Nghiên Cứu Ứng Dụng Điều Khiển Thông Minh Tối Ưu Hóa Vận Hành Bộ Nguồn DC Sử Dụng Pin Mặt Trời

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường ứng dụng điều khiển thông minh tối ưu hóa vận hành bộ nguồn, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên

• Tác giả: Phan Quang Ấn
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia TP. HCM
• Chuyên ngành: Điện tử công suất, Năng lượng mặt trời
• Đề tài: Ứng dụng điều khiển thông minh tối ưu hóa vận hành bộ nguồn DC sử dụng pin mặt trời
• Loại tài liệu: Báo cáo tổng kết đề tài KHCN cấp trường
• Năm xuất bản: 2012
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Nghiên cứu ứng dụng

Nghiên cứu ứng dụng trong đề tài này tập trung vào việc tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống pin mặt trời độc lập. Hệ thống sử dụng bộ biến đổi công suất Cuk để chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đến tải. Giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) được lập trình trên CCS kết hợp với vi xử lý PIC 16F887. Ứng dụng logic mờ vào giải thuật MPPT giúp cải thiện hiệu suất đầu ra của hệ thống. Mô hình thực nghiệm bao gồm mạch công suất và các giải thuật MPPT truyền thống và cải tiến.

1.1. Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của nghiên cứu ứng dụng là tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống pin mặt trời. Điều này được thực hiện thông qua việc sử dụng bộ biến đổi công suất Cuk và giải thuật MPPT. Logic mờ được áp dụng để cải thiện hiệu suất và thời gian đáp ứng của hệ thống. Kết quả mong đợi là hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả trong việc khai thác năng lượng mặt trời.

1.2. Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu bao gồm việc thiết kế và thi công mô hình thực nghiệm. Giải thuật MPPT được lập trình trên vi xử lý PIC 16F887. Logic mờ được tích hợp vào giải thuật để tối ưu hóa hiệu suất. Các thông số như điện áp, dòng điện và công suất được đo lường và phân tích để đánh giá hiệu quả của hệ thống.

II. Điều khiển thông minh

Điều khiển thông minh trong đề tài này được thực hiện thông qua việc sử dụng giải thuật MPPT kết hợp với logic mờ. Giải thuật MPPT giúp hệ thống luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại của pin mặt trời. Logic mờ được áp dụng để cải thiện thời gian đáp ứng và độ chính xác của giải thuật. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể bắt được điểm công suất cực đại trong thời gian ngắn hơn so với giải thuật MPPT truyền thống.

2.1. Giải thuật MPPT

Giải thuật MPPT được sử dụng để điều khiển hệ thống pin mặt trời hoạt động tại điểm công suất cực đại. Giải thuật này dựa trên phương pháp P&O (Perturbation and Observation). Logic mờ được tích hợp vào giải thuật để tối ưu hóa thời gian đáp ứng và giảm thiểu dao động xung quanh điểm công suất cực đại.

2.2. Ứng dụng logic mờ

Logic mờ được áp dụng để cải thiện hiệu suất của giải thuật MPPT. Các biến ngôn ngữ như sai lệch và tốc độ tăng được sử dụng để điều chỉnh độ rộng xung (D) của bộ biến đổi công suất. Kết quả thực nghiệm cho thấy thời gian đáp ứng của hệ thống được cải thiện đáng kể khi sử dụng logic mờ.

III. Tối ưu hóa vận hành

Tối ưu hóa vận hành là một trong những mục tiêu chính của đề tài. Hệ thống được thiết kế để hoạt động hiệu quả và ổn định trong việc khai thác năng lượng mặt trời. Bộ nguồn DC sử dụng pin mặt trời được tối ưu hóa thông qua việc sử dụng bộ biến đổi công suất Cuk và giải thuật MPPT. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể đạt được công suất tối đa với độ dao động nhỏ.

3.1. Bộ nguồn DC

Bộ nguồn DC trong đề tài này được thiết kế để nhận điện áp đầu vào từ pin mặt trời và cung cấp điện áp đầu ra ổn định. Bộ biến đổi công suất Cuk được sử dụng để chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đến tải. Giải thuật MPPT được áp dụng để tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống.

3.2. Hiệu suất năng lượng

Hiệu suất năng lượng của hệ thống được cải thiện thông qua việc sử dụng giải thuật MPPT và logic mờ. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể đạt được công suất tối đa với độ dao động nhỏ hơn 5%. Điều này chứng tỏ hiệu quả của việc tối ưu hóa vận hành trong đề tài.

