TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời
Mặt trời phát ra bức xạ năng lượng ở một dãy sóng rộng, nhưng chỉ những tia có bước sóng ג nhất định mới có khả năng sinh ra hiện tượng quang điện Các tia bức xạ này phải có năng lượng lớn hơn năng lượng kích hoạt electron của chất bán dẫn để tạo ra dòng điện quang điện Chính vì vậy, chọn đúng bước sóng phù hợp là yếu tố then chốt để tối ưu hóa hiệu suất quang điện trong các hệ thống pin mặt trời.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon :
Hình 1.1: Quang phổ mặt trời với tỉ lệ không khí 1.5
Khái niệm về photovoltaic (pin mặt trời)
Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện
Pin PV có thể xem là hoạt động ngược lại của diode quang, khi diode quang chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng, thì pin PV lại chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng, làm cho nó trở thành một giải pháp hiệu quả trong các ứng dụng năng lượng sạch và bền vững.
-Nhiệm vụ của photon đối với điện năng lượng mặt trời : kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng
Hình 1.2: Mô hình vật lý pin PV
RS :Series resistance, Rp: parallel resistance, Ip : dòng điện qua Rp , ISC : short circuit current dòng ngắn mạch
Vật liệu làm photovoltaic
Hình 1.3: Các loại vật liệu làm photovoltaic
Nguyên lý làm việc của photovoltaic
Trong mô hình nguyên tử Bohr, electron có khối lượng là 9.1093897 × 10⁻³¹ kg Electron quay quanh hạt nhân trên các quỹ đạo có bán kính rn và tần số góc ωn, tạo thành chuyển động tuần hoàn ổn định Sự di chuyển của electron quanh quỹ đạo sinh ra lực ly tâm, ảnh hưởng đến cân bằng lực trong hệ thống nguyên tử Mô hình này giúp giải thích cấu trúc năng lượng và đặc tính của nguyên tử dựa trên sự chuyển động của electron quanh hạt nhân.
Những electron này là những yếu tố mang điện e = 1.6 x 10 -19 A s
Nó được giữ ở vị trí quanh hạt nhân của nguyên tử với lực hấp dẫn Coulomb là :
Hằng số điện môi ε₀ = 8.8 x 10⁻¹² (As/Vm) đóng vai trò quan trọng trong mô hình điện tử Lực ly tâm và lực Coulomb cân bằng nhau để giữ electron ổn định quanh quỹ đạo Theo thuyết của Planck, electron có thể duy trì ở các quỹ đạo nhất định, nơi mà mô men góc quỹ đạo được nhân lên theo mức độ nhất định.
Lượng tử hoá của mô men góc của quỹ đạo dẫn đến
Hình 1.4: Mức trượt của Electrons từ dãy hoá trị đến dãy dẫn gây nên bởi năng lượng ánh sáng trong bán dẫn ( Inner Photo Effect)
Sự trượt của các electron từ vùng hóa trị sang vùng dẫn dưới tác dụng của năng lượng ánh sáng là quá trình quan trọng trong các chất bán dẫn, đặc biệt là trong các nguyên tố nhóm 4 như Silicon (Si), Germanium (Ge), và Sn Trong đó, Silicon (Si) được sử dụng phổ biến nhất nhờ đặc tính dễ kích thích electron chuyển đổi, góp phần vào hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử và pin quang điện Quá trình này đóng vai trò then chốt trong công nghệ bán dẫn, giúp tạo ra các linh kiện điện tử hiện đại ngày nay.
Hình 1.5: Nguyên lý tế bào mặt trời với mô hình dãy năng lượng
Đặc tuyến pin năng lượng điện mặt trời và phương trình của chúng
1.5.1 Phương trình mô tả đặc tính pin quang điện
I S tại 25 0 C (Ghi chú : I 0 : dòng điện bão hoà của diode PV I SC, R S , R P : xem ở mô hình thay thế pin PV )
1.5.2 Các đặc tuyến a) Các đặc tuyến I (A), P (W)
Hình 1.6 thể hiện đặc tính của pin quang điện theo đồ thị I-V và P-V, trong đó điểm truy bắt công suất cực đại (MPP) được xác định rõ Để xác định I_MPP, ta vẽ đồng thời đồ thị P-V và I-V trên cùng một hệ trục toạ độ, từ đó dễ dàng nhận biết V_MPP trên đồ thị P-V Tiếp theo, kẻ đường thẳng qua điểm P_MPP vuông góc với trục V để tìm V_MPP, đồng thời, từ V_MPP và I-V, ta xác định dòng điện I_MPP tương ứng tại điểm MPP Điều này giúp tối ưu hoá hiệu suất làm việc của pin quang điện bằng cách xác định chính xác điểm cực đại về công suất.
