Đồ án Thiết kế, thi công bộ điều khiển giám sát dc link trong hệ thống điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT DC LINK TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI. GVHD: TS. Quách Thanh Hải SVTH: MSSV Lê Thành Luân 15141204 Lê Thanh Phước 15141253 Tp. Hồ Chí Minh - 07/2019 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH --------------------------------- ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ TRUYỀN THÔNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT DC LINK TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI. GVHD: TS. Quách Thanh Hải SVTH: MSSV Lê Thành Luân 15141204 Lê Thanh Phước 15141253 Tp. Hồ Chí Minh - 07/2019 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ii Tp. HCM, ngày 4 tháng 7 năm 2019 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Lê Thành Luân MSSV: 15141204 Lê Thanh Phước MSSV: 15141253 Chuyên ngành: Điện tử công nghiệp Mã ngành: 41 Hệ đào tạo: Đại học chính quy Mã hệ: 1 Khóa: 2015 Lớp: 15141DT2 I. TÊN ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT DC LINK TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Điện áp DC link phù hợp với việc triển khai nghịch lưu hòa lưới tại Việt Nam. - Chỉ thực hiện đến DC link. - Chi phí thấp hơn chi phí hiện nay. - Có khả năng giám sát và lưu trữ dữ liệu. 2. Nội dung thực hiện: - Khảo sát mạng lưới và thị trường điện ở Việt Nam. - Khảo sát về điện năng lượng mặt trời. - Khảo sát thiết kế bộ DC/DC phù hợp. - Thiết kế, thi công các khối trong bộ DC/DC. - Thiết kế, thi công chương trình hệ thống. - Thiết kế, thi công giao diện giám sát và điều khiển hệ thống. - Thi công mô hình. - Chạy thử nghiệm hệ thống, khảo sát đánh giá hệ thống. III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 18/02/2019 IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 05/07/2019. V. HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Quách Thanh Hải CÁN BỘ HƯỚNG DẪN BM. ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iii Tp. HCM, ngày 18 tháng 02 năm 2019 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên 1: LÊ THÀNH LUÂN Lớp: 15141DT2A MSSV: 15141204 Họ tên sinh viên 2: LÊ THANH PHƯỚC Lớp: 15141DT2B MSSV: 15141253 Tên đề tài: THIẾT KẾ, THI CÔNG BỘ ĐIỀU KHIỂN GIÁM SÁT DC LINK TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI. Tuần/ngày Nội dung Xác nhận GVHD 18/2 – 24/02 Tuần 3 Gặp GVHD để phổ biến quy định: thực hiện chọn đề tài, tên đề tài, thời gian làm việc, Duyệt đề tài. 25/02 – 03/03 Tuần 4 Viết đề cương và gặp GVHD để duyệt đề cương. Nộp đề cương cho bộ môn. 04/03 – 17/03 Tuần 5-6 Sinh viên tiến hành viết báo cáo nội chương 1. Gặp GVHD vào tuần 6 để xem xét và chỉnh sửa chương 1. 01/04 – 14/04 Tuần 7-8 Sinh viên tiến hành hiệu chỉnh báo cáo nội dung chương 1 nếu có. Sinh viên tiến hành viết báo cáo nội dung chương 2. Gặp GVHD vào tuần 8 để xem xét và chỉnh sửa chương 1 và chương 2. 15/04 – 28/04 Tuần 9-10 Sinh viên tiến hành hiệu chỉnh chương 2 nếu có. Sinh viên tiến hành viết báo cáo nội dung chương 3. Gặp giáo viên hướng dẫn vào tuần 10 để xem xét và chỉnh sửa chương 2 và chương 3. 29/04 – 12/05 Tuần 11-12 Sinh viên tiến hành hiệu chỉnh chương 3 nếu có. Sinh viên tiến hành viết báo cáo nội dung chương 4. Gặp GVHD vào tuần 12 để xem xét và chỉnh sửa chương 4. Xem mô phỏng và thiết kế các mạch đúng hay sai, góp ý kiến. 13/05 – 26/05 Tuần 13-14 Sinh viên tiến hành hiệu chỉnh chương 4 nếu có. Sinh viên tiến hành thi công mạch: mô phỏng, vẽ sơ đồ nguyên lý hoàn chỉnh, vẽ PCB. TRƯỜNG ĐH SPKT TP. HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC ----o0o---- BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH iv Sinh viên mua các linh kiện sử dụng cho mạch. Gặp GVHD vào tuần 14 để xem xét và chỉnh sửa. Xem sơ đồ nguyên lý và PCB để đánh giá đúng sai, góp ý hoàn thiện trước khi thi công. 27/05 – 09/06 Tuần 15-16 Sinh viên tiến hành thi công mạch: làm mạch in, hàn linh kiện, viết chương trình kiểm tra mạch và chương trình hệ thống. Gặp GVHD vào tuần 16 để xem kết quả thi công góp ý hoàn thiện trước khi thi công. 10/06 – 23/06 Tuần 17-18 Sinh viên tiến hành lấy kết quả thực nghiệm. Sinh viên tiến hành viết báo cáo nội dung chương 5. Gặp GVHD vào tuần 18 để xem xét và chỉnh sửa nội dung chương 5. 24/06 – 30/06 Tuần 19 Sinh viên tiến hành viết báo cáo nội dung chương 6. Gặp GVHD vào tuần 19 để xem xét và chỉnh sửa nội dung chương 6. 