IV. Hệ thống năng lượng tái tạo

Hệ thống năng lượng tái tạo trong đề tài này tập trung vào việc sử dụng pin mặt trời để tạo ra năng lượng sạch. Hệ thống được thiết kế để hoạt động độc lập và hiệu quả trong việc khai thác năng lượng mặt trời. Công nghệ điều khiển và tự động hóa được áp dụng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống có thể đáp ứng được các yêu cầu về năng lượng trong thực tế.

4.1. Pin mặt trời

Pin mặt trời là nguồn năng lượng chính trong hệ thống. Đặc tính phi tuyến của pin mặt trời đòi hỏi việc sử dụng giải thuật MPPT để tối ưu hóa công suất đầu ra. Logic mờ được áp dụng để cải thiện hiệu suất và thời gian đáp ứng của hệ thống.

4.2. Công nghệ xanh

Công nghệ xanh được áp dụng trong đề tài thông qua việc sử dụng pin mặt trời và hệ thống năng lượng tái tạo. Hệ thống được thiết kế để hoạt động hiệu quả và ổn định, góp phần giảm thiểu tác động đến môi trường. Năng lượng sạch được khai thác và sử dụng một cách tối ưu trong đề tài này.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA FOG BÁO CÁO TỔNG KẾT KẾT QUẢ ĐỀ TÀI KHCN CẤP TRƯỜNG Tên đề tài: Ứng Dụng Điều Khiển Thông Minh Tối Ưu HóaVận Hành Bộ Nguồn DC Sử Dụng PIN Mặt Trời Mã số đề tài: T-ĐĐT-2011-17 Thời gian thực hiện: 12 tháng từ tháng 3/2011 đến 3/2012 Chủ nhiệm đề tài: Phan Quang Ấn - Chủ nhiệm Hồ Phạm Huy Ánh - Đồng chủ nhiệm Cán bộ tham gia đề tài: Nguyễn Gia Minh Thảo Đặng Thị Kim Chi Thành phố Hồ Chí Minh – Tháng ……/200… Danh sách các cán bộ tham gia thực hiện đề tài (Ghi rõ học hàm, học vị, đơn vị công tác gồm bộ môn, Khoa/Trung tâm) 1. Phan Quang Ấn - Giảng Viên – BM: Thiết Bị Điện – Khoa Điện – Điên tử 2. Hồ Phạm Huy Ánh - Giảng Viên Chính – PTNHTNL – Khoa Điện – Điên tử 3.

Nguyễn Gia Minh Thảo - Giảng Viên – BM: Thiết Bị Điện – Khoa Điện – Điên tử 4. Đặng Thi Kim Chi – Thư ký, Kế toán – Văn Phòng Khoa Điện - Điện tử MỤC LỤC PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .1 PHẦN 2: LÝ THUYẾT MẠCH BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CUK. Mạch Cuk converter:. Tính thông số chi tiết mạch biến đổi Cuk : .5 PHẦN 3: GIẢI THUẬT M.T VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ.

Giải thuật MPPT:. Ứng dụng logic mờ vào giải thuật MPPT. Mục đích của việc ứng dụng logic mờ. Thiết kế bộ điều khiển mờ.

Bộ điều khiển mờ .11 PHẦN 4: THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM. Mạch Cuk converter:. Các mạch hồi tiếp áp, dòng điện:. Mạch vi điều khiển trung tâm.

Mô hình hệ thống thực nghiệm: .23 PHẦN 5: KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM ĐẠT ĐƯỢC. Kết quả nhận được trên giao diện trên máy vi tính. Kết quả thu được, lưu dữ liệu vào Excel. Một số kết quả trong các trường hợp công suất khác .27 TÀI LIỆU THAM KHẢO .31 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ PHỤ LỤC: CÁC BÀI BÁO HỘI NGHỊ ASAC 2011 PHẦN 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI Đề tài hướng đến việc tối ưu công suất đầu ra của hệ thống pin mặt trời độc lập.

Đi từ nguồn pin mặt trời đến tải thông qua bộ biến đổi công suất Cuk. Giải thuật tối ưu công suất được lập trình trên CCS kết hợp vi xử lý PIC 16F887. Giải thuật MPPT được kết hợp với phương pháp logic mờ để cải tiến hiệu suất đầu ra của hệ thống. Mô hình thực nghiệm tại PTN bao gồm 1 mạch công suất và các giải thuật MPPT truyền thống và cải tiến.

