Nghiên cứu thuật toán MPPT và bộ chuyển đổi DC-DC-AC tại HCMUTE

LỜI CAM ĐOAN

LỜI CẢM TẠ

TÓM TẮT

ABSTRACT

1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Tính cần thiết của đề tài

1.2. Pin quang điện (PV)

1.3. Hệ pin mặt trời làm việc độc lập

1.3.1. Thành phần lưu giữ năng lượng

1.3.2. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV

1.4. Các nghiên cứu khoa học có liên quan

1.5. Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học

1.6. Nhiệm vụ của luận văn

1.7. Phạm vi nghiên cứu

1.8. Phương pháp nghiên cứu

1.9. Giá trị thực tiễn của đề tài

2. CHƯƠNG 2: PIN MẶT TRỜI, CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

2.1. Nguyên lý hoạt động

2.2. Đặc tính làm việc của pin mặt trời

2.3. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập

2.3.1. Bộ biến đổi DC/DC

2.3.1.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC

2.3.1.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC

2.3.2. Bộ biến đổi DC/AC

2.4. Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT

2.4.1. Giới thiệu chung

2.4.2. Nguyên lý cân bằng tải

2.4.3. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT

2.4.3.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O

2.4.3.2. Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần

2.4.4. Phương pháp điều khiển MPPT

2.4.4.1. Phương pháp điều khiển trực tiếp

2.4.4.2. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra

2.4.5. Giới hạn của MPPT

2.5. Bộ lưu giữ năng lượng

2.5.1. Các loại ắc quy

2.5.1.1. Ắc quy chì – axit

2.5.1.2. Ắc quy kiềm

2.5.2. Các đặc tính của ắc quy

2.5.2.1. Điện áp ngưỡng thấp nhất

2.5.2.2. Điện áp hở mạch

2.5.3. Chế độ làm việc của ắc quy (xét ắc quy chì - axit)

2.5.3.1. Nạp ắc quy

2.5.3.2. Ắc quy phóng

2.5.4. Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy

2.5.4.1. Nạp với dòng không đổi

2.5.4.2. Nạp với áp không đổi

3. CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT)

3.1. Điểm công suất cực đại

3.2. Mô phỏng giải thuật P&O bằng Matlab

3.3. Nhược điểm của giải thuật P&O

3.4. Giải thuật P&O cải tiến

3.4.1. Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến

3.4.2. Mô phỏng giải thuật P&O cải tiến bằng Matlab

3.5. Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch

3.5.1. Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp hở mạch

3.5.2. Mô phỏng giải thuật điều khiển điện áp hở mạch

3.6. Phương pháp tăng tổng dẫn

3.6.1. Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn

3.6.2. Mô phỏng giải thuật tăng tổng dẫn

3.7. Nhận xét chung

3.7.1. Đối với giải thuật P&O cải tiến

3.7.2. Đối với thuật toán điều khiển điện áp hở mạch

3.7.3. Đối với thuật toán tăng tổng dẫn

4. CHƯƠNG 4: BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT

4.1. Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC kết hợp MPPT

4.1.1. Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC)

4.1.2. Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cực đại)

4.1.2.1. Khảo sát ảnh hưởng của MPPT

4.1.2.2. Mô phỏng MPPT và kết quả

4.2. Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – AC

4.2.1. Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM

4.2.2. Bộ nghịch lưu áp một pha

4.2.2.1. Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu

4.2.2.2. Mô phỏng bộ nghịch lưu áp một pha

4.2.3. Bộ nghịch lưu áp ba pha

4.2.3.1. Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha

4.2.4. Mô phỏng theo phương pháp P&O

4.2.5. Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn

4.2.6. Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch

4.2.7. Nhận xét chung

4.3. Hướng phát triển của đề tài

TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Tổng quan về năng lượng tái tạo

Năng lượng mặt trời được xem là một nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, với khả năng cung cấp điện năng sạch và bền vững. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống quang điện (PV) thường thấp, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng không ổn định. Để tối ưu hóa hiệu suất, việc áp dụng thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) là cần thiết. Thuật toán này giúp xác định điểm công suất tối đa mà hệ thống có thể đạt được, từ đó tối ưu hóa việc chuyển đổi năng lượng. Hệ thống năng lượng mặt trời thường bao gồm các bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC để chuyển đổi điện năng từ dạng DC sang AC, phục vụ cho nhu cầu sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất.

