TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Tổng quan
Nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt, với gần 90% lượng hóa thạch (than đá, dầu mỏ, khí tự nhiên) được tiêu thụ hàng năm, gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng đến Trái Đất Năng lượng hạt nhân cũng gặp khó khăn do cạn kiệt và lo ngại về an toàn sau các sự cố phóng xạ Năng lượng thủy điện bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu, làm hạn chế khả năng cung cấp nước cho các công trình Do đó, các nhà khoa học đang hướng tới nguồn năng lượng tự nhiên như năng lượng gió và năng lượng mặt trời, trong đó năng lượng mặt trời được xem là lựa chọn hàng đầu.
Nguồn năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô tận, ổn định và thân thiện với môi trường, có sẵn quanh năm tại Việt Nam Hệ thống pin quang điện đã được công nhận và sử dụng rộng rãi, tạo ra dòng điện trực tiếp mà không gây ô nhiễm Pin năng lượng mặt trời là thiết bị bán dẫn không có bộ phận chuyển động, giúp giảm chi phí hoạt động và bảo trì Đặc tính đầu ra của mô đun quang điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời, nhiệt độ và điện áp ra của tế bào quang điện Các mô hình toán học về pin mặt trời đã được nghiên cứu và phát triển để mô phỏng các đặc tính đầu ra, chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố như bức xạ mặt trời và nhiệt độ hoạt động.
Giới thiệu về pin mặt trời
Pin năng mặt trời, hay còn gọi là pin quang điện, bao gồm nhiều tế bào quang điện - các phần tử bán dẫn chứa nhiều cảm biến ánh sáng, thực hiện chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Cường độ dòng điện, hiệu điện thế và điện trở của pin mặt trời thay đổi tùy thuộc vào lượng ánh sáng chiếu lên chúng.
Tế bào quang điện được ghép lại thành khối để trở thành pin mặt trời (thông thường 60 hoặc
72 tế bào quang điện trên một tấm pin mặt trời) Tế bào quang điện có khả năng hoạt động
1.2.2 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động pin mặt trời
Hình 1.1 Cấu tạo, nguyên lý hoạt động của pin mặt trời a Cấu tạo
Gồm ba thành phần chính :
Mặt ghép bán dẫn p – n được chế tạo từ tinh thể Silic, là thành phần chính của pin Lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p – n, giúp tối ưu hóa hiệu suất của thiết bị.
Điện cực là thành phần quan trọng trong việc dẫn điện đến phụ tải, yêu cầu vật liệu làm điện cực phải có độ dẫn điện tốt và khả năng bám dính cao vào chất bán dẫn.
Lớp chống phản quang là cần thiết để giảm thiểu sự phản xạ ánh sáng, từ đó nâng cao hiệu suất của pin Việc phủ lớp này giúp tối ưu hóa khả năng hấp thụ ánh sáng, đảm bảo pin hoạt động hiệu quả hơn.
Tế bào quang điện bao gồm hai lớp silicon khác nhau: lớp silicon loại N với mật độ electron lớn hơn mật độ lỗ trống, và lớp silicon loại P với mật độ lỗ trống lớn hơn electron tự do Khi hai loại bán dẫn này tiếp xúc, electron từ lớp N di chuyển sang lớp P để lấp đầy các lỗ trống, trong khi lỗ trống từ lớp P cũng di chuyển sang lớp N Quá trình này tạo ra vùng chuyển tiếp P-N, nơi không có electron tự do và lỗ trống, dẫn đến việc ranh giới phía N tích điện dương và phía P tích điện âm Trong trạng thái bình thường, electron bị giữ chặt bởi lỗ trống trong vùng chuyển tiếp P-N Khi ánh sáng chiếu vào tế bào quang điện, các hạt photon truyền năng lượng cho electron, có thể đánh bật chúng ra khỏi liên kết Nếu năng lượng đủ mạnh, điện trường trong vùng chuyển tiếp P-N sẽ đẩy electron và lỗ trống ra khỏi vùng này, tạo ra dòng điện liên tục khi được kết nối với tải.
Mỗi tế bào quang điện sản sinh ra điện áp 0,5V, do đó cần được kết nối thành các mô-đun để tăng cường sức mạnh, đủ để cung cấp năng lượng cho các thiết bị điện.
Cho tới nay thì vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời là các silic tinh thể và được chia thành 3 loại chính:
Một tinh thể module sản xuất từ quá trình Czochralski có hiệu suất lên tới 16% Tuy nhiên, giá thành của các đơn tinh thể này thường rất cao do chúng được cắt từ các thỏi hình ống, và các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
Đa tinh thể được sản xuất từ các thỏi silic nung chảy, được làm nguội và làm rắn cẩn thận Mặc dù pin đa tinh thể thường có giá thành rẻ hơn so với pin đơn tinh thể, nhưng hiệu suất của chúng lại kém hơn Tuy nhiên, ưu điểm của pin đa tinh thể là khả năng tạo thành các tấm vuông lớn, giúp che phủ bề mặt hiệu quả hơn, bù đắp cho hiệu suất thấp của chúng.
Dải silic được tạo ra từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Mặc dù loại này thường có hiệu suất thấp nhất, nhưng nó lại là lựa chọn rẻ nhất vì không cần cắt từ thỏi silicon Các công nghệ sản xuất này tạo ra các tấm có độ dày 300 μm, được sắp xếp lại để hình thành các module.