01/07 – 05/07 Tuần 20 Sinh viên tiến hành hiệu chỉnh chương 6 nếu có. Sinh viên tiến hành hoàn thiện báo cáo đầy đủ. Gặp GVHD vào tuần 20 để duyệt cuốn báo cáo. GV HƯỚNG DẪN (Ký và ghi rõ họ và tên) BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH v LỜI CAM ĐOAN Chúng tôi – Lê Thành Luân và Lê Thanh Phước cam đoan KLTN là công trình nghiên cứu của bản thân tôi (chúng tôi) dưới sự hướng dẫn của Tiến sĩ Quách Thanh Hải dựa vào một số tài liệu trước đó. Kết quả công bố trong KLTN là trung thực và không sao chép từ tài liệu hay công trình đã có trước đó. Người thực hiện đề tài Lê Thành Luân Lê Thanh Phước BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH vi LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên cho phép nhóm chúng em gửi đến thầy – Tiến sĩ Quách Thanh Hải lời chúc sức khỏe và lời cảm ơn chân thành nhất. Nhóm chúng em cảm ơn thầy vì thầy đã vạch ra hướng đi và tận tình hướng dẫn giúp đỡ chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Thầy đã trang bị cho chúng em rất nhiều kiến thức vô cùng quý báu để chúng em vững tin trên con đường phía trước của mình. Đồng thời nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Đỗ Đức Trí (phụ trách phòng D405 - Điện tử công suất nâng cao) đã tạo điều kiện cho chúng em có thêm thiết bị và môi trường để chúng em nghiên cứu và hoàn thành đồ án này. Trong quá trình thực hiện đồ án vì thời gian và thời lượng kiến thức có hạn nên việc thực hiện đồ án không thể tránh khỏi những hạn chế và thiếu sót, mong quý thầy/cô thông cảm. Trân trọng! Nhóm thực hiện đề tài BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH vii MỤC LỤC Trang bìa.i Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp ......................................................................................... ii Lịch trình thực hiện đồ án tốt nghiệp ........................................................................ iii Lời cam đoan ............................................................................................................... v Lời cảm ơn ................................................................................................................ vi Mục lục ..................................................................................................................... vii Liệt kê hình ............................................................................................................... ix Liệt kê bảng .............................................................................................................. xii Tóm tắt .................................................................................................................... xiii CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ..................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ......................................................................................................... 1 1.2 Mục tiêu .......................................................................................................... 18 1.3 Nội dung nghiên cứu ....................................................................................... 18 1.4 Giới hạn ........................................................................................................... 19 1.5 Bố cục ............................................................................................................. 19 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 20 2.1 Khảo sát thiết kế bộ dc/dc ............................................................................... 20 2.1.1 Pin năng lượng mặt trời ............................................................................ 20 2.1.2 Bộ dc/dc .................................................................................................... 24 2.1.3 Nghịch lưu hòa lưới từ pin năng lượng mặt trời ...................................... 40 2.2 Giới thiệu phần cứng ....................................................................................... 44 2.2.1 Cảm biến dòng điện và điện áp ................................................................ 44 2.2.2 Vi điều khiển ............................................................................................ 45 2.2.3 Mạch kích và cách ly ................................................................................ 48 2.2.4 Igbt ........................................................................................................... 51 2.2.5 Lcd ............................................................................................................ 53 2.2.6 Truyền dữ liệu chuẩn i2c ......................................................................... 54 CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ......................................................... 58 3.1 Giới thiệu ........................................................................................................... 58 3.2 Tính toán và thiết kế hệ thống ........................................................................... 58 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống .................................................................... 58 3.2.2 Tính toán và thiết kế mạch ....................................................................... 59 3.2.3 Sơ đồ nguyên lý của toàn mạch ............................................................... 67 CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG ................................................................ 