Tại điểm MPP (điểm công tối ưu), ta vẽ đường ngang từ điểm MPP xuống trục tung I để xác định điểm I MPP Đặc tính V-I của pin quang điện thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện, phản ánh hiệu suất hoạt động của pin dưới các điều kiện khác nhau Ngoài ra, đặc tính P-I (công suất - dòng điện) cũng cho thấy mức công suất tối đa mà pin có thể cung cấp, phù hợp với các giá trị dòng ngắn mạch khác nhau Hiểu rõ các đặc tính này giúp tối ưu hóa công suất của pin quang điện trong các hệ thống năng lượng tái tạo.
Đặc tuyến V-I và P-I của pin PV phụ thuộc vào dòng ngắn mạch, với mỗi loại pin có trị số dòng ngắn mạch khác nhau Giá trị dòng ngắn mạch cũng chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ rọi, và góc đặt tấm PV so với mặt phẳng ngang Trong mô tả đường đặc tính của pin PV, có sự khác biệt rõ rệt giữa trường hợp lý tưởng và thực tế, phản ánh các ảnh hưởng của điều kiện vận hành thực tế đến hiệu suất của hệ thống.
Trong mạch tương đương, điện trở nối tiếp và song song có ảnh hưởng quan trọng đến phân phối điện áp và dòng điện, khi PV cả điện áp và dòng điện đều giảm Để nâng cao hiệu suất hoạt động của mạch, điện trở song song R_P cần có giá trị lớn hơn, trong khi điện trở nối tiếp R_S nên giảm xuống Việc điều chỉnh các giá trị này giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện, đảm bảo phân phối năng lượng hiệu quả hơn.
- Trường hợp lý tưởng : R P = , R S = 0 (R P , R S là những phần tử ở mô hình thay thế pin PV) , lúc này V MPP V OC và I MPP I SC
Hình 1.9: Mô hình thay thế pin PV d) Đặc tuyến làm việc của pin PV
Mặt trời liên tục thay đổi cường độ chiếu sáng, dẫn đến các điểm MPP (điểm công suất tối đa) cũng thay đổi theo Khi giả sử tải là một điện trở tuyến tính với đặc tuyến I = V/R, ta có thể xác định đường đặc tính làm việc của hệ thống Điều này giúp hiểu rõ hơn về cách các điểm MPP biến đổi theo mức độ ánh sáng, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống quang năng.
Hình 1.10: Hiệu suất của module PV với tải là điện trở khi ánh sáng mặt trời yếu nhanh Điểm MPP có công suất lớn nhất.
Số liệu về Module PV của các hãng sản xuất khác nhau trên thế giới
Bảng1.1: Các số liệu về PV Module của các hãng khác nhau
Bảng thông số module điện mặt trời ( Sharp NE -80 EJEA)
No.of Cell and Connections 36 in series
Type of Output Terminal Junction Box
Example of PV Module Performance Data Under Standard Test Condition
Manufacturer Kyocera Sharp BP Uni- Solar Sheel
Model KC-120-1 NE-Q5E 2U 2150S US-64 ST40
Material Multicrystal Polycrystal Monocrys tal
CIS T h i n fi l m Number of cell
Cấu trúc bên trong của pin mặt trời: ( Thay mô hình vật lý bằng mô hình toán)
- Cấu trúc để tạo ra điện áp (N S số pin PV mắc nối tiếp trong một module PV)
-Cấu trúc bên trong để tạo ra dòng điện
Hình 1.11: Các khối bên trong pin mặt trời.
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
2.1.1 Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong hệ thống nguồn điện một chiều để chuyển đổi nguồn không ổn định thành nguồn có thể điều khiển, đảm bảo hiệu suất và ổn định cho hệ thống Trong các hệ thống năng lượng mặt trời, bộ biến đổi này kết hợp chặt chẽ với MPPT để tối ưu hóa dòng điện và điện áp đầu ra, từ đó cung cấp công suất lớn nhất phù hợp với tải Các thành phần cơ bản của bộ biến đổi DC/DC gồm có khoá điện tử, cuộn cảm để lưu trữ năng lượng, và diôt dẫn dòng, giúp quy trình chuyển đổi hiệu quả và ổn định hơn.
Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia thành hai loại chính: có cách ly và không có cách ly Loại có cách ly sử dụng máy biến áp cách ly tần số cao, nhỏ gọn để ngăn chia nguồn điện một chiều đầu vào và đầu ra, đồng thời điều chỉnh điện áp bằng cách thay đổi hệ số biến áp, thường được sử dụng trong các nguồn cấp một chiều có khóa điện tử như mạch dạng cầu, nửa cầu và flyback Trong nhiều ứng dụng quang điện, hệ thống làm việc với lưới điện thường sử dụng loại có cách ly để đảm bảo an toàn Trong khi đó, các bộ biến đổi DC/DC không cách ly không dùng máy biến áp, thường được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các loại bộ biến đổi DC/DC phổ biến trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) bao gồm các loại có thể điều chỉnh điện áp phù hợp với yêu cầu của hệ thống.
- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)
- Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk
Việc lựa chọn loại DC/DC phù hợp cho hệ thống PV phụ thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải tiêu thụ, đặc biệt là về điện áp ra của dãy pin mặt trời Chọn đúng loại DC/DC giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động và đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định, phù hợp với các đặc điểm kỹ thuật của pin mặt trời và các thiết bị tiêu thụ năng lượng Việc này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả tổng thể của hệ thống năng lượng mặt trời và kéo dài tuổi thọ của các thành phần liên quan.
Bộ giảm áp buck giúp xác định điểm làm việc tối ưu khi điện áp đầu vào vượt quá điện áp đầu ra của bộ biến đổi Tuy nhiên, khả năng này ít hiệu quả hơn khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm xuống thấp, ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hệ thống tăng áp boost giúp xác định điểm làm việc tối ưu ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, đảm bảo hiệu suất ổn định Bộ Boost hoạt động cùng lưới điện để tăng điện áp đầu ra, cung cấp nguồn năng lượng phù hợp trước khi chuyển đổi sang dạng AC thông qua bộ biến đổi DC/AC.
Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp
Các loại bộ biến đổi DC/DC a Mạch Buck
Khóa K trong mạch là các khóa điện tử như BJT, MOSFET hoặc IGBT, có vai trò đóng mở với tần số cao để điều khiển dòng điện Mạch Buck được sử dụng để giảm điện áp đầu vào xuống mức phù hợp để sạc ắc quy, mang lại hiệu quả cao trong quá trình chuyển đổi năng lượng Hệ số làm việc D của khóa transistor được tính dựa trên công thức D = t_ on / T, trong đó t_on là thời gian khóa đóng và T là chu kỳ hoạt động.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Trong quá trình mở khóa K, dòng điện qua mạch vẫn tiếp tục duy trì nhờ năng lượng tích trữ trong tụ C2 và cuộn kháng L, nhờ diode khép kín mạch; khi khóa K đóng lại, dòng điện dừng, nhưng tải vẫn được cung cấp năng lượng nhờ năng lượng lưu trữ trong các thành phần này Cuộn kháng và tụ điện đóng vai trò lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì hoạt động của mạch khi khóa K đóng Điều này giúp giảm thiểu gián đoạn nguồn cấp và đảm bảo cung cấp liên tục cho tải.
Hình 2.2: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa cho thấy rằng năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng tổng năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian khóa Đồng thời, năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian khóa đóng đóng góp vào quá trình duy trì hoạt động của mạch Kỹ thuật này giúp đảm bảo sự ổn định và hiệu quả trong quá trình truyền tải năng lượng điện.
Trong điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng được duy trì nhất quán trong quá trình khóa, mở, đảm bảo hoạt động ổn định của mạch Phương pháp phân tích này giúp xác định chính xác các đặc tính của hệ thống điện từ, góp phần tối ưu hóa hiệu suất vận hành Đảm bảo cân bằng năng lượng khi cuộn kháng hoạt động liên tục trong thời gian khóa mở đóng là yếu tố then chốt để duy trì ổn định và hiệu quả của toàn bộ hệ thống.
dI L v L L (2-2) nên khi K mở (ton): on out in
(2-3) khi K khóa (toff): ton toff
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được tính như sau:
Trong đó: Io là dòng tải = Vout/Rtải = giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng
Từ các công thức trên suy ra:
Công thức (2 – 6) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển dễ dàng bằng cách điều chỉnh hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng nạp ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều chỉnh bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM), giúp kiểm soát công suất một cách chính xác Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM, phù hợp trong các ứng dụng yêu cầu kiểm soát điện áp và dòng điện hiệu quả.
