Thiết kế bộ sạc acquy sử dụng năng lượng mặt trời ứng dụng thuật toán bám công suất cực đại

Mc lc



MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU 1
CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẠC ACQUY SỬ DỤNG
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI. 2
1.1. Pin mt tri 2
1.1.1. Gii thiu chung. 2
1.1.2. Nguyên lý hot ng 2
1.1.3. u kin n pin mt tri. 2
1.1.4. ng dng ca pin mt tri 4
1.2. H thng pin mt tri 4
1.3. p acquy 5
1.3.1. p acquy 5
1.3.2. Các ch  sc 5
1.4. Bài toán thit k. 6
CHƢƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM CÔNG SUẤT
CỰC ĐẠI (MPPT) 8
2.1. P 8
2.2. Thut toán MPPT. 8
2.2.1. Thuu khin t l n áp h mch . 9
2.2.2. Thut toán nhiu lon và quan sát. 9
2.2.3 n d 10
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC. 11
3.1. Phân tích yêu cu thit k. 11
3.2. La chn cu trúc mch và nguyên lý làm vic. 11
3.3. Tính toán và chn các tham s n 13
Mc lc

3.3.1. Tính toán t lu ra. 13
3.3.2. n tr
ESR
R
. 14
3.3.3. n tr. 14
3.3.4. Tính toán cun cm 15
3.3.5. La chn thit b t. 15
CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN GHÉP NỐI 17
CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG. 20
KẾT LUẬN 24
TÀI LIỆU THAM KHẢO 25



Lu

1

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay do ngung n truyn thng ngày càng cn kit vì vy vic
tìm kim mt ngu  ng sch   ng mt tr  ng gió, sóng
binmi thay th là rt cn thit, ng mt tri là mt ngung
r, vô tn cho nên rc quan tâm nghiên cu và là ngung c
.Cho nên mc tiêu c án là thit k b sc acquy s dng mt tri ng
dng thut toán bám công sut ci. Thut toán bám công sut ci s giúp tn
dng c tng mt tri. B sc bao gm c bii DC- u
khin quá trình sc qua các ch .

Toàn b công vic c  c thc hii s ng dn ca thy giáo
Nguy
ng quan v b sc acquy s dng mt tri.
u khin bám công sut ci
 bii DC-DC
t toán ghép ni .
ng .
Do thi gian có h   ng hn ch v kin th  u kin thc
nghi án chc chn không tránh khi thiu sót. Vì th, nhóm chúng em kính mong
nhc nhng li nha các th chúng em khc phc
và ci tin các v còn tn ti ca  án.
Em xin trân trng c



Hà Nội, ngày 30 tháng 12 năm 2013
Sinh viên thực hiện


Nguyn Mnh Tun

i thiu chung v sc acquy s dng mt tri.

2

CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ SẠC ACQUY SỬ DỤNG
NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI.
1.1. Pin mặt trời.
1.1.1. Giới thiệu chung.
Tng mt tri là mt sn phm công ngh c phát tri tn

dng ngung mt tri t s dng trong dân dng và công
nghip. Mt t n (cell), tm png mt tri (solar cells panel), hay
n (PV) là h thng các tm vt lic bit có kh i quang
a ánh sáng mt trt tri c cu to bng các t bào
  (polycrystalline) có hiu
sut cao (15% - 18%), công sut t n 175Wp và có tui th 
1.1.2. Nguyên lý hoạt động
ng mt tri (pin mt trn) là thit b giúp chuyn hóa
trc ting ánh sáng mt trg)
da trên hiu n
Ánh sáng mt tri gm các ht photon khi chiu xung tng mt
tri s truyng ca chúng ti các electoroon ri rc làm cho chúng bt ra khi
nguyên t và to thành các l trng và electoron t do, trong tng mt tri
2 lp bán dn silicon loi n ( bán dn âm-Nagative) và loi p ( bán d-Positive)
t cnh nhau electron dn chính ca loi n s nh ly nhng khong trng
ca loi n tícc tích
n âm, to ra mng trên pin mt tri.
1.1.3. Các điều kiện ảnh hƣởng đến pin mặt trời.
Yu t thi ting rt ln pin mt tri,  
chiu sáng có ng ln nht. Nó ng rt lc tính ca pin mt
tri. Kt qu là s m pin mt tri có công sut ci (MPP).
 chiu sáng t n áp
công sut s c th hin trên hình 1.1:

i thiu chung v sc acquy s dng mt tri.

3


Hình 1.c tính V- bc x i t 200  1000 W

[12]
Dc tính ta có th d dang nhn th chiu sáng càng cao
công sut pin càng ln.
ng ca nhi chiu t n áp
công sut s c th hin trên hình 1.2:

Hình 1.2. c tính P-I (a) và P-V (b) khi
nhi i 0  100
0
C
[12]
i thiu chung v sc acquy s dng mt tri.