1.2.3 Hiệu suất của pin mặt trời
Hiệu suất pin mặt trời là tỷ lệ giữa năng lượng điện sản xuất và năng lượng ánh sáng mặt trời nhận được Nó được xác định thông qua việc đo lường lượng ánh sáng mặt trời mà hệ thống pin năng lượng mặt trời có khả năng chuyển đổi thành điện năng thực tế Kết quả này luôn được biểu thị dưới dạng phần trăm, phản ánh hiệu quả hoạt động của tấm pin năng lượng mặt trời.
Hiệu suất pin mặt trời chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm vật liệu cấu tạo pin, vị trí và hướng lắp đặt, cũng như điều kiện khí hậu.
Hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời dành cho thương mại hiệnnay chỉ đang hoạt động với hiệu suất từ 15% tới 23%
Mặc dù vẫn còn nhiều thách thức, năng lượng mặt trời có khả năng cung cấp năng lượng cho toàn cầu nhờ vào sự phát triển của các công nghệ hiện đại.
1.2.4 Ưu nhược điểm của hệ thống pin mặt trời Ưu điểm:
- Lắp đặt, vận hành đơn giản, dễ dàng Gần như không cần phải bảo trì,bảo dưỡng
- Không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường (không khí thải,không tiếng ồn, không chuyển động …)
- Ứng dụng được mọi nơi, đặc biệt là vùng sâu, vùng xa, hải đảo…những nơi mà lưới điện quốc gia chưa vươn tới
- Hoạt động tin cậy, lâu dài (trừ ắc quy phải thay định kỳ)
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
- Phải chăm sóc và thay ắc quy
- Hệ thống không thể hoạt động liên tục được, nó chỉ hoạt động khi có ánh sáng mặt trời chiếu vào những tấm pin
1.2.5 Ứng dụng của pin mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Dưới đây là bốn ứng dụng cơ bản của hệ thống này: a Tích hợp vào thiết bị.
Từ đồng hồ đeo tay nhỏ bé đến điện thoại trong túi quần, và từ xe điện mặt trời đến robot trên sao Hỏa, việc tích hợp pin năng lượng mặt trời đã tạo ra sự khác biệt cho các thiết bị Điều này không chỉ mang lại tính thẩm mỹ mà còn đảm bảo tính tiện dụng và thân thiện với môi trường.
Pin mặt trời được tích hợp vào nhiều thiết bị như máy tính bỏ túi, laptop, đồng hồ đeo tay, xe cộ, máy bay, robot tự hành, điện thoại di động, và các loại đèn trang trí, đèn sân vườn, đèn tín hiệu, đèn đường, cũng như vệ tinh nhân tạo, mang lại nguồn điện di động tiện lợi.
Các phương pháp phổ biến dò tìm công suất cực đại [18]
Thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT) là yếu tố quan trọng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, được tích hợp trong bộ biến đổi DC-DC để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng.
Các thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cho bộ biến đổi DC-DC sử dụng nhiều tham số như dòng điện và điện áp của pin mặt trời (PV), cũng như dòng ra và điện áp ra của bộ DC-DC Những thuật toán này được phát triển dựa trên các tiêu chí như hiệu quả định điểm công suất tối đa, số lượng cảm biến cần thiết, độ phức tạp của hệ thống và tốc độ biến đổi.
Có nhiều thuật toán tìm điểm công suất cực đại đã được nghiên cứu và ứng dụng trên nhiều hệ thống Dưới đây là một số phương pháp phổ biến.
1.3.1 Phương pháp điện áp hằng số
Phương pháp này dựa vào mối quan hệ gần đúng giữa điện áp tại điểm công suất tối đa (VMPP) và điện áp hở mạch (VOC), cả hai đều thay đổi theo nhiệt độ và bức xạ.
Hằng số k, phụ thuộc vào đặc tuyến của PV, được xác định thông qua việc đo VMPP và VOC ở các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng giá trị của k nằm trong khoảng từ 0.71 đến 0.85.
Với hằng số k đã biết, điện áp V MPP có thể xác định thông qua việc đo V OC, tuy nhiên, để thực hiện điều này, pin mặt trời cần được ngắt tải tạm thời, dẫn đến tổn hao công suất Sau khi kết nối lại, điện áp pin điều chỉnh lên 76% của V OC, tỷ lệ này phụ thuộc vào loại pin mặt trời sử dụng Phương pháp này đơn giản và chi phí thấp, nhưng hiệu quả tìm điểm công suất cực đại chỉ đạt từ 73% đến 91% Sự thay đổi của bức xạ mặt trời có thể gây ra sai số lớn do việc xác định V MPP không liên tục, và đây chỉ là phương pháp gần đúng với độ chính xác không cao Để cải thiện tình trạng này, nhiều giải pháp đã được đề xuất, chẳng hạn như sử dụng PV mẫu để đo.
Việc lựa chọn và lắp đặt PV mẫu cần được thực hiện cẩn thận để đảm bảo chúng có cùng điều kiện môi trường với modun PV Tuy nhiên, việc sử dụng thêm PV mẫu có thể dẫn đến việc tăng chi phí cho hệ thống.
