Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời

Luận văn chi tiết về thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời. Nghiên cứu thuật toán MPPT để tối ưu công suất và mô phỏng hệ thống hoàn chỉnh.

• Tác giả: Hoàng Đức Dũng
• Người hướng dẫn: PGS. Võ Minh Chính
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Nghiên Cứu Thiết Kế Hệ Thống Biến Đổi Năng Lượng Mặt Trời (MPPT)
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời

Hệ thống năng lượng mặt trời đã trở thành một giải pháp năng lượng tái tạo quan trọng trong thời đại hiện nay. Pin quang điện mặt trời hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện, cho phép chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng một cách hiệu quả. Công nghệ này được ứng dụng rộng rãi từ các nguồn điện di động cho đến nhà máy điện mặt trời quy mô lớn. Việt Nam với tiềm năng mặt trời dồi dào đã triển khai nhiều dự án điện mặt trời, góp phần phát triển năng lượng sạch bền vững. Việc thiết kế và tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời đòi hỏi sự hiểu biết sâu sắc về cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các phương pháp điều khiển hiện đại.

1.1. Định Nghĩa và Cấu Tạo Pin Mặt Trời

Pin quang điện là thiết bị chuyển đổi ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Cấu trúc cơ bản của pin mặt trời bao gồm lớp tế bào silicon, điện cực thu và điện cực phát. Khi ánh sáng mặt trời tác động vào bề mặt pin, các photon sẽ giải phóng các electron, tạo ra dòng điện. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên sự chuyển động của các electron trong lớp tiếp giáp p-n, tạo ra một hiệu điện thế.

1.2. Ứng Dụng Thực Tế của Năng Lượng Mặt Trời

Năng lượng mặt trời được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: cấp điện cho tòa nhà, trạm vũ trụ, robot tự hành, và hệ thống điện trên tàu biển. Các dự án điện mặt trời ở Việt Nam đã chứng minh khả năng phát triển bền vững. Công suất phát điện có thể được tối ưu hóa thông qua các bộ điều khiển hiện đại, đặc biệt là bộ MPPT điều khiển để đạt công suất cực đại.

II. Các Vấn Đề Thiết Kế Điều Khiển Hệ Thống Năng Lượng Mặt Trời

Thiết kế hệ thống điều khiển năng lượng mặt trời là một thách thức kỹ thuật đòi hỏi hiểu biết toàn diện về các phương pháp điều khiển tiên tiến. Vấn đề chính là tối ưu hóa hoạt động của pin mặt trời để đạt được điểm công suất cực đại (MPPT). Bộ điều khiển MPPT là cốt lõi của hệ thống, giúp theo dõi và duy trì pin hoạt động ở điểm công suất tối đa. Các giải thuật như P&O (Perturb and Observe) và INC (Incremental Conductance) được sử dụng phổ biến. Mạch Boost converter và bộ nghịch lưu cũng đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi và phân phối điện năng hiệu quả.

2.1. Nguyên Lý Bám Điểm Công Suất Cực Đại MPPT

MPPT (Maximum Power Point Tracking) là phương pháp theo dõi liên tục để duy trì pin mặt trời hoạt động ở điểm công suất cực đại. Khi điều kiện ánh sáng thay đổi, đặc tính V-A và P-V của pin cũng thay đổi theo. Bộ điều khiển phải liên tục điều chỉnh để theo kịp những thay đổi này. Giải thuật P&O hoạt động bằng cách nhiễu loạn điện áp hoặc dòng điện và quan sát sự thay đổi công suất. Giải thuật INC sử dụng điện dẫn gia lăng để tính toán điểm tối ưu.

2.2. Các Thành Phần Chính của Bộ Điều Khiển

Bộ MPPT bao gồm: mạch Boost converter để nâng cao điện áp, vi điều khiển để xử lý giải thuật, mạch sạc ắc quy, và bộ nghịch lưu 1 pha để chuyển đổi DC thành AC. Mạch PIC18F2331 được sử dụng làm bộ não điều khiển hệ thống. Tín hiệu PWM điều khiển chu kỳ nhiệm vụ của bộ chuyển đổi. Mạch đo nhiệt độ giúp bảo vệ hệ thống khỏi quá tải.