4

1.1.4. Ứng dụng của pin mặt trời
- ng dng ca pin mt tri rt ph bin ng dng ri sng hng
ngày p tích hp ngun cho các thit b ng
h, robot,mt s thit b dân dng to cho các thit b có tính hiu qu ng
dng và kinh t cao, tit king .
- Ngung b sng mt tri, ng dng cung cn cho
các h c bit có ng dng rt cao  o, các
n quc  chiu sáng cao.
- c bit ng dng lng dng mt tri có
th n quc gia cung cn cho mi min t quc.
1.2. Hệ thống pin mặt trời.
Pin mt tri không th cung cc trc tip cho các thit b mà ta cn thông qua
mt h thng.

Hình 1.3. H thng pin mt tri

[13]

H thng pin mt tri là h thng s dng ngung mt tri qua h thng
pin mt tri bing cp cho h thng s ph
thu ánh sáng và nhi ng nên s có th b gián n vào lúc
không có ánh sáng. Do vy trên h thng pin mt trng có mt h thng tích tr
 h thng có th hong nh khi không có ánh sáng.
i thiu chung v sc acquy s dng mt tri.

5

1.3. Acquy và các phƣơng pháp nạp acquy
Acquy là lon hóa h tích tr nng và làm ngun
cung cp cho các thit b n .c bn ca acqui:
- Sng li khi phóng, nn.
- S t n bé.
- n np vào bao gi n mà acquy phóng
ra.
- n tr trong ca acquy nh
Tui th ca acquy ph thuc rt nhiu vào quá trình phóng và np ca acquy. Nu
c phóng và n s b hng rt nhanh.Mt s yu t nh
n tui th ca acquy trong quá trình sn và n áp sc t
thi gian sc.
Cn có mt b u khin quá trình s tránh gim tui th ca acquy.
1.3.1. Phƣơng pháp nạp acquy
ng s d np c quy :
- n.
- n áp.
- p dòng áp.
1.3.2. Các chế độ sạc

u tiên (bulk charge) dc cp vi mt giá tr an toàn cho ti
t 80 -n áp nn áp nn này có t 20
n 25 volts, không có mn áp nn nng b
gii hn ci mà acquy có th chc.
n th hai (absorbtion charge) ic gi  n
 t khi ni tr p. Trong sun
áp ra ca b ngun np là ci là 24V.
n th c np n áp nc gim
xu gim s i th n áp có th to ra bng k thut
u ch  r.
i thiu chung v sc acquy s dng mt tri.

6


Hình 1.4. Các ch  sc acquy
[14]
1.4. Bài toán thiết kế.
Thit k b sc acquy t ng mt tri thông qua mt b bii DC-DC.
- u vào: Pin mt trn áp ti MPPT 20V.
- u ra: 2 acquy LEAD-ACID 12V mc ni tip.
- Công sut: 80W.





i thiu chung v sc acquy s dng mt tri.

7

Cu trúc ca b sc s d










Hình 1.5: Cu trúc b sc acquy.


u khin bám công sut ci (MPPT)

8

CHƢƠNG 2: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM CÔNG SUẤT
CỰC ĐẠI (MPPT).
2.1. Phƣơng pháp MPPT.
MPPT (Maximum Power Point Tracker) m làm vic có
công sut ta h thng ngun pin mt tri qua viu khin chu k 
m n t dùng trong b DC/DC
Khi ni trc tip pin mt tri vi tm làm vic ca h thng
giao nhau cc tính tc tính ca pin.

Hình 2.1. H thng pin mt trc mc trc tip vn tr.

2. c tính làm vic ca pin và ti thun tr có giá tr n tr i
c.
[15]

m làm vi có công sut ln nht iy ti phi phù h
pin có th làm vic  u này là rt khó. Vy cn thu u chnh
n tr vào pin cho phù h pin làm vim ci.
2.2. Thuật toán MPPT.
Thuc s dng có th bám công sut ci là :
- Thuu khin t l n áp h mch (Open Circuit Voltage method).
u khin bám công sut ci (MPPT)

9

- Thun dtal Conductance method).
- Thut toán nhiu lon và quan sát (Perturb and Observe method).
2.2.1. Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch .
Thuc thc hin áp tm công sut ci V
MPP
t
l vn áp h mch V
OC

V
MPP
=k.V
OC
Vi giá tr k là mt hàm logarith c   chiu sáng, giá tr  ng
khong t n 0.8.

m: chi phí thc hin thp, thun và d thc hin
m: không hong chính xác tm công sut ci.
2.2.2. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát.
c s dng thông dng nht nh s 
gin trong thut toán và vic thc hin d dàng. Thut toán này xét s n áp
theo chu k  m làm vic có công sut ci. Nu s bin thiên cn
áp làm công su bin thiên tip theo s gi nguyên chic
gim. c li, nu s bin thiên làm công sut gim xung thì s bin thiên tip theo s
có chic li. m làm vic có công sut ln nhc xác
nh trên c tính thì s bin áp s m làm
vic có công sut ln nht m MPP).

