Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:157

Thêm vào BST

Báo xấu

11
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời" trình bày đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của bộ biến đổi DC-DC nguồn pin mặt trời; Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời; Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM VIỆC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC TRONG HỆ THỐNG NGUỒN PIN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN HÀ NỘI – 2022
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT NGUYỄN ĐỨC MINH NGHIÊN CỨU NÂNG CAO HIỆU QUẢ LÀM VIỆC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC TRONG HỆ THỐNG NGUỒN PIN MẶT TRỜI Ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 9.52.02.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 1. PGS.TS ĐỖ NHƢ Ý 2. PGS.TS TRỊNH TRỌNG CHƢỞNG HÀ NỘI - 2022
i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu độc lập của tôi. Các số liệu, kết quả trong luận án là trung thực và chƣa từng đƣợc công bố trong bất kỳ công trình nào của các tác giả khác. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Đức Minh
ii LỜI CẢM ƠN Luận án “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời” là kết quả của quá trình nghiên cứu, cố gắng không ngừng của tác giả trong suốt thời gian làm nghiên cứu sinh với sự giúp đỡ tận tình của các thầy, cô giáo Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, các nhà khoa học trong ngành Điện, ạn , đồng nghiệp và sự ủng hộ từ gia đình. Với tình cảm chân thành, NCS xin gửi lời cảm ơn tới Ban Giám hiệu Trƣờng Đại học Mỏ - Địa chất, Phòng Đào tạo Sau Đại học, Ban Chủ nhiệm Khoa Cơ Điện, và tập thể khoa học Bộ môn Điện khí hóa đã quan tâm, tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình học tập, công tác và nghiên cứu. NCS xin ày tỏ lòng kính trọng và iết ơn sâu sắc tới tập thể hƣớng dẫn: PGS.TS Đỗ Nhƣ Ý, PGS.TS Trịnh Trọng Chƣởng, những ngƣời thầy trực tiếp hƣớng dẫn khoa học đã luôn dành thời gian, công sức để định hƣớng, giúp đỡ và động viên tác giả trong suốt quá trình thực hiện nghiên cứu và hoàn thành luận án này. Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả luận án Nguyễn Đức Minh
iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................i LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii MỤC LỤC ................................................................................................................. iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .......................................................................vi DANH MỤC HÌNH VẼ .......................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ..................................................................................... xii MỞ ĐẦU ..................................................................................................................... 1 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .............................................5 1.1 Khái quát chung về nguồn Pin mặt trời ...................................................... 5 1.2. Đặc tính của Pin mặt trời .......................................................................... 6 1.3. Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến đặc tính của Pin mặt trời ........... 8 1.4. Cấu trúc của hệ thống Pin mặt trời .......................................................... 10 1.5. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về Pin mặt trời ............... 11 1.5.1. Về bài toán thiết kế cấu trúc bộ biến đổi DC-DC ....................................11 1.5.2. Về bài toán lựa chọn cấu trúc ghép nối bộ tăng áp DC-DC ..................... 15 1.5.3. Về ài toán tìm điểm công suất cực đại ................................................... 16 1.5.4. Hƣớng nghiên cứu về thiết kế bộ tăng áp DC-DC có tích hợp thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPPT ............................................................................19 1.6. Cách tiếp cận.......................................................................................... 20 1.7. Đề xuất hƣớng giải quyết ....................................................................... 21 1.8. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................. 22 CHƢƠNG 2. ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI .............................. 23 2.1. Mô hình hệ thống nguồn Pin mặt trời...................................................... 23 2.1.1. Mô hình Pin mặt trời ................................................................................23 2.1.2. Mô hình bộ tăng áp DC-DC .....................................................................26 2.2. Các yếu tố ảnh hƣởng đến bộ biến đổi DC-DC........................................ 30 2.2.1. Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến đặc tính PV Cell .................... 30