1.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC
Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫ gia tăng của dãy pin mặt trời đểdò tìm điểm công suất cực đại Phương pháp được minh họa trên hình 1.19
Hình 1 17 Phương pháp điện dẫn gia tăng
Phương pháp này dựa trên đặc điểm rằng độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP Độ dốc này dương khi nằm bên trái MPP và âm khi ở bên phải MPP.
Nên ta có thể viết:
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn giatăng (ΔI/ΔV), thuật toán này xác định điểm công suất cực đại (MPP) Tại điểm MPP, điện áp Vref bằng VMPP Khi điểm MPP được xác định, hoạt động của pin được duy trì ở điểm này, trừ khi có sự thay đổi về dòng điện ΔI, phản ánh sự biến đổi của thời tiết và điểm MPP Tuy nhiên, nếu điện dẫn gia tăng quá mức, hệ thống có thể hoạt động không chính xác tại điểm MPP và dẫn đến dao động.
Phương pháp này có nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp, do sử dụng hai cảm biến để đo giá trị dòng điện và điện áp, dẫn đến chi phí lắp đặt cao.
1.3.3 Chọn giải thuật dò tìm công suất cực đại
Nghiên cứu các giải thuật tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời hiện nay cho thấy giải thuật điện áp hằng số và INC đang được áp dụng rộng rãi Tuy nhiên, các phương pháp này gặp phải một số khuyết điểm như độ phức tạp và chi phí cao (phương pháp INC) hoặc độ chính xác không cao (phương pháp điện áp hằng số) Một giải pháp khả thi để khắc phục những nhược điểm này là phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O), nổi bật với tính đơn giản và hiệu quả trong việc tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, đồng thời có chi phí thấp và dễ áp dụng.
Phương pháp này sẽ được tìm hiểu ở chương sau.
THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰCĐẠI
Giới thiệu chung
Pin mặt trời ngày càng quan trọng như một nguồn năng lượng tái tạo, nhờ vào những ưu điểm như không phát sinh nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, ít cần bảo trì và không phát ra tiếng ồn Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi của các module pin có thể thấp khi làm việc với tổng trở tải không thích hợp.
Do đó, việc dò tìm công suất cực đại (MPPT) là điều cần thiết trong một hệthống pin mặt trời
Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) là phương pháp tối ưu hóa công suất của hệ thống pin mặt trời bằng cách điều chỉnh khóa điện tử của bộ biến đổi DC-DC Phương pháp này rất phổ biến trong các hệ thống pin mặt trời độc lập và ngày càng được áp dụng trong các hệ thống quang điện kết nối lưới.
MPPT là thiết bị điện tử công suất, có chức năng kết nối nguồn điện từ pin mặt trời với tải, nhằm tối ưu hóa công suất đầu ra Thiết bị này giúp khuếch đại nguồn năng lượng từ hệ thống pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của toàn bộ hệ thống.
MPPT được ghép với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển
Bộ điều khiển MPPT số ngày càng được ưa chuộng hơn bộ điều khiển tương tự nhờ vào nhiều ưu điểm vượt trội Đầu tiên, việc thực hiện bộ điều khiển số dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự Thêm vào đó, bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian, hoạt động rời rạc và bên ngoài các thành phần tuyến tính, giúp duy trì trạng thái ổn định lâu hơn Hơn nữa, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác, vì thuật toán được thực hiện qua phần mềm, cho phép giữ các thông số ổn định hoặc thay đổi linh hoạt Loại bộ điều khiển này cũng giúp giảm số lượng thành phần, chỉ cần một chip đơn để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển số còn được trang bị bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, cho phép điều khiển nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển duy nhất.
Khi một tấm pin mặt trời (PMT) được kết nối trực tiếp với tải, điểm làm việc của tấm PMT sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính I-V của PMT và đường đặc tính I-V của tải Nếu tải là thuần trở, đường đặc tính sẽ là một đường thẳng với hệ số góc là 1/R Điểm làm việc hiếm khi đạt công suất lớn nhất, như trong trường hợp tải trở Rtải2, công suất vận hành của PV chỉ đạt cực đại Khi điện trở không thay đổi, điểm làm việc sẽ thay đổi theo điều kiện môi trường, dẫn đến việc không sinh ra công suất lớn nhất Để đảm bảo hệ thống hoạt động ở điểm công suất cực đại (MPP) hoặc gần điểm MPP, người ta sử dụng mạch MPPT để theo dõi điểm này.
Nguyên lý dung hợp tải
Khi PMT được mắc trực tiếp với một tải thì điểm làm việc sẽ do đặctính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau :
Tải tại điểm có công suất cực đại của pin mặt trời được xác định như sau :
Vmpp và Impp là điện áp và dòng điện lớn nhất của pin mặt trời, trong khi VO và IO đại diện cho điện áp và dòng điện ra của tải.
Khi tải đạt giá trị lớn nhất tương ứng với Rmpp, công suất truyền từ PV đến tải sẽ đạt mức tối đa Tuy nhiên, điều này thường không xảy ra trong thực tế Mục tiêu của MPPT là điều chỉnh trở kháng của tải để phù hợp với trở kháng tối ưu của PV.