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời b Mạch Boost
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Bộ Boost hoạt động dựa trên nguyên lý của cuộn kháng L, trong đó chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ để điều chỉnh dòng điện Khi K mở, dòng chảy qua cuộn kháng, tích trữ năng lượng trong từ trường Ngược lại, khi K đóng (toff), cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điốt tới tải, giúp duy trì dòng điện liên tục Quá trình này đảm bảo hiệu quả chuyển đổi năng lượng trong các mạch công suất.
Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng yêu cầu của điện áp ra Khi khóa K mở, cuộn cảm được kết nối với nguồn một chiều, còn khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy qua tải qua điốt Hệ số làm việc D của khóa K xác định điện áp ra theo công thức phù hợp, đảm bảo hiệu quả hoạt động của mạch.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tín hiệu Ton trong chế độ dẫn liên tục, giúp kiểm soát điện áp vào V1 tại điểm công suất cực đại dựa trên điện áp tải Vo Việc tối ưu hóa điều chỉnh này đảm bảo hiệu suất hoạt động của hệ thống điện, phù hợp với các yêu cầu về năng lượng và ổn định tải Đây là giải pháp lý tưởng để nâng cao hiệu quả truyền tải điện và duy trì điều kiện làm việc tối ưu cho thiết bị điện.
Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost c Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Mạch Boost có thể tăng điện áp đầu ra nhờ vào công thức (2-8), vì D < 1 luôn khiến điện áp ra lớn hơn điện áp vào Trong khi đó, mạch Buck chỉ có khả năng giảm điện áp đầu vào như đã trình bày ở phần trên Khi kết hợp cả hai mạch Buck và Boost, ta tạo thành mạch Buck – Boost có khả năng vừa tăng vừa giảm điện áp đầu vào, mang lại khả năng điều chỉnh điện áp linh hoạt hơn cho hệ thống.
Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT
Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào tải, điểm làm việc của tấm PV đó được xác định tại giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V của tấm PV và đường đặc tính I – V của tải Trong trường hợp tải là dạng thuần trở, đường đặc tính tải là một đường thẳng tắp với độ dốc bằng 1 chia cho giá trị trở của tải, giúp xác định chính xác điểm cân bằng giữa nguồn năng lượng và tải tiêu thụ Điều này đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu của hệ thống pin mặt trời và tối ưu hóa sản lượng năng lượng phát ra.
Hình 2.14: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 2.15: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được
Trong hệ thống pin mặt trời, trở kháng của tải phụ thuộc vào điều kiện làm việc của pin, và điểm làm việc thường không nằm tại vị trí công suất tối đa (MPP) Khi đó, nguồn năng lượng mặt trời có thể bị quá tải trong những ngày ánh sáng yếu dài, như vào mùa đông, do sự không thích ứng giữa tải và tấm pin Điều này dẫn đến tổn thất năng lượng toàn hệ thống Để khắc phục, phương pháp MPPT được sử dụng nhằm duy trì điểm làm việc của nguồn điện tại chính xác điểm công suất tối đa, với độ chính xác lên đến 97%.
Chương này trình bày đặc tính làm việc I – V của mô-đun pin mặt trời và tải, giúp hiểu rõ mối quan hệ giữa dòng điện và hiệu điện thế của hệ thống Ngoài ra, nội dung còn đề cập đến sự tương thích giữa tải và pin để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Phương pháp điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking) được trình bày nhằm tối đa hóa công suất đầu ra của hệ thống PV bằng cách điều chỉnh điểm làm việc tối ưu Các thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống được giới thiệu, làm tăng hiệu suất và độ ổn định của hệ thống năng lượng mặt trời Tuy nhiên, phương pháp MPPT cũng có những giới hạn nhất định, cần xem xét để đảm bảo hiệu quả hoạt động tối ưu trong các điều kiện môi trường khác nhau.
