn có thé điều khiến công suất thực, công suất kháng trong trường hợp cần bù công suất phản kháng trên lưới.

Luận văn sử dụng phân mềm Matlab/Simulink thực hiện các mô hình mô phỏng dé kiếm chứng lý thuyết của đề tai, mô hình mô phỏng được xây dựng bang hàm truyền, phương trình trạng thái mô hình hóa của hệ thống cũng như là mô phỏng hệ thống thực sử dụng Sim Power system. Mô hình thực nghiệm được xây dựng sử dụng với card điều khiển DSP C2000 (TMS320F2812/TMS320F28069), được thử nghiệm tại phòng thí nghiệm Nghiên cứu Điện tử Công suất va | phan của mô hình đã được triển khai thực tế tai Ninh Thuận từ tháng 4/2013 đến nay. LOI CAM KET Tôi xin cam kết các nội dung ly thuyết trình bày trong luận văn này là do tôi tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mô phỏng, thực nghiệm đều do chính bản thân tôi tự làm ra, hoàn toàn không phải sao chép của từ bất kỳ một tài liệu hoặc công trình nghiên cứu nào khác. Nêu tôi không thực hiện đúng các cam két nêu trên, tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường cũng như pháp luật Nhà nước.

Nguyễn Minh Huy MỤC LỤC LOI CẢM ƠN. 5S: c1 1 12 111111121111 1111 111111011101 0111 111101111101 0101 111120101111 y0 | TOM TAT LUẬN VĂN. 2 MUC LUC22 4 DANH MUC HINH ANH. 1 6 DANH MỤC BANG BIÊU.

SG s11 E211 13811 5111111 1E xnxx ree 10 CHUONG 1 GIỚI THIEU DE TAL occ ccccececescesecscecsecscscecsccevevscscecsesevevacececeaveves 11 1. Đặt vấn 6 occ ccccccscecscscecescccscsceccsevsvscscecscsevavscesevavacecessesavacaceceasavavsceceees 11 1.2 Các vẫn dé cơ bản của một hệ thong năng lượng mặt trỜI:.3 Hệ thống năng lượng mặt trời GE XUẤT:.4 Phạm vi để tài. c1 11121911 111g 111g TH ng Tri 14 1.5 Sản phẩm đạt được của để tài: .- - --ctctchnH1ngTng 11T ng ng ng. 14 CHUONG 2 TONG QUAN VE CÁC HE THONG BIEN DOI NĂNG LUONG v00 90 l6 2.1 Hoạt động của Pin năng lượng mặt trời — PV celÏ.1 Giới thiệu pin năng lượng MAL tTỜI .2 Mô hình toán pin năng lượng mặt CLOT: .2 Hệ Thống PV Độc Liập.3 Hệ thông PV kết nối LUGi.4 Hệ thông PV Kết hợp: .24 CHƯƠNG 3 XÂY DỰNG GIẢI THUAT DIEU KHIEN VA MO PHONG CÁC BO BIEN DOI CONG SUAT NĂNG LƯỢNG MAT TRỜI.1 Bộ sạc từ PV và bộ sạc tte LUG oo.2 BO inverter 1 pha 24V / 220V.1 Bộ chuyến đổi push pull .---- ¿5 + 52 +s+£+S£+E+E£EE£E+EeEe+eexererxerererree 38 3.2 Mô hình hóa bộ biến đổi công suất DC/DC.3 Bộ nghịch lưu 1 pha.4 Inverter 3 pha hòa TƯỚI.

ke 56 CHUONG 4 : THIET KE PHAN CỨNG .1 Thiết kế mạch sạc AC QUY.---- ¿+ 2 5E2E+S£SE‡E#EEEE£EEEE E321 E111 1111.1 Mach sac Multimode .2 Mạch sạc ắc quy từ pin mặt trời .3 Thiết kế mạch hiển thi .-- - - + + 6E E9EEEESE SE EeESESESESESkErkekserersesed 87 4.4 Thiết kế nguồn phụ tro .------ - + +52 S226 2E£E2E2EEEE£E£ESEEEEEEEEEESErrkrkrerree 89 CHUONG 5 : KET QUÁ THỰC NGHIỆỆM.1 Két quả thực nghiệm bộ sac va bộ inverter | pha .1 Kết quả thực nghiệm dò tìm MPPT,. ¿2-5 52 s+x+c+zs+xerererree III 5.2 Khảo sát về hiệu suất của bộ inV€T©T.3 Khảo sát khả năng đáp ứng của bộ nguÖn.1 Kết quả bộ nghịch lưu.------ - 52 252 SE2E*E2EEEE£EEEEEEEEEErkrkrrrrerkred 118 5.2 Kết quả hòa LUG i.3 Phan tích dang dong nghịch lưu và ap lưới trên | pha.4 Chat lượng dòng hòa UG).cecccccsesceescscssecsscsesescscssssesescscssssesssssesees 119 CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN .--G- G1511 21 1 E111 91 1 3 8121561 11181 xe rerrei 122 TÀI LIEU THAM KHẢOO.G-G- s61 E5E 53198 1E 1111121 5111151 3E xnxx ree 123 PHAN LY LICH TRÍCH NGANG. SG + St ESE 939128 ESESEEESESEEEsErkrkeeree 127 QUA TRÌNH ĐÀO TAO. -G- s sSsS E 1519151811111 11 11111111 1111111151111 1x crrki 127 QUA TRÌNH CONG 'T ÁC .- -- k2 S111 1 11111 SE E1 115151111111 18 111 ree 127 DANH MỤC HÌNH ANH Hình 1.1 Mô hình microgrid đề xuất.1 Phân vùng năng lượng của electron trong bán dẫn P-N.2 Mô hình một cell pin PV 17 Hình 2.3 Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời 18 Hình 2.4 Đặc tuyến P - V tại các nhiệt độ khác nhau 18 Hình 2.5 Đặc tuyến P-V của pin khi công suất bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi.6 Đặc tuyến khi mắc các cell pin nối tiếp (bên trái) và song song (bên phải).7 Diode bypass để bảo vệ cúc cell pin.8 Tấm pin thực tếgồm nhiều cell pin ghép song song hoặc nối tiếp với nhau 21 Hình 2.9 Hệ thống PV độc lập.10 Mô hình hệ thống PV kết nối lưới.11 (a)Kiéu Low Frequency Transformer (b) Kiểu High Frequency Transformer.12 Kiéu Transformerless 24 Hình 2.13 Hệ thống PV kết hợp máy phát điện và accu lưu trữ.1 Bộ sạc accu sử dụng bộ biến đổi công suất DC/DC 26 Hình 3.2 Bộ sạc accu 2 ngõ vào 27 Hình 3.3 Giải thuật thực hiện bộ sạc 28 Hình 3.4 Giải thuật MPPT và giải thuật sạc 3 trạng thái 29 Hình 3.5 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào E 30 Hình 3.