iv 2.2.2. Ảnh hƣởng của hiện tƣợng bóng che một phần .......................................36 2.2.3. Ảnh hƣởng của linh kiện điện tử công suất ..............................................40 2.2.4. Ảnh hƣởng của tần số điều chế và độ rộng xung đến hiệu suất bộ biến đổi .... 42 2.2.5. Hiệu suất của hệ PV với mạch boost truyền thống ..................................46 2.2.6. Ảnh hƣởng của tần số điều chế và độ rộng xung tới hiệu suất mạch boost truyền thống ..............................................................................................................46 2.3. Kết luận chƣơng 2 .............................................................................................. 49 CHƢƠNG 3. XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI ......................................................................................... 50 3.1. Đặt vấn đề .............................................................................................. 50 3.2. Giá trị một số phần tử trong mạch tăng áp DC-DC ...........................................50 3.3. Cấu trúc mạch Boost DC-DC .................................................................. 52 3.3.1. Đề xuất cấu trúc mạch DC-DC .................................................................52 3.3.2. Xác định tỷ số biến đổi điện áp và tổn thất công suất trong mạch DC-DC ..54 3.4. Mô phỏng đánh giá cấu trúc bộ tăng áp DC-DC đề xuất .......................... 59 3.5. Mô hình thực nghiệm cấu trúc mạch DC-DC đề xuất .............................. 67 3.5.1. Cấu trúc các khối trong mô hình thực nghiệm mạch tăng áp DC-DC .....67 3.5.2. Giải thuật và phần mềm ............................................................................69 3.5.3. Kết quả mô hình thực nghiệm ..................................................................69 3.6. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................. 76 CHƢƠNG 4. XÂY DỰNG CẤU TRÚC LIÊN KẾT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI .....................................................................77 4.1. Đặt vấn đề .............................................................................................. 77 4.2. Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện đồng nhất ............ 80 4.3. Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện không đồng nhất .............. 81 4.4. Cấu trúc liên kết đề xuất ......................................................................... 83 4.5. Xây dựng giải thuật xác định điểm công suất cực đại .............................. 85 4.5.1. Phƣơng pháp tối ƣu ầy đàn PSO............................................................. 85 4.5.2. Giải thuật đề xuất...................................................................................... 89
v 4.6. Kết luận chƣơng 4 .................................................................................. 97 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ................................................................................... 98 CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN .........................................100 TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................101 PHỤ LỤC ................................................................................................................113
vi DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT PV (Photovoltaic) Pin mặt trời MPP (Maximum Power Point) Điểm phát công suất cực đại GMPP (Global Maximum Power Point) Điểm phát công suất cực đại toàn cục GMPPT (Global Maximum Power Point Theo dõi điểm phát công suất cực đại Tracking) toàn cục LMPP (Local Maximum Power Point) Điểm phát công suất cực đại địa phƣơng PSC (Partial Shading Conditions) Bóng che một phần MPPT (Maximum Power Point Tracking) Dò điểm công suất cực đại P&O (Perturb & Observe) Tạo nhiễu và quan sát INC (Incremental Conductance) Điện dẫn gia tăng GA (genetic algorithm) Giải thuật di truyền PSO (particle swarm optimization) Tối ƣu ày đàn PWM (pulse width modulation) Điều chế độ rộng xung THD (total harmonic distortion) Độ méo hài toàn phần DSP (digital signal processor) Bộ xử lý tín hiệu số PLL (phase-locked loop) Vòng khóa pha SC (Serial Configuration) Cấu hình liên kết nối tiếp PC (Parallel Configuration) Cấu hình liên kết song song SPC (Serial-Parallel Configuration) Cấu hình liên kết nối tiếp – song song DC-DC Bộ biến đổi điện áp một chiều DC-AC Bộ biến đổi điện áp xoay chiều NPC (Neutral Point Camped) Mạch nghịch lƣu kẹp trung điểm bán cầu DCM (Discontinuous conduction mode) Chế độ dẫn không liên tục CCM (Continuous conduction mode) Chế độ dẫn liên tục IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) Transistor có cực điều khiển cách ly GTO (Gate Turn-Off Thyristor) Thyristor khóa bằng cực điều khiển GTR (Giant Transistor) Transistor cỡ lớn