Sơ đồ tổng quan cuả toàn hệ thống như sau: Các nội dung chính trong đề tài : 1. LÝ THUYẾT MẠCH BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CUK 2.T VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ M. THI CÔNG MÔ HÌNH VÀ THỰC NGHIỆM 4. KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC 1 PHẦN 2: LÝ THUYẾT MẠCH BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT CUK 2.

Mạch Cuk converter: Hình 2. Lúc đầu khi cung cấp nguồn vào Vin và Q1 ở trạng thái ngắt (OFF) , diode D1 phân cực thuận và tụ C1 được nạp điện thông qua L1,D1,và nguồn Vin. Mạch hoạt động gồm 2 pha: Pha 1: Q1 dẫn điện (ON) : Cuộn dây L1 được nạp năng lượng từ nguồn , trong lúc đó điện áp trên tụ C1 phân cực ngược diode D1.Tụ C1 xả năng lượng qua C1 , C2 , tải ,và L2.2 : Khi Q1 dẫn điện (pha 1). Pha 2 : Q1 ngắt điện (OFF) : Tụ C1 được nạp năng lượng từ nguồn Vin và năng lượng tích trữ trong cuộn dây L2 để cung cấp điện cho tải.3 : Khi Q1 ngắt điện (pha 2).

Vì vậy có thể xem tụ C1 như một cầu nối để chuyển năng lượng từ nguồn đến tải. Để khảo sát gần đúng ,ta giả thiết các điện áp, dòng điện đều biến thiên tuyến tính. Giả thiết dòng điện trong cuộn dây L1 tăng tuyến tính từ IL11đến IL12 trong khoảng thời gian ton I L12 − I L11 ΔI Vin = L1 = L1 1 (2.1) ton ton ΔI1 L1 hay: ton = (2.2) Vin Và năng lượng tích trữ trong cuộn dây L1 phóng điện qua tụ C1, cho nên dòng trong cuộn dây L1 giảm tuyến tính từ IL12 đến IL11 trong khoảng thời gian toff.3) toff − L1ΔI1 hay: toff = (2.4) Vin − VC1 Với VC1 là điện áp trung bình của tụ C1 , và ΔI1 = IL12-IL11. Từ biểu thức (2.3) ta suy ra : 3 Vinton −(Vin − VC1 )toff ΔI1 = = L1 L1 Ta thay ton = DT và toff = (1-D)T : Vin Suy ra VC1 = (2.5) 1− D Giả thiết dòng điện trong cuộn dây L2 tăng tuyến tính từ IL21đến IL22 trong thời gian ton : I L 22 − I L 21 ΔI VC1 + Vo = L2 = L2 2 (2.6) ton ton ΔI 2 L2 ⇒ ton = (2.7) VC1 + Vo và dòng điện trong cuộn dây L2 giảm tuyến tính từ IL22 đến IL21 trong thời gian toff: ΔI 2 Vo = − L2 (2.8) hay toff ΔI 2 L2 toff = − (2.9) Vo với ΔI2=IL22-IL21.

Từ biểu thức (2.8) suy ra : (VC1 + Vo )ton Vo toff ΔI 2 = =− L2 L2 Ta thay : ton=DT và toff=(1-D)T ,suy ra điện áp trung bình của C1 là : Vo VC1 = − (2.10) D Từ biểu thức (2.10) ,suy ra điện áp trung bình ngõ ra Vo là : D Vo = − Vin (2.11) 1− D Giả thiết mạch không có tổn hao .Theo định luật bảo toàn công suất , ta có : D Vin I in = −Vo I o = Vin I o 1− D 4 D Suy ra dòng điện trung bình của nguồn : I in = Io 1− D Từ công thức (2.11), ta thấy : Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng ngắt của Mosfet mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian. Tính thông số chi tiết mạch biến đổi Cuk : Mục tiêu cần thiết kế mạch Cuk có tính năng như sau: - Nhận điện áp vào từ pin mặt trời từ 30 – 42 V. - Điện áp ra ổn định có thể điều chỉnh trong khoảng 24–30 V.

- Công suất tối đa 160W. Làm việc với tần số điều khiển fs = 29 kHz. - Sai số điện áp ngõ ra cho phép 1 %. Bảo vệ quá áp, quá dòng cho mạch.