Bộ biến đổi Boost là giải pháp lý tưởng khi cần điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào, với ưu điểm là dòng điện vào liên tục và dễ dàng điều khiển Do đó, nó thường được sử dụng trong bộ công suất của bộ điều khiển MPPT Hệ thống MPPT sử dụng mạch Boost được minh họa trong hình 2.4, cho thấy pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC-DC.
Bộ biến đổi Boost có thể được mô tả bới các hệ thức toán học như sau:
Từ (2.3)(2.4)(2.5) ta thu được trở kháng đầu vào tối ưu:
Rei(D,R) phụ thuộc vào chu kỳ nhiệm vụ D và giá trị tải R, cho phép thay đổi Rei bằng cách điều chỉnh D hoặc R, hoặc cả hai Thông thường, tải R được giữ cố định, do đó, việc thay đổi giá trị của D là phổ biến Để thay đổi vị trí điểm làm việc, cần điều chỉnh góc nghiên θRei(D,R) của đường đặc tính tải thông qua chu kỳ nhiệm vụ D Việc điều chỉnh hợp lý chu kỳ nhiệm vụ D sẽ giúp xác lập giao điểm giữa hai đường đặc tính tại điểm MPP.
Góc nghiêng của đặc tính tải được xác định theo công thức :
Chu kỳ nhiệm vụ D chỉ có thể thay đổi từ 0 tới 1 nên dải giá trị của gócnghiêng của tải là :
Từ công thức (2.8) được minh họa và giải thích bằng hình 2.7 nó xácđịnh rõ hai khoảng riêng biệt :
Nếu điểm MPP nằm trong khoảng theo dõi, sẽ có một giá trị chu kỳ nhiệm vụ D xác lập điểm làm việc tại MPP, từ đó công suất ra của pin năng lượng đạt mức tối đa.
Khoảng không theo dõi là vùng mà nếu điểm MPP nằm trong đó, giá trị chu kỳ nhiệm vụ D không thể được xác định, dẫn đến công suất đầu ra của pin mặt trời không đạt tối đa Khi điểm MPP nằm trong khoảng không theo dõi, điểm làm việc sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính pin và giới hạn dưới của đường cong tải Hình 2.8 minh họa đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ, trong khi hình 2.7 thể hiện khoảng làm việc của bộ biến đổi tăng áp.
Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
Điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) trên đường đặc tính I-V luôn thay đổi theo điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ Hình 2.8 minh họa đường đặc tính I-V tại các mức cường độ bức xạ khác nhau ở nhiệt độ 25 °C, trong khi hình 2.9 thể hiện các đường đặc tính I-V tại cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần.
Từ hai hình vẽ, có thể thấy sự dịch chuyển điện áp tại điểm MPP Do đó, cần sử dụng thuật toán để xác định điểm MPP, và thuật toán này là phần quan trọng trong bộ điều khiển MPPT.
Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and observe)
Thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O là một phương pháp đơn giản và phổ biến, nhờ vào tính dễ hiểu và dễ thực hiện Phương pháp này phân tích sự thay đổi điện áp theo chu kỳ để xác định điểm làm việc tối ưu với công suất lớn nhất.
Khi sự biến thiên của điện áp dẫn đến việc tăng công suất, các biến thiên tiếp theo sẽ tiếp tục theo chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm, các biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại.
Khi xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất trên đường cong đặc tính, điện áp sẽ dao động xung quanh điểm MPP (Maximum Power Point) đó.
Sự dao động điện áp trong hệ quang điện gây tổn hao công suất, đặc biệt khi thời tiết thay đổi chậm Để khắc phục, có thể điều chỉnh thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một giải pháp khác là giảm bước tính biến thiên, nhưng điều này làm cho thuật toán chậm chạp hơn khi thời tiết thay đổi, dẫn đến hao hụt công suất lớn hơn Nhược điểm chính của thuật toán là không xác định chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất trong điều kiện thời tiết biến động Mặc dù có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện, thuật toán này gây hao hụt năng lượng khi điểm làm việc dao động quanh điểm MPP và không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
Phương pháp điều khiển MPPT
Thuật toán MPPT hướng dẫn bộ điều khiển MPPT điều chỉnh điện áp làm việc của hệ thống pin mặt trời Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển MPPT là duy trì ổn định mức điện áp làm việc bằng cách tăng giảm điện áp Hiện nay, có ba phương pháp phổ biến để điều khiển MPPT.
2.5.1 Phương pháp điều khiển PI hình 2 11 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
MPPT sẽ đo giá trị điện áp PV và dòng PV, sau đó dựa vào thuật toán
Thuật toán MPPT P&O được sử dụng để xác định giá trị điện áp quy chiếu Vref, nhằm điều chỉnh điện áp làm việc của hệ thống PV lên mức Vref Nhiệm vụ chính của thuật toán này là định giá trị Vref, và quá trình tính toán sẽ được thực hiện lặp lại theo chu kỳ, thường từ 1 đến 10 lần mỗi giây.
Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân PI điều chỉnh điện áp vào bộ biến đổi DC/DC bằng cách bù sai lệch giữa Vref và điện áp đo được thông qua việc điều chỉnh hệ số đóng cắt D Với tốc độ làm việc nhanh, bộ PI đảm bảo đáp ứng nhanh và ổn định Mặc dù cấu tạo từ các thành phần tương tự Analog, bộ điều khiển PI hoạt động dựa trên nguyên tắc xử lý tín hiệu số DSP, cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, bao gồm xác định điểm làm việc có công suất tối ưu, từ đó giảm thiểu số lượng thành phần trong hệ thống.
Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tớiđiểm MPP
Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP>0 và ΔV 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu V ref.
Nếu ΔP.ΔV < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu V ref.
Sau đó cập nhật giá trị V, P trước đó và tiến hành đo V, I cho chu kỳlàm việc tiếp theo
Sự dao động điện áp trong hệ quang điện gây ra tổn hao công suất, đặc biệt khi thời tiết thay đổi chậm Để khắc phục, có thể điều chỉnh logic trong thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một phương pháp khác là giảm bước tính biến thiên, nhưng điều này có thể làm cho thuật toán chậm chạp hơn trong việc theo dõi điểm MPP khi thời tiết thay đổi, dẫn đến tổn hao công suất lớn hơn.
Nhược điểm chính của phương pháp này là không xác định chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Phương pháp này có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện, nhưng trong trạng thái ổn định, điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, dẫn đến hao hụt một phần năng lượng Do đó, phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
2.5.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp
Phương pháp điều khiển MPPT này sử dụng một mạch vòng điều khiển đơn giản để điều chỉnh hệ số làm việc Việc điều chỉnh này dựa trên nguyên lý dung hợp tải, như đã trình bày ở mục 2.2 Hình 2.14 minh họa sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT.
Tổng trở của PV được coi là tổng trở vào bộ biến đổi Nhắc lại công thức (2.6):
Trong đó: D là hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost
Việc tăng hệ số nhiệm vụ D sẽ dẫn đến giảm tổng trở Rei, làm cho điện áp làm việc PV dịch sang bên trái và giảm Ngược lại, khi giảm D, tổng trở Rei sẽ tăng, khiến điện áp làm việc dịch sang bên phải và tăng lên Thuật toán MPPT P&O sẽ xác định cách thức dịch chuyển điện áp Hình 2.16 minh họa lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D, trong khi hình 2.15 thể hiện mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D.
Dựa trên phân tích đã nêu, có thể dễ dàng rút ra lưu đồ thuật toán như được thể hiện trong hình, và phần thuyết minh cho lưu đồ thuật toán cũng tương tự như lưu đồ đã trình bày.
Thời gian đáp ứng của các tầng công suất và nguồn PV thường chậm, dao động từ 10 đến 50 mili giây tùy thuộc vào loại tải Để tối ưu hóa hiệu suất, thuật toán MPPT cần điều chỉnh hệ số làm việc D, và việc lấy mẫu điện áp cùng dòng PV tiếp theo nên được thực hiện sau khi hệ thống đạt trạng thái ổn định, nhằm tránh việc đo giá trị trong trạng thái chuyển tiếp.
Phương pháp này có tỷ lệ lấy mẫu từ 1 đến 100 lần mỗi giây, trong khi bộ điều khiển PI thường có tỷ lệ lấy mẫu nhanh hơn Do đó, phương pháp điều khiển trực tiếp này mang lại độ bền vững cao trước những thay đổi đột ngột của tải.
Mặc dù hệ thống có khả năng hoạt động ổn định với các thiết bị như ắc quy và bơm nước, nhưng đáp ứng của nó lại chậm hơn Do tỷ lệ lấy mẫu chậm, việc sử dụng bộ vi điều khiển giá thành thấp là khả thi.
2.5.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra hình 2 17 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển trực tiếp tín hiệu ra
Phương pháp cải tiến này dựa trên phương pháp điều khiển trực tiếp, chỉ cần hai cảm biến để đo điện áp và dòng điện ra khỏi bộ biến đổi Phương pháp điều khiển bằng PI kết hợp với điều khiển trực tiếp cho phép kiểm soát chính xác điểm làm việc của pin mặt trời Tuy nhiên, cần có thêm các cảm biến để đo tín hiệu ra nhằm tránh tình trạng quá điện áp hoặc quá dòng điện của tải.
Hai phương pháp trên yêu cầu 4 cảm biến để hoạt động hiệu quả, dẫn đến chi phí lắp đặt cao Phương pháp điều khiển đo trực tiếp xác định sự thay đổi công suất của PV, sử dụng thuật toán P&O để tìm điểm MPP Để coi D là biến điều khiển, thuật toán P&O cần được cải tiến một chút, nhưng vẫn giữ nguyên bản chất Thuật toán P&O mới điều chỉnh D và đo công suất đầu ra của bộ biến đổi.
Khi công suất ra của bộ biến đổi DC/DC tăng, hệ số làm việc D cũng tăng theo, và ngược lại, nếu công suất ra giảm, D sẽ giảm Khi công suất ra đạt giá trị cực đại, PV đang hoạt động ở điểm MPP.
Phương pháp này dễ dàng thực hiện mô phỏng với bộ biến đổi lý tưởng, nhưng trong thực tế, với bộ biến đổi không lý tưởng, không thể đảm bảo rằng giá trị cực đại của công suất ra tương ứng với điểm MPP Một nhược điểm khác là phương pháp này chỉ áp dụng được với tham số của thuật toán P&O.