vii MOSFET (Metal-Oxide Semiconductor Field- Transistor hiệu ứng trƣờng Effect Transistor) PID (Proportional Integral Derivative) Cơ chế phản hồi vòng điều khiển (Tỉ lệ, tích phân và đạo hàm) Boost Converter Bộ biến đổi tăng áp PSIM (Power Electronics Simulation) Phần mềm mô phỏng điện tử công suất và truyền động điện
viii DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1. Cấu tạo của pin mặt trời ..............................................................................5 Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của pin năng lƣợng mặt trời .....................................5 Hình 1.3. Các đƣờng đặc tính cơ ản của một module PV .........................................6 Hình 1.4. Đặc tính I-V theo bức xạ .............................................................................7 Hình 1.5. Đặc tính P-V theo bức xạ ............................................................................7 Hình 1.6. Đặc tính I-V theo nhiệt độ ...........................................................................7 Hình 1.7. Đặc tính P-V theo nhiệt độ .............................................................................7 Hình 1.8. Minh họa hiện tƣợng bóng che một phần ...................................................8 Hình 1.9. Vai trò diode bảo vệ trong dãy PV .............................................................. 9 Hình 1.10. Đồ thị mối tƣơng quan P-V khi có hiện tƣợng bóng che ........................ 10 Hình 1.11. Cấu trúc hệ Pin mặt trời nối lƣới............................................................. 11 Hình 1.12. Mô hình một cấp chuyển đổi và mô hình hai cấp chuyển đổi ................12 Hình 2.1. Sơ đồ khối hệ thống ..................................................................................... 23 Hình 2.2. Mô hình toán của tế ào quang điện ......................................................... 24 Hình 2.3. Mô hình pin mặt trời lý tƣởng ......................................................................25 Hình 2.4. Dòng điện trên một modul tấm pin ............................................................... 26 Hình 2.5. Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC truyền thống ................................................27 Hình 2.6. Hệ thống PV định hƣớng theo vị trí mặt trời và hệ thống PV cố định ............31 Hình 2.7. (a) Sản xuất điện năng và ( ) cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày nắng ............................................................................................................32 Hình 2.8. (a) Sản xuất điện và (b) cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày nhiều mây...........................................................................................................32 Hình 2.9. (a) Sản xuất điện và (b) cải thiện cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày mƣa ......................................................................................................33 Hình 2.10. So sánh tác động của thời tiết tới hệ thống PV cố định và có điều chỉnh theo hƣớng nắng.................................................................................................................34 Hình 2.11. Đặc tính I-V với các bức xạ khác nhau ....................................................... 35 Hình 2.12. Đặc tính P-V với các bức xạ khác nhau ...................................................... 35
ix Hình 2.13. Đƣờng đặc tính I-V tại bức xạ1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi..............35 Hình 2.14. Đƣờng đặc tính P-V tại bức xạ 1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi ............36 Hình 2.15. Nguồn phát điện PV và hiện tƣợng bóng mờ từng phần .............................. 37 Hình 2.16. Đặc tính I-V và P-V của ba tấm pin PV trong môi trƣờng đồng nhất ..........38 Hình 2.17. Đặc tính bóng che một phần với bức xạ 1000W/m2, 700W/m2, 300W/m2 ...39 Hình 2.18. Đặc tính P-V và I-V của chuỗi PV trong các điều kiện chiếu sáng không đồng nhất: a) các mô đun không ị bóng che. b) một mô đun ị bóng che với 400W/m2 .......39 Hình 2.19. Công suất đầu ra chuỗi PV với điện áp đầu ra mô đun không ị bóng che và điện áp đầu ra mô đun ị bóng che ..............................................................................40 Hình 2.20. Đặc trƣng của chuỗi PV trong điều kiện bị che một phần. a) Cấu hình chuỗi PV. ) Đặc tính I-V và P-V ......................................................................................... 