III. Mô Phỏng và Kiểm Chứng Bằng MATLAB Simulink

Mô phỏng hệ thống bằng MATLAB/Simulink là bước quan trọng để xác minh tính khả thi của thiết kế trước khi triển khai thực tế. Mô hình pin mặt trời được xây dựng dựa trên đặc tính V-A, P-V với các thông số nhiệt độ T, điện áp V và dòng điện I. Giải thuật MPPT được kiểm chứng thông qua mô phỏng để đánh giá hiệu quả theo dõi điểm công suất cực đại. Bộ Boost converter được mô phỏng để quan sát điện áp đầu vào và đầu ra. Bộ nghịch lưu được kiểm tra khả năng chuyển đổi từ DC sang AC. Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống hoạt động hiệu quả với độ chính xác cao.

3.1. Mô Hình Hóa Pin Mặt Trời

Mô hình toán học của pin mặt trời được xây dựng dựa trên phương trình điốt kết hợp với các tham số thực tế. Mô hình pin bao gồm dòng ánh sáng (photocurrent), điện trở nối tiếp, và điện trở song song. Đặc tính I-V thay đổi theo nhiệt độ và cường độ chiếu sáng. Mô phỏng MATLAB cho phép điều chỉnh các tham số để mô phỏng các điều kiện khác nhau.

3.2. Kiểm Chứng Giải Thuật Điều Khiển

Giải thuật P&O và INC được triển khai trong mô phỏng để so sánh hiệu suất. Kết quả mô phỏng cho thấy cả hai giải thuật đều có khả năng bám điểm công suất cực đại hiệu quả. Tín hiệu PWM được sử dụng để điều khiển bộ Boost converter, tạo ra điện áp đầu ra ổn định. Bộ nghịch lưu SPWM chuyển đổi DC thành AC với chất lượng sóng tốt.

IV. Kết Luận và Hướng Phát Triển Hệ Thống MPPT

Luận văn thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời với điều khiển MPPT đã đạt được các mục tiêu chính: xây dựng bộ điều khiển MPPT hoạt động ổn định, triển khai giải thuật bám điểm công suất cực đại với hiệu suất cao, và xác minh thông qua mô phỏng MATLAB. Hệ thống được thiết kế có khả năng tăng hiệu suất trích xuất năng lượng lên 95% so với hệ thống không có điều khiển. Các thành phần hệ thống bao gồm mạch Boost converter, vi điều khiển PIC18F2331, mạch sạc ắc quy, và bộ nghịch lưu 1 pha đều hoạt động đồng bộ. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm: tối ưu hóa thuật toán MPPT bằng trí tuệ nhân tạo, giảm nhiễu điện từ (EMI), và ứng dụng công nghệ pin năng lượng mới.

4.1. Các Thành Tựu Chính của Luận Văn

Hệ thống MPPT được thiết kế có độ theo dõi chính xác cao với thời gian đáp ứng nhanh. Bộ điều khiển thành công duy trì pin hoạt động ở điểm công suất cực đại ngay cả khi điều kiện ánh sáng thay đổi. Mô phỏng MATLAB xác minh hiệu quả của thiết kế với tỉ lệ lỗi nhỏ hơn 2%. Hệ thống hoàn chỉnh bao gồm tất cả các mạch điều khiển, bảo vệ, và chuyển đổi năng lượng cần thiết.

4.2. Hướng Phát Triển Trong Tương Lai

Công nghệ MPPT có thể được cải tiến bằng machine learning để dự đoán điểm công suất cực đại. Tối ưu hóa mạch điều khiển để giảm tiêu hao năng lượng và EMI. Ứng dụng pin năng lượng mới như pin perovskite hoặc pin dị bất đồng nhất. Phát triển hệ thống lưu trữ năng lượng tích hợp để nâng cao độ tin cậy.

Trích đoạn nội dung tài liệu

BO GIÁO DỤC TRUONG DAI HOC BACH KHOA HÀ NOT TIOANG DUC DUNG NGITEN CUU THIET KE It THONG BIEN DOI NANG LUONG MAT TROT Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TU'DONG HOA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIÊU KHIỂN VÀ TỰ DONG HOA NGƯỜI HƯỚNG DÀN KHOA HOC PGS. VO MINH CHINA TIả Nội - năm 2018 Lời cam đoan. LỜI CAM ĐOAN Em xin gam đoạn luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu thiết kế bệ thống biến đổi năng. lượng mặt trời” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của PỚS.