Hình 2.3.  thut toán nhiu.
u khin bám công sut ci (MPPT)

10

* m: d s dng thun.
* m: khó ng du kin thi tii liên tc.
2.2.3 Phƣơng pháp điện dẫn gia tăng.
n d dc cc tính pin bng
0 ti m MPPT dg khi  m MPP, là âm khi  bên phi
m MPP.
- Khi =0  m MPP.

- Khi m MPP.
- Khi <0 bên phm MPP.

Hình 2.4.  thu
* m:

- Cho kt qu tt ngay c khi thi tii liên tc.
- Công sung so v
* m:
- Mu khin phc tp.
- S dng hai cm bin nên chi phí l

 bii DC-DC

11

CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC.
3.1. Phân tích yêu cầu thiết kế.
- Thông s u vào :
in
V 20V
, tn s t
sw
f 100kHz
.
- Thông s u ra:
out
V 24V
,
out
P 100W
,  ng cn trên
cun cm
LL
I 10%I
.

c thc hi
- Tìm hiu cu trúc và nguyên lý làm vic.
- Tính toán các phn t mch lc và mô hình hóa tính toán b u khin:
 Tính toán các thông s ca các phn t.
 Mô hình hóa và tng hp b u khin.
3.2. Lựa chọn cấu trúc mạch và nguyên lý làm việc.
Có nhiu b bi  boost converter, full bridge, flyback 
b bii boost converter có cu trúc mc nh gn,
hiu sut cao  bii có s dng bin áp. T nhm trên và yêu cu
t ra cu hình boost cc chn.
v
g
L
Q
1
D
C
R
ESR
R
i
L
(t)
i
C
(t)
v(t)

Hình 3.1. Mô hình ca b bi.
Cu trúc mch gm có u vào V

g
vi chi, cun
kháng L, van S thc hit, t lc C, trong thc t ngoài thành phn chính là t C
n tr ni ti
ESR
, ti tr Ru ra c ly  u t
v(t)n qua cun cm i
L
(t) và t n i
C
(t) có chi. Do
tn s chuyn mch cao
sw
f 100kHz
nên khóa S có th là các van 
1
và
diode D.
Xét mt chu k T
s
: trong khong thi gian
s
0 t DT
, MOSFET Q
1
 trng thái
o mc biu dii
L
(t) s chy
qua MOSFET

1
Q
to thành mt mch khép kín, còn i
C
(t) chn tr R và t 
vng hn chy qua diode D.
 bii DC-DC

12

n áp trên cun cn qua t n là:
Lg
v (t) v (t)
(3.1)
C
v(t)
i (t)
R


(3.2)
v
g
L
v
L
(t)
v
g
C

R
ESR
R
L
a)
b)
v
L
(t)
v(t)
R
ESR
R
v(t)
i
L
(t)
i
C
(t)
i
L
(t)
i
C
(t)
C

Hình 3.2.  mch thay th a) khi MOSFET Q
1

 Q
1
ct.
Trong khong thi gian
ss
DT t T
, MOSFET
1
Q
 trng thái off, D  trng thái
oi thm MOSFET Q
1
, dòng qua cun cm có giá tr khác
c biu dii mt hàm liên tc trên min th xem
cun cm hong D dn
qua MOSFET Q
1
u D ng 0.
T 
Lg
v (t) v (t) v(t)
(3.3)
CL
v(t)
i (t) i (t)
R

(3.4)
v
L

(t)
V
g
DT
s
D’T
s
V
g
-V
t
i
C
(t)
DT
s
D’T
s
t
-V/R
I-V/R

Hình 3.3. a) Dn áp trên cun cm, b) Dn trên t n.
c lp li vi nhng chu kì tip theo.
 bii DC-DC

13

Do thi gian chuyn mch ngn ng bin thiên theo thi gian
g

v (t)
,
v(t)
nên ta có th xp x tuyn tính
gg
v (t) V
và
v(t) V
. Do vy tng hp c chu k
chuyn mch, n áp trên cun cm c tính bng:


s
T
L g s g s
0
v (t)dt V .D.T (V V).D'.T  

(3.5)

g
V .(D D') V.D 0   

vi
D D' 1
. T c mi quan h giu ra:
g
V
V
D'


(3.6)
3.3. Tính toán và chọn các tham số cơ bản
3.3.1. Tính toán tụ lọc đầu ra.