2.2.2 Nguyên lý dung hợp tải
Khi PV gặp trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ phụ thuộc vào đặc tính của tải đó, giúp xác định điện trở tải chính xác Việc này đóng vai trò quan trọng trong quá trình tối ưu hóa hoạt động của hệ thống điện, đảm bảo hiệu suất và độ ổn định Hiểu rõ cách xác định điện trở tải giúp kỹ thuật viên điều chỉnh các thông số phù hợp, nâng cao hiệu quả của quá trình truyền tải điện năng.
Trong đó: Vo là điện áp ra, Io là dòng điện ra
Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:
Trong hệ thống năng lượng mặt trời, VMPP và IMPP đại diện cho điện áp và dòng điện cực đại của hệ thống Khi giá trị của tải phù hợp với giá trị Ropt, công suất truyền từ tấm pin mặt trời đến tải sẽ đạt mức tối đa Tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này thường không khớp chính xác, do đó mục đích của công nghệ MPPT là tối ưu hóa trở kháng của tải để phù hợp với trở kháng tối đa của tấm pin mặt trời, nhằm tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng.
Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost Từ công thức (2 – 8): o in (1 D).V
Trong bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định Việc duy trì cân bằng công suất này là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động liên tục và giảm thiểu tổn thất năng lượng Các giả thiết về bộ biến đổi lý tưởng giúp đơn giản hóa phân tích và thiết kế các hệ thống điện tử công suất.
Từ 2 công thức (2 – 22) và (2 – 24) ta có: o in I
Suy ra: tai 2 o o 2 in in in (1 D) R
Hình 2.16: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D
Trở kháng do PV tạo ra từ hình vẽ 2.16 chính là trở kháng vào Rin cho bộ biến đổi Việc điều chỉnh tỉ lệ làm việc D giúp điều chỉnh giá trị của Rin phù hợp với Ropt, đảm bảo hiệu quả hoạt động của hệ thống Do đó, trở kháng của tải không quá quan trọng miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng quy trình hợp lý, đảm bảo sự tối ưu hóa hệ thống.
2.2.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT Điểm MPP định trên đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ Chẳng hạn, hình 2.17 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một nhiệt độ (25 0 C) và hình 2.18 các đặc tính làm việc ở cùng mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần
Hình 2.17: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2.18: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ
Từ hai hình vẽ này, ta có thể nhận thấy sự dịch chuyển của điện áp tại điểm MPP, cho thấy việc xác định chính xác điểm này là rất cần thiết Vì vậy, thuật toán tối ưu điểm MPP đóng vai trò trung tâm trong bộ điều khiển MPPT, giúp điều chỉnh hiệu quả điện năng thu được từ hệ thống quang điện Việc áp dụng thuật toán phù hợp sẽ giúp tối ưu hóa công suất đầu ra và nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống năng lượng mặt trời.
Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O
Phương pháp điện dẫn gia tăng INC
Các phương pháp dò tìm điểm MPP
2.3.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó
Hình 2.19: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Hình 2.20: Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O
Sự dao động điện áp gây ra sự hao hụt công suất trong hệ thống quang điện, đặc biệt khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hoặc ổn định Để khắc phục vấn đề này, có thể điều chỉnh thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số của hai chu kỳ trước, giúp giảm thiểu mất mát công suất quanh điểm MPP Ngoài ra, giảm bước biến thiên trong quá trình tính toán cũng là một giải pháp, tuy nhiên, khi thời tiết thay đổi, phương pháp này có thể làm chậm khả năng theo dõi điểm MPP chính xác, dẫn đến công suất bị hao hụt nhiều hơn.
Phương pháp này có nhược điểm chính là không xác định chính xác điểm làm việc có công suất tối đa khi điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm nổi bật của phương pháp là cấu trúc đơn giản, dễ thực hiện, nhưng điểm làm việc sẽ dao động quanh điểm MPP trong trạng thái ổn định, gây hao hụt năng lượng Do đó, phương pháp này không phù hợp với những điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC Đây là phương pháp khắc phục những nhược điểm của phương pháp P&O trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin mặt trời để dò tìm điểm công suất tối ưu Minh hoạ trên hình vẽ 2.21:
Hình 2.21: Phương pháp điện dẫn gia tăng
Phương pháp này dựa trên đặc điểm quan trọng của đường đặc tính pin khi độ dốc bằng 0 tại điểm MPP Khi ở bên trái điểm MPP, độ dốc của đường đặc tính là dương, còn khi ở bên phải, độ dốc trở thành âm Đây là cơ sở để xác định điểm cực đại công suất của pin, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
Vì dP/dV = d(IV)/dV = I + V dI/dV I + VI/Vnên ta cũng có thể viết lại là:
Thuật toán dựa trên so sánh giữa giá trị điện dẫn tức thời (I/V) và điện dẫn gia tăng (I/V) để xác định điểm làm việc tối ưu (MPP) của pin mặt trời Khi đã tìm ra điểm MPP, hệ thống duy trì hoạt động tại đó, phản ứng linh hoạt với biến đổi điều kiện thời tiết qua sự thay đổi của dòng điện I Độ lớn của điện dẫn gia tăng ảnh hưởng đến tốc độ tìm kiếm điểm MPP, nhưng nếu quá lớn có thể gây dao động và làm hệ thống hoạt động không chính xác Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong điều kiện thời tiết thay đổi nhanh, đem lại kết quả chính xác hơn phương pháp P&O với dao động nhỏ hơn Tuy nhiên, nhược điểm của nó là yêu cầu mạch điều khiển phức tạp hơn.
Hệ thống sử dụng hai cảm biến để đo giá trị dòng điện và điện áp, điều này dẫn đến chi phí lắp đặt ban đầu cao Tuy nhiên, với sự phát triển của các phần mềm và bộ xử lý hiện đại ngày nay, giá thành của hệ thống đã giảm đáng kể, làm cho việc triển khai trở nên phù hợp hơn cho nhiều dự án.
Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán của phương pháp điện dẫn gia tăng INC
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 nhằm tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển MPPT là duy trì mức điện áp làm việc ổn định và phù hợp để đảm bảo hiệu quả tối đa của hệ thống năng lượng mặt trời Có ba phương pháp điều khiển MPPT phổ biến giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời một cách hiệu quả.
2.4.1 Phương pháp điều khiển PI
MPPT đo giá trị điện áp và dòng điện của PV, sử dụng các thuật toán như P&O, INC để tính toán điện áp tham chiếu Vref nhằm điều chỉnh điện áp làm việc của PV Nhiệm vụ chính của thuật toán MPPT là xác định Vref phù hợp, và quá trình này được thực hiện lặp lại theo chu kỳ (thường từ 1 đến 10 lần lấy mẫu mỗi giây) để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống PV.
Hình 2.23: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân PI quy định điện áp đưa vào bộ biến đổi DC/DC
Bộ PI có nhiệm vụ điều chỉnh mức sai lệch giữa Vref và điện áp đo để duy trì hệ thống ổn định, nhờ vào khả năng bù sai lệch chính xác Với tốc độ làm việc nhanh và đáp ứng ngay lập tức, bộ điều khiển PI giúp hệ thống vận hành ổn định, tối ưu công suất Được cấu tạo từ các thành phần tương tự analog, nhưng hoạt động dựa trên nguyên tắc xử lý tín hiệu số DSP, bộ PI có khả năng thực hiện nhiều nhiệm vụ như xác định điểm làm việc tối ưu, từ đó giảm thiểu số lượng thành phần trong hệ thống, nâng cao hiệu quả hoạt động.
2.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp
Phương pháp này đơn giản hơn, sử dụng duy nhất một mạch vòng điều khiển để điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT Việc điều chỉnh hệ số làm việc dựa hoàn toàn trên nguyên lý dung hợp tải đã được trình bày rõ trong mục 2.2, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng và giảm thiểu phức tạp trong hệ thống điều khiển.
Hình 2.24: 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) tai 2 o o 2 in in in (1 D) R
Trong đó: D là hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost
Hình vẽ 2.25 cho thấy việc tăng D sẽ giảm tổng trở vào Rin, làm cho điện áp làm việc của PV dịch sang phía trái (giảm đi), trong khi giảm D sẽ làm tăng Rin và điện áp làm việc của PV dịch sang phía phải (tăng lên) Thuật toán MPPT, như P&O, INC và các thuật toán khác, sẽ quyết định cách thức dịch chuyển điện áp để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời.
Hình 2.25: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D 2.4.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
Phương pháp này là cải tiến từ phương pháp điều khiển trực tiếp, giúp giảm số lượng cảm biến cần thiết chỉ còn hai cảm biến đo điện áp và dòng điện ra khỏi bộ biến đổi Phương pháp điều khiển bằng PI và điều khiển trực tiếp cung cấp khả năng điều khiển chính xác điểm làm việc của pin mặt trời, đảm bảo hiệu suất tối ưu Tuy nhiên, các cảm biến đầu vào thường cần kết hợp với cảm biến đo tín hiệu ra để tránh quá điện áp hoặc quá dòng của tải, dẫn đến việc sử dụng đến bốn cảm biến để đạt hiệu quả tốt nhất Nhờ đó, phương pháp này giúp giảm chi phí lắp đặt so với các phương pháp truyền thống, tối ưu về mặt tài chính và độ chính xác trong kiểm soát Pin mặt trời.