Võ Minh Chính. Các số liệu và kết quả là hoàn toàn đứng với thực 16. Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử đụng những tài liệu được ghỉ trong đanh mục tải liệu thưưn khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tải liệu nào khác. Nêu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Hà ôi, ngày tháng năm 2018 Học viên Loang Dức Dũng Mục lục MỤC LỤC LOL CAM DOAN. - - - - wi DANII MUC ITNII Vis -. - đi DANH MỤC BẰNG SỐ LIỆU. v DANH MUC TU VIRT TAT - - - vi LOI NOI DAU.

TONG QUAN VE HE THONG NANG LUONG MAT TRỜI. PAT VAN BF - 2 1,1. Giới thiệu về hệ thống năng lượng mặt trời 1. Năng lượng mặt trời.

Diện mặt trot. Nhiệt điện mặt trời, 1. Quang điện mặt trời. Khải niệm về pin quang diện.

Hiệu ứng quang điện 1. Cấu tạo và nguyên lÿ hoạt động của pin mặt tr 1. Cae dic tung pin ma 1. Ung dung pin mat trời trong đời sông.

Tich hop vao thiét 13. Nguôn diện di động. Nguân diện cho tòa nha. Nhá máy diện mặt trời 1.

Điện mặt trời tại Việt Nam - - - 15 1. Tiềm năng điện mặt trời ð Việt Nam. Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam. Kết hiện chương l.

CAC VAN DE 'THIBT KE DIEU KHIEN HE THONG NANG LUONG: MAT TROL. Câu trúc hệ thống điện mặt trời. Vân để tối ưu hóa hoạt động của pin mặt trời - Bám điểm công suất cực đại.18 Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BANG SO LIEU Bang 3.1 Kyocera KC130GHT-2 Bang 3. Bang thang 36 TXSH30N60AUT Bang 3.

Bang théng s6 SWO4PCINO20 Danh mục từ viết tắt DANH MUC TU VIET TAT MPPT | Maximum Power ‘Lracking Point Tim điểm công suất cực dại TV Photovoltaic Pin quang dién P&O | Perturb and Observer Nhiéu loạn và quan sat TNC | Incremental Conductance Điện dẫn gia lăng CMC | Current Mode Control Điều khiến đèng, EMI |BleeroMiagnetic Interference 'hiễu diện từ DC | Direct Current Điện một chiên AC Alicmating Current Điêu xoay chiều. VAC _ | Voltage Altemating Cuurent Điện áp xoay chiều VDC | Voltage Direct Current Điện ấp một chiêu 1c Intergrated Control Chip diéu khiến BAX Hiển áp xung MBA |- Máy biển áp vì Danh mục hình vẽ Hinh 3.17 So dé két néi TR2101 Hình 3. Ví điều khiến 18F2331 Hình 3. Mạch sạc ắc quy nạp/xã Hình 3.

Sơ dỗ mạch hệ thông, Hinh 3. Luu dé thuat toan chương trình sại quy bám MPPT Tinh 3. Tam đề thuật toán chương trình bám điểm công suất cực đại MPPT Hinh 3. Lưu để thuật toán chương trình diều khiến nghịc lưu.1 Mö phông Ty Tinh 4.3 Mö hình pm mặt trời với 4 thông số H, T, V, Ï Hình 4.

Sơ đồ giải thuật P&O Linh 4.5 Sơ để giải thuật INC. Hệ pin mặt trời với bộ diểu khiển MPPT Hình 41.7 Đề thị điện áp đâu vào của bộ Boost converter Hình 4.8 Đề thị điện áp đầu ra của bộ Boost coiierter.9 Sơ đỗ mô phỏng bộ inerter Ì pha Hình 4. Tin hiệu điều khiển PWM Hình 4. Đặc tính 1, V sau khi qua bộ nghịch lưu.

Đặc tinh TV trên lắt Mục lục 3. Mach âo nhiệt độ 3. Thiết kể mạch sạc ño quy. Sơ để mạch tổng thẻ hệ thống,.

Thiết kế phần mềm hệ thống, - 65 3. 1am đồ thuật loàn chương trình chỉnh- điều khiến sục ức quy bám MPPPT. Lan đồ thuật loàn chương trình can bám điểm công suất cực đại. am đồ thuật loàn chương trình con điều khiến nghịch lui.9 Kết luận chương 3.