Vout D D • Xét về độ lớn: = = Vin D ' 1 − D Chu kỳ làm việc: V out V out min V out max D= ⇒ ≤D≤ Vin + V out Vin max + V out min Vin min + V out max 24 30 ⇔ ≤D≤ ⇔ 0,364 ≤ D ≤ 0,5 42 + 24 30 + 30 Dòng điện cho phép: Pmax P 300 300 ≤ I out ≤ max ⇔ ≤ I out ≤ ⇔ 10 A ≤ I out ≤ 12.5 A Vout max Vout min 30 24 I out .D Dòng ngõ vào: I in = ⇒ out min min ≤ I in ≤ out max max 1− D 1 − Dmin 1 − Dmax ⇔ 5.5 A • Tính giá trị cuộn cảm: Chọn độ dợn sóng dòng khoảng 10%.12, 5 • Tính giá trị tụ điện : Chọn độ dợn áp trên tụ C1 khoảng 5 %. Điện áp bé nhất đặt lên tụ là : VC1 = Vinmin + Vout min = 30+24 = 54 V ⇒ ΔvC1 = 0,05.54 = 2,7 V Rmin = V2out min/Pmax = 242/300 = 1,92 Ω Vout max .1,92 Tụ lọc C2 được sử dụng để giảm tín hiệu gai trên điện áp ra, được tính như sau: Chọn độ dợn áp ra khoảng 1 %: 1 − Dmin 1 − 0,364 C2 ≤ = = 489.290002 6 PHẦN 3: GIẢI THUẬT M.T VÀ ỨNG DỤNG LOGIC MỜ VÀO M.T : (Maximum Power Point Tracking) Đặc điểm của pin quang điện là phi tuyến.1 : Đặc tuyến I(U) của pin Mặt Trời. Do đó ở mỗi điểm làm việc khác nhau sẽ có một công suất khác nhau. Vấn đề là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất.

Để đơn giản vấn đề, xét tải là một biến trở. Theo định luật Ohm : V = I*R hay I=(1/R)*V Khi kết nối tải với nguồn pin Mặt Trời , điểm làm việc của hệ chính là giao điểm của đường đặc tính pin Mặt Trời và đường đặc tính của tải.2 : Đặc tính tải và pin Mặt Trời. Hình trên cho thấy với cùng một nguồn pin Mặt Trời, khi thay đổi biến trở sẽ thu được các điểm làm việc khác nhau, tương ứng là các công suất thu được khác nhau P=U*I. 7 Trong vô số điểm làm việc khác nhau, có một điểm mà tại đó công suất thu được là cực đại, được gọi là điểm M.P (Maximum Power Point), tương ứng với nó là các thông số Pm,Im,Vm.

Giữ cố định biến trở và thay đổi cường độ bức xạ Mặt Trời sẽ thu được một họ các đường đặc tính PV (PHOTOVOLTAIC), và đồng thời có vô số điểm làm việc khác nhau. Ứng với mỗi đường đặc tính đều có một điểm M.P mà tại đó công suất đạt cực đại.3 : Đặc tính I(U) theo bức xạ. Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm M.P, và để đạt được điều này giải thuật M.T được sử dụng để điều khiển tăng, giảm duty-cycle (độ rộng xung) của bộ DC/DC. Lý thuyết MPPT: Công suất đầu ra của pin Mặt Trời : P = V * I Tại điểm công suất cực đại : d (V.

Còn nếu : dI I dP <− , <0 dV V dV Nghĩa là điểm làm việc phía bên phải điểm MPPT, vì vậy cần giảm điện áp cấp vào bằng cách tăng độ rộng xung (tăng D).4 : Điểm làm việc dao động. Giải thuật MPPT : 3. Giải thuật P&O (Perturbation and Observation Method ) : Sử dụng theo dP/dV : Với D là độ rộng xung ( Duty ) dP Nếu > 0 thì giảm D dV dP Nếu < 0 thì tăng D dV dP Nếu = 0 thì giữ nguyên D dV 9 3. Ứng dụng logic mờ vào giải thuật MPPT 3.

Mục đích của việc ứng dụng logic mờ vào giải thuật M.T Để có thể tối ưu hóa thời gian đáp ứng cho hệ thống điều khiển MPPT thì phải cân chỉnh lại D (độ rộng xung). Vậy câu hỏi đặt ra là phải cân chỉnh như thế nào ? Để cân chỉnh D bắt buộc chúng ta phải cân chỉnh lượng dx tốt hơn (dx là biến được tăng hoặc giảm sau mỗi lần tính toán). Thiết kế bộ điều khiển mờ. Các biến ngôn ngữ .