Giới hạn của MPPT
Giới hạn của MPPT là không thể điều chỉnh đồng thời tín hiệu vào và tín hiệu ra khi xác định điểm công suất tối đa Do đó, để duy trì điện áp ra ổn định, hệ thống cần sử dụng ắc quy.
Một nhược điểm của MPPT là việc xác định điểm làm việc tối ưu sẽ dừng lại nếu tải không tiêu thụ hết công suất sinh ra Đối với hệ PV độc lập với tải bị giới hạn, MPPT có thể dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi MPP, gây tổn hao công suất Do đó, việc xác định chính xác dung lượng tải là rất quan trọng để tận dụng hết công suất của pin mặt trời Ngược lại, hệ PV kết nối lưới luôn xác định điểm làm việc tối ưu, cho phép bơm thừa công suất vào lưới điện để tăng lợi nhuận.
Mặc dù hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống MPPT không bao giờ đạt 100%, nhưng việc áp dụng MPPT mang lại sự gia tăng hiệu suất đáng kể Tuy nhiên, cần lưu ý đến tổn hao công suất do bộ biến đổi DC/DC gây ra và cân nhắc giữa hiệu suất và chi phí Phân tích tính kinh tế của hệ thống pin mặt trời so với các nguồn cung cấp điện khác, cũng như tìm kiếm các giải pháp nâng cao hiệu suất như sử dụng máy theo dõi mặt trời, là những yếu tố quan trọng cần được xem xét.
Cả ba phương pháp điều khiển thuật toán đều có sự tương đồng, nhưng để lựa chọn phương pháp đơn giản và tối ưu nhất cho nhu cầu thực tế, phương pháp thứ hai, điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D, là sự lựa chọn phù hợp.
Điều chế độ rộng xung (PWM)
Để mã hóa tín hiệu điều khiển nhị phân cho bộ DC-DC từ bộ bám điểm công suất cực đại, việc sử dụng một bộ PWM là cần thiết.
PWM là kỹ thuật điều chế dùng để mã hóa thông điệp thành tín hiệu xung Kỹ thuật này sử dụng sóng hình chữ nhật với độ rộng được điều chế, dẫn đến sự biến thiên của giá trị trung bình của dạng sóng Đối với sóng xung f(t) có chu kỳ T, giá trị thấp là ymin, giá trị cao là ymax và chu kỳ làm việc D, giá trị trung bình của dạng sóng được tính theo công thức: \(\bar{y} = \frac{1}{I} \int_{0}^{I} f(t) dt\).
Vì f(t) là một sóng xung, giá trị của nó là ymax trong khoảng 0 < t < D.Tvà ymin trong khoảng D.T < t < T biểu thức trên trở thành: Ӯ= 1 ( 𝐼𝐼 𝐼 𝐼𝐼 + 𝐼 𝐼 𝐼𝐼)
= 𝐼 𝐼 𝐼𝐼𝐼 (1 − 𝐼)𝐼 𝐼𝐼𝐼 hình 2 19 Nguyên lý điều chế độ rộng xung hình 2 20 Phương pháp tạo xung PWM
Phương pháp giap thoa là cách đơn giản nhất để tạo tín hiệu PWM, chỉ cần sử dụng sóng hình răng cưa hoặc sóng tam giác cùng với một mạch so sánh Khi giá trị tín hiệu tham chiếu (sóng hình sin màu đỏ) lớn hơn sóng điều biến (màu xanh), tín hiệu PWM (màu hồng) sẽ ở trạng thái cao; ngược lại, nó sẽ ở trạng thái thấp.
BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC
Bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi DC-DC là thiết bị điều khiển dòng điện và điện áp một chiều, thường được sử dụng trong các nguồn điện một chiều Chức năng chính của nó là chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn một chiều có thể điều chỉnh được.
Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC-DC hoạt động kết hợp với thuật toán MPPT để tối ưu hóa hiệu suất Thuật toán MPPT điều chỉnh điện áp đầu vào từ pin mặt trời thông qua bộ biến đổi DC-DC, nhằm cung cấp điện áp tối đa cho tải Bộ biến đổi DC-DC thường bao gồm các thành phần chính như khóa điện tử, cuộn cảm để lưu trữ năng lượng, diode dẫn dòng và tụ điện để lọc nguồn.
Có ba loại bộ biến đổi DC-DC phổ biến: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck Tất cả các loại này đều hoạt động dựa trên nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo chu kỳ đã được tính toán để phục vụ mục đích sử dụng.
Các loại bộ biến đổi DC-DC thường dùng trong hệ PV gồm: bộ giảm áp(buck) bộ tăng áp (boost)
Bộ giảm áp Buck có khả năng xác định điểm làm việc với công suất tối ưu khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi Tuy nhiên, trường hợp này ít xảy ra khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm thấp.
Bộ tăng áp boost có khả năng xác định điểm làm việc tối ưu ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu Hệ thống này sử dụng bộ Boost để nâng cao điện áp cung cấp cho tải trước khi chuyển đổi sang bộ biến đổi DC-AC.
- Bộ Buck – boost vừa có thể tăng vừa có thể giảm áp
Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter) là một trong ba loại bộ biến đổi DC-DC, nổi bật với khả năng sử dụng cuộn kháng hỗ cảm và đạt hiệu suất cao từ 90% đến 95% Thiết bị này rất phù hợp cho các hệ thống pin năng lượng mặt trời.
Bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter)
Bộ biến đổi Boost là một loại bộ biến đổi DC-DC phổ biến, thường được sử dụng trong các ứng dụng cần điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào Mô hình của bộ biến đổi DC-DC tăng áp được thể hiện đầy đủ trong hình.
Để xây dựng các biểu thức toán học và hiểu rõ nguyên lý hoạt động, cần loại bỏ ảnh hưởng của \$R_{esr} = 0\$ và chọn \$R_L\$ khác \$0\$.
3 1 Mô hình bộ biến đổi DC-DC tăng áp
Các kí hiệu trong sơ đồ:
- V S là nguồn điện một chiều tuyến tính đầu vào
- C là tụ phân cực, dùng để lọc ngõ ra của bộ biến đổi
S là thiết bị chuyển mạch, đóng vai trò là bộ kích hoạt cho quá trình sạc và xả điện dẫn đầu vào Hiện nay, các thiết bị chuyển mạch phổ biến bao gồm IGBT và MOSFET Trong đó, MOSFET thường có khả năng chuyển đổi ở tần số cao hơn so với IGBT.
- L là cuộn cảm, là một thiết bị lưu trữ năng lượng trung bình
- D là diode Nó điều chỉnh hướng dòng điện trong thời gian S bật và tắt
- R là tải Tải có thể là bóng đèn, động cơ, Đặc điểm của bộ biến đổi DC-DC tăng áp :
- Dòng và áp tồn tại ở chế độ xác lập
- Chu kỳ chuyển mạch là T, khóa S đóng trong khoảng thời gian DT, vàkhóa mở trong khoảng thời gian (1-D)T
- Dòng cuộn cảm liên tục
- Tụ điện rất lớn, và điện áp ngõ ra là hằng số tại V O
- Để xây dựng các biểu thức toán học và tìm hiểu nguyên lý hoạt độngđược dễ dàng hơn thì các linh kiện xem như lý tưởng
3 2 Các dạng sóng của bộ biến đổi DC-DC tăng áp
Phân tích các trường hợp của bộ biến đổi khi đóng, mở van S
Dòng điện \$i_L(t)\$ di chuyển từ cực dương của nguồn qua điện cảm \$L\$, sau đó qua van và trở về cực âm của nguồn Đồng thời, dòng điện \$i_C(t)\$ khép kín vòng qua điện trở \$R\$, tụ điện \$C\$, mà không có dòng chảy qua điốt.
D Được mô tả như hình 3.3
3 3 Bộ biến đổi DC-DC tăng áp khi đóng khóa S
Tỉ lệ thay đổi của dòng điện là hằng số, nên dòng tăng tuyến tính khi khóa S đóng
Thay đổi dòng trong cuộn dây khi khóa S đóng là :
Khi khóa S mở (DTs – Ts) :
Dòng điện trong cuộn day không thể thay đổi tức thời Diot được phân cựcthuận duy trì dòng qua cuộn cảm Sơ đồ mạch tương đương như hình 3.4
3 4 Bộ biến đổi DC-DC tăng áp khi mở khóa S
Từ sơ đồ mạch điện dễ dàng tìm được điện áp qua cuộn cảm :
Tỉ lệ thay đổi dòng cuộn cảm là hằng số, nên dòng thay đổi tuyến tínhkhi khóa mở
Thay đổi dòng trong cuộn dây khi khóa S mở là:
𝐼 (3.8) Để trạng thái hoạt động ổn định, độ gợn dòng trong cuộn cảm phải bằng 0:
Cũng như vậy, điện áp trung bình của cuộn cảm phải bằng 0 trong chu kỳ:
Nếu khóa luôn mở và D bằng không thì điện áp ngõ ra bằng điện áp ngõ vào
Khi tỉ số D tăng lên nghĩa là mẫu số của phương trình điện áp VO giảm Kết quả là điện áp ngõ ra lớn
Dòng điện trung bình qua cuộn dây được xác định bởi công suất trungbình của nguồn bằng với công suất trung bình của tải
Công suất ngõ ra là :
Công suất ngõ vào là:
Dòng trung bình qua cuộn cảm là :
Xác định dòng cuộn cảm lớn nhất và nhỏ nhất :
Vì dòng qua cuộn dây là liên tục nghĩa là nó luôn dương, nên Imin là dương :
(1−𝐼) 2 𝐼 2𝐼 2𝐼𝐼 Điện cảm tối thiểu cho dòng liên tục trong bộ biến đổi là :
Thiết kế bộ biến đổi DC-DC tăng áp để dòng liên tục thì phải có giá trị cuộn cảm lớn hơn
∆𝐼 𝐼 𝐼.∆𝐼 𝐼 Độ gợn sóng điện áp ngõ ra :
Giả sử điện áp ngõ ra là hằng số, nên có thể xem giá trị điện dung là rấtlớn
Điện dung có giá trị giới hạn, dẫn đến việc điện áp ngõ ra sẽ biến thiên và xuất hiện gợn sóng Gợn sóng điện áp ngõ ra có thể được tính toán dựa trên dạng sóng dòng tụ, như thể hiện trong hình 3.2.