Phương pháp điều khiển đo trực tiếp đo sự biến đổi công suất của hệ thống PV tại đầu ra của bộ biến đổi, sử dụng hệ số làm việc D như một biến điều khiển chính Phương pháp này áp dụng thuật toán P&O (Perturb and Observe) để xác định điểm tối ưu công suất tối đa (MPP), giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
Thuật toán P&O trong phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra cần được cải tiến để biến D thành biến điều khiển hiệu quả Thuật toán mới này điều chỉnh biến D dựa trên đo công suất từ bộ biến đổi, tăng D khi công suất ra tăng và giảm D khi công suất giảm Khi công suất ra của bộ biến đổi DC/DC đạt cực đại, hệ thống vận hành tại điểm MPP, đảm bảo tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống PV.
Phương pháp này chỉ phù hợp để mô phỏng dễ dàng trên bộ biến đổi lý tưởng, còn trong thực tế, với bộ biến đổi không lý tưởng, khó đảm bảo giá trị cực đại của công suất ra khỏi bộ biến đổi chính xác là điểm MPP Một nhược điểm của phương pháp này là chỉ phù hợp với tham số của thuật toán P&O và hoàn toàn không áp dụng cho thuật toán INC, làm giới hạn khả năng tối ưu hóa hiệu quả năng lượng của hệ thống.
Giới hạn của MPPT
Giới hạn chính của MPPT là không ảnh hưởng đến tín hiệu đầu ra trong quá trình xác định điểm công suất tối đa, giúp tối ưu hiệu suất hệ thống Tuy nhiên, MPPT không thể điều chỉnh cả tín hiệu vào lẫn tín hiệu ra cùng lúc, đòi hỏi hệ thống cần sử dụng ắc quy để duy trì điện áp ổn định Điều này đảm bảo nguồn năng lượng cung cấp luôn ổn định và hiệu quả, phù hợp với các ứng dụng cần điện áp cố định.
Một nhược điểm chính của MPPT là việc xác định điểm làm việc tối ưu có thể bị giới hạn khi tải không thể tiêu thụ hết lượng công suất sinh ra, dẫn đến dừng quá trình tối ưu hóa và tổn thất công suất Đối với hệ PV tự cấp điện có tải bị giới hạn bởi dòng và áp cao nhất, phương pháp MPPT có thể dịch chuyển khỏi điểm MPP, gây hao tổn năng lượng và giảm hiệu suất hệ thống Do đó, việc xác định chính xác dung lượng tải là rất quan trọng để tận dụng tối đa công suất của các pin mặt trời Trong khi đó, hệ PV kết nối lưới luôn xác định điểm làm việc có công suất tối đa, vì thừa công suất có thể được truyền vào lưới điện để tăng lợi nhuận cho người sử dụng.
Hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống MPPT không bao giờ đạt 100%, mặc dù phương pháp MPPT giúp tăng hiệu suất rất lớn Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời còn gặp tổn hao công suất do bộ biến đổi gây ra, do đó cần cân nhắc giữa hiệu suất và chi phí Phân tích kinh tế giữa hệ thống pin mặt trời và các nguồn điện khác là cần thiết để tối ưu hóa chi phí vận hành Ngoài ra, việc nghiên cứu các phương pháp nâng cao hiệu suất hệ thống, như sử dụng máy theo dõi mặt trời, đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu quả tổng thể của hệ thống năng lượng mặt trời.
Sơ đồ khối của bộ biến đổi điện tử công suất và chức năng của từng khối
Hình 2.27: Các khối chính trong hệ điện mặt trời
Khối chuyển đổi DC-DC là hệ thống cung cấp điện áp đầu ra là DC, có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp đầu vào tùy thuộc vào thiết kế, có thể sử dụng biến áp hoặc không Đặc biệt, khối DC-DC thường được tích hợp với bộ điều chỉnh điện áp (Regulator Voltage) để đảm bảo nguồn cung cấp điện áp ổn định cho tải.
+Khối DC-DC converter có 2 nhiệm vụ chính :
- Giảm độ nhấp nhô của dòng điện và điện áp ( nhờ vào tụ Cpv và cuộn dây L)
- Điều khiển tần suất đóng cắt mạch điện đến khối DC-AC
+ Tụ điện C tích xả năng lượng, làm cho điện áp phẳng trước khi đưa vào bộ DC-AC
* Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thực tế của mạch đóng cắt DC-DC
Mosfet kết hợp với diode để đóng cắt mạch điện ( chức năng như công tắc lý tưởng )
2.6.2 Khối MPPT: thu bắt công suất lớn nhất, xem thêm ở phần các thuật toán điều khiển hệ MPPT, khối MPPT tác động đến bộ điều chế độ rộng xung, từ đó có thể điều khiển bộ DC-DC
Hình 2.29: Vai trò của MPPT trong hệ PV
2.6.3 Khối nghịch lưu DC-AC: biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều
Hình 2.30: Cấu trúc bộ nghịch lưu Inverter
Có thể dùng bộ nghịch lưu 2 bậc hoặc 3 bậc , trong bộ nghịch lưu ta thấy linh kiện IGBT đóng vai trò quan trọng nhất
Hình 2.31: Bộ nghịch lưu 2 bậc
Ngoài nguồn DC ( thay thế bằng nguồn xoay chiều và bộ phận chỉnh lưu ), ta còn có:
- Nguồn ở phía tay trái bên dưới ( chứa sóng điều chế v a )
- Nguồn ở dưới cùng chứa sóng mang v p ( sin hoặc tam giác)
Trong mạch điện, bộ phận so sánh (op-amp) được sử dụng để so sánh giữa hai điện áp v_a và v_p, qua đó xác định trạng thái hoạt động của các IGBT trên cùng một pha Nhờ vào việc so sánh này, ta có thể biết được IGBT nào đang bật (on) hoặc tắt (off) một cách chính xác, đảm bảo hoạt động luân phiên liên tục trong hệ thống.
- Cổng Not và đệm (buffer) cũng đóng vai trò quan trọng trong mạch điện này
2.6.4 Khối điều khiển bộ nghịch lưu (inverter controller): gồm có
- Multipler : Bộ nhân Nhân hai tín hiệu từ khối PLL và MPPT
-Error Amp.+ PI : Bộ so sánh lỗi và bộ tích phân (loại bớt lỗi)
PWM (Điều chế độ rộng xung) là phương pháp điều khiển giúp điều chỉnh giá trị áp điều khiển và tỉ số điều chế của bộ nghịch lưu đa bậc Công nghệ này còn hỗ trợ thêm hàm offset để đảm bảo điện áp ra ở khối nghịch lưu có dạng sine, không bị méo Nhờ đó, PWM giúp tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống nghịch lưu, giảm thiểu hiện tượng méo dạng sóng, nâng cao độ chính xác và ổn định của nguồn điện.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện tử công suất
-Cài đặt điểm làm việc (V PV, IPV ) đến MPP
-Cân bằng công suất trung bình ở mảng PV nối đến lưới để V PV > VDC
- Phát ra dòng điện Iac để kết nối với lưới điện xoay chiều và thoả điều kiện:
Pac = PDC * ηDC-DC* ηDC-AC
-Tụ điện C: Cân bằng công suất giữa công suất tức thời và công suất trung bình.
CÁC THUẬT TOÁN VỀ HỆ MPPT VÀ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM MATLAB 3.1 Liệt kê các thuật toán
Nội dung 3 thuật toán có sẳn trong Psim 9.0
3.2.1 Thuật toán Hill-Climbing/ Peturb and Observe (P&O)
Thuật toán P&O là phương pháp dò tìm Pmax theo sự biến thiên của điện áp trên module PV
Bảng 3.1: Bảng tổng kết giải thuật P & O
Perturbation Change in Power Next Perturbation
3.2.1.1 Thuyết minh bảng giải thuật Đặt:
* Perturbation ( Điện áp ở chu kỳ đầu) = A
* Change in Power ( công suất thu được) / chuyển đổi công suất) = B ,
* C= Next Perturbation ( điện áp ở chu kỳ kế tiếp)
Xét về dấu C = A x B, nếu A và B cùng dấu thì C> 0 (positive : dương- tăng ) Nếu A khác dấu với B thì C