40 Hình 2.21. Sơ đồ mô phỏng tấm PV ............................................................................44 Hình 2.22. Đặc tính I-V phụ thuộc nhiệt độ tại cƣờng độ sáng 1kW/m2 ........................ 45 Hình 2.23. Đặc tính P-V phụ thuộc nhiệt độ tại cƣờng độ sáng 1kW/m2 ....................... 45 Hình 2.24. Đặc tính I-V theo cƣờng độ ánh sáng tại nhiệt độ 250C ............................... 45 Hình 2.25. Đặc tính P-V phụ thuộc cƣờng độ sáng tại nhiệt độ 250C ............................ 45 Hình 2.26. Đáp ứng điện áp DC tại các khâu ............................................................... 45 Hình 2.27. Đặc tính dòng điện vào/ra của khâu DC-DC ...............................................45 Hình 2.28. Hiệu suất hệ thống ..................................................................................... 46 Hình 2.29. Hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào tần số và độ rộng xung ăm áp ...............49 Hình 3.1. Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC đề xuất......................................................... 52 Hình 3.2. Dòng năng lƣợng ở tầng dƣơng khi G1 dẫn ..................................................54 Hình 3.3. Dòng năng lƣợng trong mạch khi G1 mở ..................................................... 54 Hình 3.4. Thông số kỹ thuật tấm Pin mặt trời ............................................................... 60 Hình 3.5. Đặc tính I-V và P-V của tấm Pin ..................................................................60 Hình 3.6. Sơ đồ mô phỏng trong Matlab ......................................................................61 Hình 3.7. Đáp ứng điện áp đầu vào của mạch (Vin = 74V)............................................62 Hình 3.8. Đáp ứng điện áp ra phía tải...........................................................................62 Hình 3.9. Đáp ứng hiệu suất của mạch.........................................................................62
x Hình 3.10. Điện áp đầu vào khi tấm Pin bị che khuất ................................................... 63 Hình 3.11. Đáp ứng điện áp ra của mạch khi tấm Pin bị che khuất................................ 63 Hình 3.12. Đáp ứng hiệu suất của mạch khi 1 tấm Pin bị che khuất .............................. 64 Hình 3.13. Quan hệ giữa hiệu suất và điện trở tải khi tần số đóng cắt bằng 15 kHz .......64 Hình 3.14. Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 20 kHz.....64 Hình 3.15. Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 25 kHz.....65 Hình 3.16. Quan hệ giữa hiệu suất mạch và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 30 kHz ............................................................................................................................ 65 Hình 3.17. Quan hệ giữa hiệu suất mạch và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 40 kHz ............................................................................................................................ 65 Hình 3.18 Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,35 ...................................66 Hình 3.19. Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,5 ....................................66 Hình 3.20. Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,7 ....................................66 Hình 3.21. Sơ đồ khối của hệ thống tăng áp DC-DC .................................................... 68 Hình 3.22. Sơ đồ khối của mạch điều khiển phát xung .................................................68 Hình 3.23. Mạch tăng áp DC-DC và mạch driver sau khi thiết kế, chế tạo .................... 70 Hình 3.24. Mạch in của kit điều khiển .........................................................................70 Hình 3.25. Mô hình thực nghiệm tổng thể....................................................................71 Hình 3.26. Mô hình bộ biến đổi hoàn thiện đƣợc lắp đặt ở hiện trƣờng ......................... 71 Hình 3.27. Sóng điện áp tra trên tải thuần trở và trên cổng Mosfed trên Oscilloscope....71 Hình 3.28. Sóng điện áp vào, điện áp ra và điện áp tham chiếu với tải động cơ .............72 Hình 3.29. Sóng điện áp ra, dòng điện trên tải và đáp ứng giá trị D............................... 72 Hình 3.30. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 15 kHz ........73 Hình 3.31. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 20 kHz ........73 Hình 3.32. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 25 kHz ........74 Hình 3.33. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 30 kHz ........74 Hình 3.34. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 40 kHz ........74 Hình 3.35. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất khi D = 0,35 .......................... 75 Hình 3.36. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất khi D = 0,5 ............................ 75