Thay đổi tụ điện được tính từ:
Biểu thức điện áp gợn sóng là:
Trở kháng của tụ điện có thể góp phần đáng kể vào gợn sóng điện áp ngõ ra
Sự biến thiên dòng qua tụ cũng giống như dòng max trong cuộn cảm(hình 4.2) Gợn sóng điện áp do trở kháng tương đương (ESR) là:
MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI THUẬT TOÁN P&O VỚI PHẦN MỀM MATLAB
Phần mềm matlab
MATLAB là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng và mô hình hóa các mạch điện tử tương tự, cho phép người dùng kiểm tra thiết kế trước khi xây dựng phần cứng Chương trình này giúp quan sát sự thay đổi của mạch điện khi tín hiệu đầu vào hoặc giá trị các thành phần trong mạch được điều chỉnh.
Có thể kiểm tra lại các thiết kế đã hoàn thành để xác định tính chính xác trong thực tế MATLAB chỉ thực hiện mô phỏng và đo kiểm tra, không phải là công cụ thiết kế mạch điện Để khảo sát một mạch điện, đặc biệt là mạch điện tử công suất, cần thực hiện theo các bước cụ thể.
Để xây dựng mạch điện, cần xác định mô hình các phần tử cần thiết, hầu hết các phần tử này có sẵn trong thư viện mô hình của chương trình Tuy nhiên, trong một số trường hợp, cần phải tạo mô hình mới Mô hình trong MATLAB phải phản ánh chính xác đặc điểm và tính chất vật lý của thiết bị thực, vì mô hình càng gần với thực tế thì kết quả phân tích càng đáng tin cậy Dù vậy, khi khảo sát một đặc tính cụ thể, có thể chỉ cần mô hình hóa các tham số và thông số liên quan đến đặc tính đó.
- Thiết lập sơ đồ nguyên lý của mạch cần nghiên cứu Cần phải đảm bảo chắc chắn rằng sơ đồ nguyên lý được xây dựng là đúng đắn
- Thiết lập các thông số của sơ đồ và các tham số khảo sát
Khảo sát được thực hiện qua hai giai đoạn: đầu tiên, chạy thử chương trình với chế độ có kết quả đã biết để kiểm tra độ chính xác của mô hình Sau khi mô hình đạt độ tin cậy cần thiết, tiến hành nghiên cứu với các chế độ theo yêu cầu khảo sát.
4.2 Các thông số của hệ thống pin năng lượng mặt trời
4.2.1 Thông số của pin năng lượng mặt trời
Bảng 4.1 Thông số tấm Pin chọn
Hở mạch điện áp Voc (V) 64.2
Dòng ngắn mạch Isc (A) 596.00 Điện áp tại Maximim Power Vmp (V) 54.7
Dòng điện tại Maximim Power Imp (A) 5.58
Hiệu suất bảng điều khiển 18.7%
Dung sai điện -3.00% ~ 3.00% Điện áp tối đa 600
Mô phỏng và kết quả mô phỏng hệ thống hòa lưới pin năng lượng mặt trời
4 1 sơ đồ hệ thống mặt trời
4.3.1 Đồ thị công suất và dòng điện
4 2 Đồ thị công suất và dòng điện
4 3 Đồ thị công suất và dòng điện của pin
Xây dựng sơ đồ mạch động lực trong matlab:
4 4 Sơ đồ mạch động lực
- 4 van bán dẫn IGBT có trang bị thêm diode có tác dụng bảo vệ van
- Tại các cực G của van có tín hiệu S11, S21 là tín hiệu để cấp xung vào để điều khiển van Nguyên lý hoạt động:
Trong đồ thị điện áp và dòng điện của nghịch lưu cầu 1 pha, trong nửa chu kỳ đầu tiên (0 đến $\theta_2$), cặp van T1 và T2 dẫn điện, kết nối tải với nguồn điện áp, với điện áp trên tải là $U_t = E$ Khi $\theta = \theta_2$, T1 và T2 bị khoá, trong khi T3 và T4 mở ra, khiến điện áp trên tải đảo chiều, $U_t = -E$ Dòng điện vẫn giữ nguyên hướng cũ do tải mang tính trở cảm, và dòng phải khép mạch qua D3 và D4 Sức điện động cảm ứng trên tải trở thành nguồn trả năng lượng qua D3 và D4 về tụ C Tương tự, khi T3 và T4 bị khoá, dòng tải khép mạch qua D1 và D2 Để chọn van, cần tìm biểu thức dòng điện tải $i_t$ bằng phương pháp sóng điều hoà cơ bản.
Phân tích dạng điện áp trên tải Ut ra chuỗi:
Nếu chỉ lấy sóng điều hoà cơ bản thì:
Dòng trung bình qua van động lực là:
Thời gian lấy mẫu của hệ thống và của bộ điều khiển:
4.3.2 Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển:
Xây dựng sơ đồ mạch điều khiển:
4.3.3 Mô phỏng tín hiệu đầu ra ở nhãn S11 và S21:
Tín hiệu S21: Độ rộng xung của 2 điện áp là như nhau nhưng ngược nhau
Thiết kế mạch khóa pha:
Thiết kế mạch I tham chiếu:
Mô phỏng dòng điện đầu ra của Pin:
Mô phỏng đồ thị công suất đầu ra của Pin:
Giá trị công suất đặt với giá trị công suất thực:
4.3.4 Chương trình điều khiển trên matlab:
