Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp dc dc trong hệ thống n

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC MỎ - ĐỊA CHẤT 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 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: 9.01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: 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 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 \, 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 iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN. ii MỤC LỤC. iii DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT .vi DANH MỤC HÌNH VẼ.

viii DANH MỤC BẢNG BIỂU. xii MỞ ĐẦU. TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU .1 Khái quát chung về nguồn Pin mặt trời. Đặc tính của Pin mặt trời.

Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến đặc tính của Pin mặt trời. Cấu trúc của hệ thống Pin mặt trời. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nƣớc về Pin mặt trời. Về bài toán thiết kế cấu trúc bộ biến đổi DC-DC.

Về bài toán lựa chọn cấu trúc ghép nối bộ tăng áp DC-DC. Về ài toán tìm điểm công suất cực đại. Hƣớng nghiên cứu về thiết kế bộ tăng áp DC-DC có tích hợp thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPPT. Cách tiếp cận.

Đề xuất hƣớng giải quyết. Kết luận chƣơng 1. ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƢỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI. Mô hình hệ thống nguồn Pin mặt trời.

Mô hình Pin mặt trời. Mô hình bộ tăng áp DC-DC. Các yếu tố ảnh hƣởng đến bộ biến đổi DC-DC. Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến đặc tính PV Cell.

Ảnh hƣởng của hiện tƣợng bóng che một phần. Ảnh hƣởng của linh kiện điện tử công suất. Ảnh hƣởng của tần số điều chế và độ rộng xung đến hiệu suất bộ biến đổi. Hiệu suất của hệ PV với mạch boost truyền thống.

Ảnh hƣởng của tần số điều chế và độ rộng xung tới hiệu suất mạch boost truyền thống. Kết luận chƣơng 2. XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI. Giá trị một số phần tử trong mạch tăng áp DC-DC.

Cấu trúc mạch Boost DC-DC. Đề xuất cấu trúc mạch DC-DC. Xác định tỷ số biến đổi điện áp và tổn thất công suất trong mạch DC-DC. Mô phỏng đánh giá cấu trúc bộ tăng áp DC-DC đề xuất.

Mô hình thực nghiệm cấu trúc mạch DC-DC đề xuất. Cấu trúc các khối trong mô hình thực nghiệm mạch tăng áp DC-DC. Giải thuật và phần mềm. Kết quả mô hình thực nghiệm.

Kết luận chƣơng 3. XÂY DỰNG CẤU TRÚC LIÊN KẾT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI. Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện đồng nhất. Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện không đồng nhất.

Cấu trúc liên kết đề xuất. Xây dựng giải thuật xác định điểm công suất cực đại. Phƣơng pháp tối ƣu ầy đàn PSO. Giải thuật đề xuất.

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 .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. Cấu tạo của pin mặt trời.

Nguyên lý hoạt động của pin năng lƣợng mặt trời. Các đƣờng đặc tính cơ ản của một module PV. Đặc tính I-V theo bức xạ. Đặc tính P-V theo bức xạ.

Đặc tính I-V theo nhiệt độ. Đặc tính P-V theo nhiệt độ. Minh họa hiện tƣợng bóng che một phần. Vai trò diode bảo vệ trong dãy PV.

Đồ thị mối tƣơng quan P-V khi có hiện tƣợng bóng che. Cấu trúc hệ Pin mặt trời nối lƣới. Mô hình một cấp chuyển đổi và mô hình hai cấp chuyển đổi. Sơ đồ khối hệ thống.

Mô hình toán của tế ào quang điện. Mô hình pin mặt trời lý tƣởng. Dòng điện trên một modul tấm pin. Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC truyền thống.

Hệ thống PV định hƣớng theo vị trí mặt trời và hệ thống PV cố định. (a) Sản xuất điện năng và ( ) cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày nắng. (a) Sản xuất điện và (b) cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày nhiều mây. (a) Sản xuất điện và (b) cải thiện cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày mƣa.

So sánh tác động của thời tiết tới hệ thống PV cố định và có điều chỉnh theo hƣớng nắng. Đặc tính I-V với các bức xạ khác nhau. Đặc tính P-V với các bức xạ khác nhau. Đƣờng đặc tính I-V tại bức xạ1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi.

Đƣờng đặc tính P-V tại bức xạ 1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi. Nguồn phát điện PV và hiện tƣợng bóng mờ từng phần. Đặc tính I-V và P-V của ba tấm pin PV trong môi trƣờng đồng nhất. Đặc tính bóng che một phần với bức xạ 1000W/m2, 700W/m2, 300W/m2.

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. 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. Đặc trƣng của chuỗi PV trong điều kiện bị che một phần.

a) Cấu hình chuỗi PV. ) Đặc tính I-V và P-V. Sơ đồ mô phỏng tấm PV. Đặc tính I-V phụ thuộc nhiệt độ tại cƣờng độ sáng 1kW/m2.

Đặc tính P-V phụ thuộc nhiệt độ tại cƣờng độ sáng 1kW/m2. Đặc tính I-V theo cƣờng độ ánh sáng tại nhiệt độ 250C. Đặc tính P-V phụ thuộc cƣờng độ sáng tại nhiệt độ 250C. Đáp ứng điện áp DC tại các khâu.

Đặc tính dòng điện vào/ra của khâu DC-DC. Hiệu suất hệ thống. Hiệu suất hệ thống phụ thuộc vào tần số và độ rộng xung ăm áp. Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC đề xuất.

Dòng năng lƣợng ở tầng dƣơng khi G1 dẫn. Dòng năng lƣợng trong mạch khi G1 mở. Thông số kỹ thuật tấm Pin mặt trời. Đặc tính I-V và P-V của tấm Pin.

Sơ đồ mô phỏng trong Matlab. Đáp ứng điện áp đầu vào của mạch (Vin = 74V). Đáp ứng điện áp ra phía tải. Đáp ứng hiệu suất của mạch.

Điện áp đầu vào khi tấm Pin bị che khuất. Đáp ứng điện áp ra của mạch khi tấm Pin bị che khuất. Đáp ứng hiệu suất của mạch khi 1 tấm Pin bị che khuất. Quan hệ giữa hiệu suất và điện trở tải khi tần số đóng cắt bằng 15 kHz.

Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 20 kHz. Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 25 kHz. Quan hệ giữa hiệu suất mạch và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 30 kHz. Quan hệ giữa hiệu suất mạch và công suất tải khi tần số đóng cắt bằng 40 kHz .18 Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,35.

Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,5. Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,7. Sơ đồ khối của hệ thống tăng áp DC-DC .