xi Hình 3.37. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất khi D = 0,7 ............................ 75 Hình 4.1. Đặc điểm dòng điện qua các tấm Pin ............................................................ 77 Hình 4.2. Bypass bỏ qua các cell bị che khuất .............................................................. 78 Hình 4.3. Cấu hình liên kết pin mặt trời: a. SC, b. PC, c. SPC.......................................79 Hình 4.4. Đặc tính I-V và P-V của các dạng liên kết trong môi trƣờng đồng nhất .........81 Hình 4.5. Đặc tính V-I, P-I khi thay đổi bức xạ ............................................................ 82 Hình 4.6. Đặc tuyến P-I của module PV trong các điều kiện khác nhau ........................ 83 Hình 4.7. Cấu trúc liên kết bộ biến đổi DC-DC ............................................................ 84 Hình 4.8. Lƣu đồƣgiải thuật P&O................................................................................88 Hình 4.9. Nguyên lý cấu hình đề xuất ..........................................................................90 Hình 4.10. Lƣu đồ giải thuật đề xuất ............................................................................92 Hình 4.11. Các giá trị đầu ra trong trƣờng hợp 1 .......................................................... 94 Hình 4.12. So sánh khả năng GMPPT .........................................................................94 Hình 4.13. Tốc độ MPPT so với PSO (TH11).............................................................. 94 Hình 4.14. Hiệu quả của các giải thuật khi thay đổi cƣờng độ bức xạ 1000W/m2; 500W/m2 ở 25 độ C ....................................................................................................95 Hình 4.16. So sánh hiệu quả của các giải thuật khi thay đổi nhiệt độ 25 độ C và 60 độ C với cùng điều kiện cƣờng độ bức xạ 1000W/m2 ........................................................... 96
xii DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Bảng so sánh các ƣu nhƣợc điểm giữa mô hình một cấp chuyển đổi và mô hình hai cấp chuyển đổi............................................................................................. 13 Bảng 2.1. Hiệu suất bộ DC-DC .................................................................................48 Bảng 3.1. Cấu hình chân vi xử lý ..............................................................................69 Bảng 4.1. Các trƣờng hợp mô phỏng ........................................................................85 Bảng 4.2. Thuộc tính PSO......................................................................................... 87 Bảng 4.3. Công suất thu đƣợc trong các trƣờng hợp ................................................93
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Hệ thống phát điện Pin mặt trời bao gồm một số thành phần cơ ản: các tấm pin mặt trời (gọi tắt là tấm Pin), bộ biến đổi DC-DC, DC-AC, bộ lƣu trữ năng lƣợng và các thiết bị phụ trợ khác. Mục tiêu vận hành các hệ thống điện Pin mặt trời luôn là: tận dụng tối đa công suất phát của chúng ở mọi thời điểm vận hành. Tuy nhiên, công suất phát của hệ thống pin mặt trời (PV) lại phụ thuộc vào môi trƣờng xung quanh, hiệu quả làm việc của bộ biến đổi và các yếu tố khác. Do đó, vấn đề khai thác tối đa khả năng phát công suất nhờ các biện pháp thiết kế, điều khiển tối ƣu để tối đa hiệu suất, công suất phát của Pin mặt trời luôn là những thách thức đối với cộng đồng nghiên cứu ở trong nƣớc và nƣớc ngoài. Những năm gần đây, có rất nhiều nghiên cứu liên quan đến các vấn đề nêu trên, tuy nhiên vẫn chƣa thực sự triệt để khi có quá nhiều ràng buộc và các yếu tố ngẫu nhiên ảnh hƣởng đến PV trong quá trình vận hành, đặc biệt là các vấn đề liên quan đến quá trình vận hành bộ biến đổi và cấu hình liên kết của các PV, vấn đề dò tìm điểm công suất cực đại, cũng nhƣ việc đảm bảo chất lƣợng đầu ra của dòng điện, điện áp của bộ biến đổi khi cung cấp cho các phụ tải. Vì vậy, nội dung Luận án: “Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời” đƣợc tác giả đặt ra nhằm giải quyết phần nào các thách thức đã nêu, đóng góp một phần vào việc cải thiện chất lƣợng vận hành của các hệ thống nguồn Pin mặt trời. 2. Mục tiêu của luận án Đề xuất cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới với mục tiêu cải thiện hiệu suất làm việc và nâng cao hệ số biến đổi điện áp. Trên cơ sở mạch tăng áp DC-DC đã đề xuất, Luận án xây dựng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho bài toán kết nối các bộ tăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất. 3. Đối tƣợng nghiên cứu Đối tƣợng nghiên cứu của Luận án là bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời, công suất dƣới 1kW.