68 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH viii 4.1 Thi công hệ thống .............................................................................................. 68 4.1.1 Thi công bo mạch ..................................................................................... 68 4.1.2 Lắp ráp và kiểm tra .................................................................................. 70 4.2 Đóng gói và thi công mô hình ......................................................................... 73 4.3 Lập trình hệ thống ........................................................................................... 75 4.3.1 Lưu đồ giải thuật ...................................................................................... 75 4.3.2 Phần mềm lập trình cho vi điều khiển ...................................................... 76 4.3.3 Phần mềm lập trình cho điện thoại ........................................................... 79 4.4 Lập trình mô phỏng ......................................................................................... 87 4.4.1 Lưu đồ ...................................................................................................... 87 4.4.2 Xử lý tín hiệu hay hình ảnh ...................................................................... 88 4.5 Viết tài liệu hướng dẫn sử dụng, thao tác .......................................................... 92 CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ_NHẬN XÉT_ĐÁNH GIÁ ......................................... 100 5.1 Kết quả tính toán ........................................................................................... 100 5.2 Cảm biến ....................................................................................................... 101 5.3 Kết quả thực nghiệm ..................................................................................... 102 5.3.1 Hiển thị trên lcd ...................................................................................... 102 5.3.2 Kết quả giám sát ..................................................................................... 103 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ................................... 107 6.1 Kết luận ......................................................................................................... 107 6.2 Hướng phát triển ........................................................................................... 108 TÀI LIỆU THAM KHẢO ......................................................................................... . PHỤ LỤC ............................................................................................................... xiv BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH ix LIỆT KÊ HÌNH Hình 1.1. Sơ đồ điện mặt trời hòa lưới có lưu điện cho hộ gia đình. ......................... 4 Hình 1.2. Diễn biến giá điện bán lẻ tại Việt Nam giai đoạn 2005 - 2017. ................. 7 Hình 1.3. Nhà máy điện tái tạo cỡ lớn tại Hami, Xinjiang Uighur, Trung Quốc. ...... 9 Hình 1.4. “Thành Phố Mặt Trời” ở Ota, Nhật Bản. ................................................... 9 Hình 1.5. Hệ thống pin quang điện tại Castelbuono, Italy. ...................................... 10 Hình 1.6. Hòa lưới điện không dùng acquy. ............................................................ 16 Hình 1.7. Hệ thống pin năng lượng mặt trời không hòa lưới dùng acquy. .............. 17 Hình 1.8. Mô hình hòa lưới hệ thống pin mặt trời của các xí nghiệp hiện nay. ....... 17 Hình 1.9. Mô hình hòa lưới hệ thống pin mặt trời dùng chung DC bus. ................. 18 Hình 2.1. Cấu tạo pin mặt trời..21 Hình 2.2. Các loại pin mặt trời.. ............................................................................... 22 Hình 2.3. Đặc tính pin mặt trời. ................................................................................ 23 Hình 2.4. Sơ đồ tương đương pin mặt trời. .............................................................. 23 Hình 2.5. Sơ đồ hệ thống pin mặt trời DC link. ....................................................... 25 Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost. ................................................................... 26 Hình 2.7. Dạng sóng điện áp điều khiển và điện áp sóng mang. ............................. 27 Hình 2.8. Sơ đồ nguyên lý mạch boost khi khóa S đóng. ........................................ 27 Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý mạch boost khi khóa S ngắt. ......................................... 28 Hình 2.10. Dạng sóng ngõ ra của bộ tăng áp kiểu boost. ......................................... 28 Hình 2.11. Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp kiểu CUK. ............................................. 29 Hình 2.12. Dạng sóng điện áp điều khiển và điện áp sóng mang. ........................... 30 Hình 2.13. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp kiểu CUK khi S đóng. ............................... 31 Hình 2.14. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp kiểu CUK khi S ngắt. ................................ 32 Hình 2.15. Dạng sóng ngõ ra của bộ tăng áp kiểu CUK. ......................................... 33 Hình 2.16. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp nguồn Z dựa khóa. ..................................... 34 Hình 2.17. Dạng sóng điện áp điều khiển và điện áp sóng mang. ........................... 35 Hình 2.18. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp nguồn Z dựa khóa khi 𝑆1, 𝑆2 hở. .............. 36 Hình 2.19. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp nguồn Z dựa khóa khi khóa 𝑆1 đóng. ........ 36 Hình 2.20. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp nguồn Z dựa khóa khi 𝑆1 hở, 𝑆2 đóng. ..... 37 Hình 2.21. Dạng sóng ngõ ra của bộ tăng áp kiểu nguồn Z dựa khóa. .................... 37 Hình 2.22. Sơ đồ hòa lưới đồng bộ hệ thống pin mặt trời. ....................................... 40 Hình 2.23. Sơ đồ nguyên lý bộ biến tần 3 pha. ........................................................ 41 Hình 2.24. Dạng sóng ngõ ra của op-amp điều khiển khóa 𝑆𝐴. ............................... 42 Hình 2.25. Dạng sóng điện áp tại 𝑉𝐴𝐺 theo sóng sin. ............................................. 42 Hình 2.26. Cảm biến dòng INA219. ........................................................................ 44 Hình 2.27. Sơ đồ chân của cảm biến INA219. ......................................................... 45 Hình 2.28. Kit NodeMCU ESP8266 ........................................................................ 46 Hình 2.29. Sơ đồ chân Kit NodeMCU ESP8266. .................................................... 47 Hình 2.30. Hình ảnh opto TLP250. .......................................................................... 49 Hình 2.31. Sơ đồ tương đương của opto TLP250. ................................................... 49 Hình 2.32. Hình ảnh Mornsun QA01. ...................................................................... 50 Hình 2.33. Sơ đồ chân mornsun QA01. ................................................................... 51 Hình 2.34. Ký hiệu IGBT. ........................................................................................ 51 Hình 2.35. Sơ đồ mạch tương đương của IGBT. ..................................................... 52 Hình 2.36. LCD 20x4. .............................................................................................. 53 BỘ MÔN ĐIỆN TỬ CÔNG NGHIỆP – Y SINH x Hình 2.37. Hệ thống các thiết bị giao tiếp theo chuẩn I2C. ..................................... 54 Hình 2.38. Quá trình thiết bị chủ ghi dữ liệu vào thiết bị tớ. ................................... 56 Hình 2.39. Quá trình thiết bị chủ đọc dữ liệu từ thiết bị tớ. ..................................... 57 Hình 3.1. Sơ đồ khối của hệ thống...58 Hình 3.2. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến dòng INA219 ngõ vào. ............................ 60 Hình 3.3. Sơ đồ nguyên lý của cảm biến dòng INA219 ngõ ra. .............................. 60 Hình 3.4. Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển ESP8266. ............................................. 62 Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý mạch kích và cách ly. .................................................... 63 Hình 3.6. Sơ đồ nguyên lý của khối tăng áp nguồn Z. ............................................. 65 Hình 3.7. Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị dùng LCD. ............................................... 66 Hình 3.10. Sơ đồ nguyên lý toàn hệ thống. .............................................................. 67 Hình 4.1. Sơ đồ mạch in của mạch điều khiển. ........................................................ 68 Hình 4.2. Sơ đồ mạch in của mạch kích. .................................................................. 69 Hình 4.3. Sơ đồ mạch in của mạch nguồn Z. ........................................................... 70 Hình 4.4. Module nguồn xung. ................................................................................. 71 Hình 4.5. Khối điều khiển sau khi lắp ráp. .............................................................. 71 Hình 4.6. Khối điều khiển sau khi lắp chân LCD lên. ............................................. 72 Hình 4.7. Mạch kích sau khi lắp ráp. ........................................................................ 72 Hình 4.8. Bộ tăng áp nguồn Z sau khi lắp ráp. ......................................................... 73 Hình 4.9. Mặt trước của mô hình. ............................................................................ 74 Hình 4.10. Mặt sau của mô hình. ............................................................................. 74 Hình 4.11. Lưu đồ hệ thống. ..................................................................................... 75 Hình 4.12. Giao diện phần mềm Arduino IDE. ........