Hình 3.4. Du ra
[1]
.
Trong khong thi gian
s
0 t DT
 dc ca dn áp trên t là:
cc
dv (t) i (t)
V
dt C RC
  
(3.7)
còn trong khong
ss
DT t T
 dc ca dn áp trên t:
cc
dv (t) i (t)
IV
dt C C RC
  
(3.8)
n th nht s n áp trong t c tính:
s

V
2 V DT
RC
  
(3.9)
 bii DC-DC

14

T c giá tr ca t n:
s
V
C DT
2R V


(3.10)
Chn t có giá tr n dung là
C 1000 F
và chn áp là 50V.
3.3.2. Tính toán điện trở
ESR
R
.
c t C, da vào datasheet ta có th c
ESR
R
.

Hình 3.5. Mi quan h gia

ESR
R
và
0
ESR
R

[6]
.
T  th trên datasheet có th c t s gia
ESR
R
và
0
ESR
R
khong 
vi
0
ESR
R
n tr i nhi 20
o
C  tn s 100Hz.
Tra bng datasheet ta có
0
ESR ESR
R 0,16 R 0,1    
.
3.3.3. Tính toán điện trở.

2
2
out
out
V
24
R 5.76( )
P 100
   
(3.11)
 bii DC-DC

15

3.3.4. Tính toán cuộn cảm

Hình 3.6. Dn qua cun cm
[1]
.
Trong khong thi gian
s
0 t DT
 dn trên cun cm là:
g
LL
V
di (t) v (t)
dt L L

(3.12)

Còn trong khong thi gian
ss
DT t T
 dn trên cun cm s là:
g
LL
VV
di (t) v (t)
dt L L


(3.13)
S n trong cun cm  n
s
0 t DT
là:
g
Ls
V
2. I DT
L

(3.14)
T c giá tr cun cm:
g
s
L
V
L DT
2I



(3.15)
Chn
LL
I 10%I
. Thay vào công thc (3.15):
g
s
L
V
20.0,167
L DT 41,8( H)
2. I 2.0,1.4.100000
   

(3.16)
3.3.5. Lựa chọn thiết bị đóng cắt.
- MOSFET: Nu coi mch hong thì:
in out
PP
(3.17)
T c tính:
out
in
in
P
100
I 5(A)
V 20

  
(3.18)
 bii DC-DC

16

y ta phi chn MOSFET chc dòng 5n áp trên 24V.
Xét các tiêu chí trên ta chn MOSFET IRF540N có th chc dòng t
110n áp t55 trong nh
DS(on)
R 8m
.
- Diode: tn s   c chn là 100kHz là l i vi diode bình
ng nên ta phi chn diode có th t vi tn s ln. Dòng ci qua diode
là 3.3A. Vy diode Schottky chc chn.

t toán ghép ni.

17

CHƢƠNG 4: THUẬT TOÁN GHÉP NỐI
            nh   
khi DC-DC

i DC-DC
Tn s cp nht MPPT t 40Hz-100Hz s m bo các yêu cu thit k.
Dòng sc acquy nh nht (Ibatmin) :C/100
Dòng sc ác quy ln nht (Ibatmax) :C/10
Dòng Itricker (Itricker) 0.2A
in áp nh nht ca acquy (Vbatmin) 25.4V

n áp ln nht ca acquy (Vbatmax) : 28.8V
t toán ghép ni.

18


 thut toán ghép ni
t toán ghép ni.

19


Nu dòng acquy hin ti l (Ibat>Ibatmax) ca acquy hin ti lúc
 gin sc acquy
N n áp ca acquy l  n áp max ca acquy(Vbat>Vbatmax và
Ibat<Ibatmax) trong trc acquy s giThut toán này
thc hi gim dòng sc acuy t C/10 xu y 100%. Nu
dòng s nh t dòng max ca acquy là
Itrickle.
N     ng acquy <80% ta cn sc công
sut max vi dòng C/10.
Nn áp ca acquy thn áp max ca acq i duty
(x lý MPPT). Nn áp ca acquy nh n áp min ca acquy thì ta s khi to li
dòng sc max ca acquy.
Khi công su ta ci tr  thc hin
thu  m công sut c i. Khi ki   công sut yêu cu c  sc
acquy ta h thng s ghép ni tr li vi ti ac tip tc quá trình sc.

ng.

20


CHƢƠNG 5: MÔ PHỎNG.
Thc hin mô phng vi phn mm Matlab 7.11 sc acquy vi các ch  sc kt hp dò
m công sut ci.


Hình 5 mô phng

ng.

21


Hình 5.2. Bám công xut ci

Hình 5.3 Dòng sc  ch   công sut
Nhn xét : Công suc công sut cn tht trên các phn t
ca mch.
ng.

22


Hình 5n áp sc  ch  2

Hình 5ng hp thiu công sut.

ng.

23

Hình 5.6 Dòng sc vi công sut thp



Hình 5.7. Boost converter