KẾT QUÁ MÔ PHÒNG HỆ THÔNG BẰNG MATLAH/SIMULINK.1 Mô phông pìn mặt trời. Mô hình pìn mặt In 42 Mô hình hóa giải thuật MPPT 7ì 4.2, Gidi thudt INC 4. Khảo sái công suất của hệ kh có bộ điều khiến MPDT. Mô phòng làm việc bộ nghịch lưu SPIAM.3 Kết luận chương 4.

nnnnngerreierarerirereerrroeroo 76 KẾT LUẬN .einneroer TH HH nh HH He nước 78 TÀI LIỆU THAM KHÁO. àcnnreereirerierrre HH2 HH Hee 82 iti Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẾẼ Hình 1. Nguyên lý hoại động của nhà máy điện mặt lrời. Câu tạo và nguyên lý hoại động của pin mặt trời 5 Hình 1.3, Hign tong etia hidu ting quang di8n.

Câu tạo pìn mắt trời 6 Hình 1. Hoạt động của pin mặt trời - - - _7 Hình 1. Đặc tinh V-A va dic tinh P-V eta pin mat WL ee Hemkiraeeee 2 Hình 1. Đặc tỉnh V-A ở cáo nhuệt độ khác nhau.

Diém làm việc và điểm công suất cực đại. Trạm vũ trụ 1SS vá Robot tự hành trên sao hỏa. TH Kraeeee 13 Hình 1. Nguồn sạc dì động và hệ thống điện trên tàu biển.

Nhà máy điện sử dụng pin ruặt trời. Hệ thống diện mặt trời. Đặc tính T-V, D-V của pin mặt trời với điểm công suất cục đạt 18 TRnh 2. Sơ để khối của hệ thông MPPT tiểu biểu.

Sơ đỏ hệ thống MPPT diễu khiển theo dòng điện tham chiéu Lee. Đường đặc tính quan hệ giữa công suat va dong điện P — ï của pỉn mặt trời.7, Lưu để thuật toản P&O điều khiển thông qua đóng tham chiều IreF Hình 2. Sơ đỗ khối của phương pháp MPPT diều khiển trực tiếp ch" kỳ nhiệm vụ D. Mối quan hé gitta tổng trở vào của mạch boest với chu kỷ nhiệm vụ D.9, Luu dé thuat toan P&O diéu khidn true tiép chu ky nhidm va De eco 25 Hình 2.

Độ đốc (đP/dV) của PV, 26 Hình 2. Lưu đề thuật toán TNG điện khiển thông qua chu ky nhiém va D 28 Hình 2. Lưu đồ thuật toán INC điêu khiến thông qua dong điện tham chiéu Leer. Mô hình và đặc tỉnh I— V, P— V của hệ thống pm mặt.

Mô hình hệ thông pm mặt trời. Phân loại cầu hình bộ biển đổi DC-DC. Hee uei 31 Hình 2. Cấu hình các bộ DC-DC không cách ly - 32 iti Mục lục 3.

Mach âo nhiệt độ 3. Thiết kể mạch sạc ño quy. Sơ để mạch tổng thẻ hệ thống,. Thiết kế phần mềm hệ thống, - 65 3.

1am đồ thuật loàn chương trình chỉnh- điều khiến sục ức quy bám MPPPT. Lan đồ thuật loàn chương trình can bám điểm công suất cực đại. am đồ thuật loàn chương trình con điều khiến nghịch lui.9 Kết luận chương 3. KẾT QUÁ MÔ PHÒNG HỆ THÔNG BẰNG MATLAH/SIMULINK.1 Mô phông pìn mặt trời.

Mô hình pìn mặt In 42 Mô hình hóa giải thuật MPPT 7ì 4.2, Gidi thudt INC 4. Khảo sái công suất của hệ kh có bộ điều khiến MPDT. Mô phòng làm việc bộ nghịch lưu SPIAM.3 Kết luận chương 4. nnnnngerreierarerirereerrroeroo 76 KẾT LUẬN .einneroer TH HH nh HH He nước 78 TÀI LIỆU THAM KHÁO.

àcnnreereirerierrre HH2 HH Hee 82 iti Mục lục 2. Thuật toán bảm điểm công suất cực đại — Maxiuum power tracking point 20 3. Thuật loán điều khiến Ú lệ điện áp hở mạch. Thuật toán nhiễu loạn và quan sắt P&O (Perlurb and Observer).

Thuật todn dién din gia idmg INC (Incremental Conductance). Han ché cita MPP 2. Bộ biến đối nguồn đừng cho hệ thống. Các cấu hình biển đãi DCDC.