2 4. Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu đề xuất cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới nhằm cải thiện hiệu quả làm việc của nguồn Pin mặt trời và xây dựng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho bài toán kết nối các bộ tăng áp DC-DC. 5. Phƣơng pháp nghiên cứu Trong quá trình thực hiện, tác giả sử dụng các phƣơng pháp nghiên cứu sau: - Phƣơng pháp phân tích, điều tra và tổng hợp; - Phƣơng pháp nghiên cứu lý thuyết; - Phƣơng pháp mô hình hóa và mô phỏng; - Phƣơng pháp thực nghiệm. 6. Đóng góp mới về mặt khoa học của Luận án - Phân tích đánh giá đƣợc ảnh hƣởng điều kiện thời tiết môi trƣờng xung quanh đến hiệu quả phát công suất của hệ thống pin mặt trời (PV). Cũng nhƣ xác định đƣợc mối quan hệ phụ thuộc giữa độ rộng xung điều chế với tần số đóng cắt mạch đến hiệu suất của bộ biến đổi. - Đề xuất đƣợc cấu trúc và thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm bộ biến đổi tăng áp DC-DC mới cho hệ PV dựa trên mối quan hệ tổn thất công suất trong mạch tăng áp DC-DC với thông số mạch và thông số điều khiển. Cấu trúc DC-DC đề xuất có hiệu suất cao, dễ điều khiển và hoạt động ổn định. - Xây dựng đƣợc cấu trúc liên kết mạch DC-DC và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho bài toán kết nối các bộ tăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất nhằm mục đích tăng tốc độ xử lý, tính toán nhanh hơn, đáp ứng quá độ tốt hơn. 7. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Ý nghĩa khoa học: - Xác định đƣợc mối quan hệ phụ thuộc giữa độ rộng xung điều chế với tần số đóng cắt mạch đến hiệu suất của bộ biến đổi. - Đề xuất cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC mới có hiệu suất cao, dễ điều khiển và hoạt động ổn định và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho
3 bài toán kết nối các bộ tăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất nhằm mục đích tăng tốc độ xử lý, tính toán nhanh hơn, đáp ứng quá độ tốt hơn. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu của Luận án có thể triển khai áp dụng trong thực tế giúp ích các nhà thiết kế, chế tạo và sản xuất nâng cao hiệu quả làm việc bộ nghịch lƣu hòa lƣới điện của nguồn Pin mặt trời qua đó từng ƣớc nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo trong thực tế. 8. Nội dung của luận án Ngoài phần Mở đầu và kết luận, Luận án đƣợc trình bày trong 4 chƣơng: Chƣơng 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu Chƣơng này Luận án trình bày các vấn đề khái quát về nguồn điện Pin mặt trời, các ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến hiệu quả làm việc của chúng. Đặc biệt, nội dung chƣơng này nhấn mạnh đến tổng quan các nghiên cứu ở trong và ngoài nƣớc về các vấn đề liên quan, nhƣ: ài toán thiết kế cấu trúc DC-DC; bài toán lựa chọn cấu trúc dãy bộ biến đổi DC-DC và ài toán dò tìm điểm làm việc công suất cực đại; để từ đó đề xuất cách tiếp cận của Luận án. Chƣơng 2: Đánh giá các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả làm việc của bộ biến đổi DC-DC nguồn pin mặt trời Dựa trên mô hình toán học của Pin mặt trời, cũng nhƣ mô hình của bộ biến đổi tăng áp DC-DC, Luận án tập trung đánh giá mối quan hệ phụ thuộc giữa hiệu suất mạch DC-DC với các tham số của mạch nhƣ: tần số đóng cắt, độ rộng xung điều chế,.. làm cơ sở đặt vấn đề cho chƣơng 3 tiếp sau. Chương 3: Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời Chƣơng này, Luận án đề xuất thiết kế cấu trúc một mạch tăng áp DC-DC mới có hiệu suất cao, hệ số biến đổi điện áp lớn. Để kiểm chứng, Luận án sẽ tiến hành mô phỏng kiểm chứng và đánh giá hiệu quả của mạch tăng áp này giữa hiệu suất mạch với độ rộng xung và tần số đóng cắt mạch thông qua mô hình thực nghiệm.
4 Chƣơng 4: Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời Chƣơng này tập trung đề xuất một giải thuật tối ƣu có cải tiến áp dụng cho hệ liên kết các bộ biến đổi DC-DC. Giải thuật này đề xuất sử dụng sử dụng giá trị dòng điện nhƣ một tham số điều khiển nhằm ổn định thông số đầu ra của mạch DC-DC và gia tăng tốc độ hội tụ. Điều này khiến cho hệ thống khi bị bóng che một phần nó cũng không ỏ qua những module nhận đƣợc ít năng lƣợng nhất. Qua đó góp phần giảm bớt tổn thất công suất và gia tăng hiệu quả sinh điện của toàn bộ hệ thống.