1.1. Tính cần thiết của nghiên cứu

Nhu cầu về năng lượng ngày càng tăng trong khi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Năng lượng mặt trời, với tính chất sạch và vô tận, trở thành một giải pháp khả thi. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này, cần có các giải pháp công nghệ tiên tiến. Việc nghiên cứu và phát triển thuật toán MPPT và các bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí đầu tư cho hệ thống năng lượng mặt trời.

II. Các bộ chuyển đổi năng lượng

Bộ chuyển đổi năng lượng là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời, giúp chuyển đổi điện năng từ dạng này sang dạng khác. Bộ chuyển đổi DC-DC được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra từ pin mặt trời, trong khi bộ chuyển đổi DC-AC chuyển đổi điện năng DC thành AC để sử dụng trong lưới điện. Việc tối ưu hóa hiệu suất của các bộ chuyển đổi này không chỉ giúp tăng cường hiệu suất tổng thể của hệ thống mà còn giảm thiểu tổn thất năng lượng. Các công nghệ hiện đại như PWM (Pulse Width Modulation) được áp dụng để điều khiển các bộ chuyển đổi này một cách hiệu quả.

2.1. Bộ chuyển đổi DC DC

Bộ chuyển đổi DC-DC có vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp đầu ra từ các tấm pin mặt trời. Các loại bộ chuyển đổi như Buck, Boost và Buck-Boost được sử dụng phổ biến. Mỗi loại có ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với từng ứng dụng cụ thể. Việc lựa chọn đúng loại bộ chuyển đổi sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tổn thất năng lượng trong quá trình chuyển đổi.

2.2. Bộ chuyển đổi DC AC

Bộ chuyển đổi DC-AC là thiết bị chuyển đổi điện năng từ dạng DC sang AC, cho phép kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện. Các bộ nghịch lưu áp một pha và ba pha được sử dụng để đảm bảo cung cấp điện năng ổn định và hiệu quả. Việc áp dụng các công nghệ điều khiển hiện đại như PWM giúp cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.

III. Nghiên cứu và ứng dụng thuật toán MPPT

Nghiên cứu về thuật toán MPPT là một phần quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Các thuật toán như P&O (Perturb and Observe) và Incremental Conductance được áp dụng để xác định điểm công suất tối đa. Việc mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng các thuật toán này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng thay đổi. Sự phát triển của các thuật toán MPPT không chỉ giúp tăng cường hiệu suất mà còn giảm thiểu chi phí vận hành cho hệ thống năng lượng mặt trời.

3.1. Các phương pháp MPPT

Có nhiều phương pháp khác nhau để thực hiện thuật toán MPPT, mỗi phương pháp có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp P&O là một trong những phương pháp phổ biến nhất, dễ dàng triển khai và có hiệu suất tốt trong nhiều điều kiện. Tuy nhiên, nó có thể gặp khó khăn trong việc theo dõi điểm công suất tối đa khi có sự thay đổi đột ngột về ánh sáng. Các phương pháp cải tiến như Incremental Conductance đã được phát triển để khắc phục những hạn chế này, cho phép theo dõi điểm công suất tối đa một cách chính xác hơn.

IV. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về thuật toán MPPT và các bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC tại HCMUTE đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời là rất cần thiết. Các kết quả thu được từ mô phỏng và thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng các công nghệ hiện đại có thể cải thiện đáng kể hiệu suất và giảm chi phí cho hệ thống. Hướng phát triển trong tương lai có thể tập trung vào việc cải tiến các thuật toán MPPT và phát triển các bộ chuyển đổi mới với hiệu suất cao hơn, từ đó góp phần vào việc phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo.

4.1. Hướng phát triển công nghệ

Công nghệ năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng, với nhiều nghiên cứu và ứng dụng mới. Việc cải tiến thuật toán MPPT và phát triển các bộ chuyển đổi mới sẽ là chìa khóa để nâng cao hiệu suất và giảm chi phí cho hệ thống năng lượng mặt trời. Các nghiên cứu trong tương lai cần tập trung vào việc tối ưu hóa các thành phần của hệ thống, từ đó tạo ra các giải pháp năng lượng bền vững và hiệu quả hơn.

Luận văn thạc sĩ về thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại MPPT và bộ chuyển đổi DC-DC-AC tại HCMUTE