Các câu hình biển đổi DŒAC.5, Ac quy và phương pháp nạp ác quy. Phuong phap nạp ắc guy.3, Didu khién sac két hop MP1 2,6. Kết luận chương 2. THIET KE HE THONG NANG LUONG MAT TRỜI HOẠT ĐỘNG ĐỘC LẬP.

Yêu cầu thiết kế - 4 3. 1ĩnh toán kích cỡ pin mặt trời 3. Tĩnh toám yêu cầu bộ DC/DC. Tỉnh toán yêu cầu dung lượng ắc gu 3.

Lựa chọn cầu hình bộ biên đổi DC/DC. Tình toàn tụ lọc đầu ra 3. Tĩnh toán cuộn cảm. Tĩnh toán tham số.

Thiết kế bộ biến đỗi DC/AC - - 56 3. Tình chon van diéu khién.2, Mach khuéch dai diéu khién Mosfet.3, Mach loc ddu ra ctia nghich heu. Tựa chọn vĩ điều khiến và giải thuật. Vi diéu khien.

Chọn phương pháp điều khiển MPPT. Thiết kế các mạch đo. Mạch do dién dp. Mach do dòng điện.

Danh mục từ viết tắt DANH MUC TU VIET TAT MPPT | Maximum Power ‘Lracking Point Tim điểm công suất cực dại TV Photovoltaic Pin quang dién P&O | Perturb and Observer Nhiéu loạn và quan sat TNC | Incremental Conductance Điện dẫn gia lăng CMC | Current Mode Control Điều khiến đèng, EMI |BleeroMiagnetic Interference 'hiễu diện từ DC | Direct Current Điện một chiên AC Alicmating Current Điêu xoay chiều. VAC _ | Voltage Altemating Cuurent Điện áp xoay chiều VDC | Voltage Direct Current Điện ấp một chiêu 1c Intergrated Control Chip diéu khiến BAX Hiển áp xung MBA |- Máy biển áp vì Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BANG SO LIEU Bang 3.1 Kyocera KC130GHT-2 Bang 3. Bang thang 36 TXSH30N60AUT Bang 3. Bang théng s6 SWO4PCINO20 Danh mục bảng số liệu DANH MỤC BANG SO LIEU Bang 3.1 Kyocera KC130GHT-2 Bang 3.

Bang thang 36 TXSH30N60AUT Bang 3. Bang théng s6 SWO4PCINO20 Danh mục hình vẽ Tình 2. Cấu hình bộ biến đối Forward & Push-Pull 32 Hinh 2. Câu hình bộ biến đối Flyback.

Cầu hình Half-Bridge và Full-Bridge. Nghịch hại câu 1 phác - - - 34 Tĩnh 3. Nghịch lưu có điểm trung tỉnh. Gian dé xung ctia nghich liu cau 1 plta.

So đồ nghịch lưu áp cầu 1 pha - 37 Tinh 3. a) Nghịch hưu cộng hưởng sơng song — b) Giãn đỏ xung 37 Hình 2. a) Nghịch lưu cộng hưởng nói tiếp b) Sơ dỗ thay thể.26 luiật điều khiến 38 THnh 2. So đỏ khói bộ điều khiển van của PWM.

con Hnnnuooeoe 39 Hình 2. Điền áp ra bộ nghịch lưu điều khiến bởi xung đơn cực. Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiến bởi xung lưỡng cực. Sơ đồ nạp với dòng điện không đổi.

Quan hệ nông độ dụng dịch diện phẫu và trạng thái điện của ắc quy 4 Hình 2. Bổn giai đoạn sạc ắc quy - - 45 Hình 2. Giải thuật sạc ắc quy hai giai đoạn kết hợp MPPT. Mỏ hình hệ thống pin mặt trời 4 Hình 3.2 Đồ thị đặc tính Kyoeera KCI30GHT-2 48 Hình 3.3 Đồ thị đặc tính LV và PV của hệ tại cường độ bức xạ IEW/HMP.4 Đỏ thị đặc tính TV và PV của hệ tại các tuức cường đỗ bức xạ khác nhau.

Mé hinh bé bién đối táng áp - - 52 Hình 3. Sơ dễ thay thẻ a) Mosfet dóng, b) Mosfet cắt. a) Dạng sóng điêu áp trên cuôn câm, bì Dạng sớng dòng điện trên tu điện Tình 3. ơ) Dạng sóng điện áp và dòng điện ở chế độ đòng liền tục 33 Hình 3.

Dạng sóng điện áp đầu ra.