5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về nguồn Pin mặt trời[1], [2], [11]–[16], [3]–[10] Pin Mặt trời (PV) ao gồm nhiều tế ào quang điện (solar cells) - là phần tử án dẫn có chứa trên ề mặt một số lƣợng lớn các cảm iến ánh sáng là điốt quang, thực hiện iến năng lƣợng của ánh sáng trực tiếp thành điện năng ằng hiệu ứng quang điện, là một hiện tƣợng vật lý và hóa học. Nó là một dạng tế ào quang điện, các tế ào quang điện này có thể hoạt động đƣợc dƣới cả ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên đƣợc định nghĩa là một thiết ị có các đặc tính điện, nhƣ dòng điện, điện áp hoặc điện trở, thay đổi khi tiếp xúc với ánh sáng. Modul các thiết ị pin mặt trời riêng lẻ đƣợc kết nối với nhau thƣờng là các khối tạo thành các modul quang điện, thông thƣờng đƣợc gọi là các tấm pin mặt trời. Cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc ởi lƣợng ánh sáng chiếu lên chúng. Cấu tạo một tấm pin mặt trời cơ ản gồm các thành phần nhƣ hình 1.1 [10], [17], [18]–[21]. Hình 1.1. Cấu tạo của pin Hình 1.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời năng lƣợng mặt trời Khi ề mặt tấm pin mặt trời đƣợc chiếu sáng, sẽ xuất hiện hiện tƣợng ức xạ mặt trời thẩm thấu vào tế ào quang điện, mang theo nguồn năng lƣợng proton. Nguồn năng lƣợng này đƣợc tích trữ ngày một nhiều, đến khi đạt giới hạn chúng sẽ gây nên hiện tƣợng các electron ị ức ra khỏi cấu tạo nguyên tử, hình thành các electron tự do mang điện âm, các lỗ hổng mang điện dƣơng. Chúng kết hợp với từ trƣờng của 2 hai lớp silic P và N di chuyển thành một dòng, mà chúng ta hay vẫn
6 gọi là dòng điện một chiều (hình 1.2). Mối quan hệ giữa dòng điện của Pin mặt trời (IPV) và điện áp (VPV) phát ra từ các tấm Pin là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp P-N, công suất của ức xạ mặt trời (G) và công suất của phụ tải. Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không ị ảnh hƣởng ởi các yếu tố liên quan đến quán tính. Một điểm quan trọng khác là: các tấm Pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tƣơng ứng với mỗi cặp giá trị về nhiệt độ ề mặt tấm Pin mặt trời và cƣờng độ ức xạ mặt trời. Khai thác đƣợc trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục đƣợc nhƣợc điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này. Điều này có thể đạt đƣợc nhờ điều chỉnh tải tiêu thụ tƣơng ứng với công suất tại điểm công suất cực đại [22]. 1.2. Đặc tính của Pin mặt trời Tại bức xạ mặt trời nhất định, tế ào quang điện cho ra giá trị các đại lƣợng điện áp V (V), dòng điện I (A) và công suất P (W) tƣơng ứng - hình 1.3. Các giá trị của V, I và P giúp xác định các đặc tuyến của một tế ào quang điện đó là mối tƣơng quan giữa I- V (dòng điện - điện áp) và P-V (công suất - điện áp). Ở đây ISC là dòng điện ngắn mạch, VOC là điện áp hở mạch, MPP (Maximum Power Point) ở hình 1.3 là điểm có công suất cực đại, IMP và VMP là dòng điện và điện áp tƣơng ứng tại MPP [2]. Dò C ng ôn điệ g n su (A) ất ( W ) Điện áp (V) Điện áp (V) Hình 1.3. Các đƣờng đặc tính cơ ản của một module PV Một điểm quan trọng khác là: tại VOC thì giá trị của ISC bằng không và tƣơng tự tại điểm của ISC giá trị của VOC bằng không. Hiệu suất của tế ào quang điện phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ vật liệu sản xuất, nhiệt độ môi trƣờng, cƣờng độ bức xạ