Luận văn improving the performance of solar cell system by maximum power point tracking algorithm

Tỏi xui cam đoan, bản luận văn này với để tài: “Mông cao chất lượng hệ thông pin mặt trời thông qua thuật toán dò diễm công suất cực dạt” là công trình nghiên cửa của tôi và chua từng đ

BỘ GIÁO DỤC VẢ BẢO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HẢ NỘI

Pham Thu Hang

TEN DE TAI LUAN VAN

NANG CAO CHAT LUONG HE THONG PIN MAT TROT THONG QUA TIUAT TOAN DO DIEM CONG SUAT CVC DAI (MPROVING THE

PERFORMANCE OF SOLAR CELL SYSTEM BY MAXIMUM POWER

POINT TRACKING ALGORITHM)

Chuyên ngành : Kỹ thuật Điều khiến và Tự động hoa

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

NGUỘI HƯỚNG DAN KHOA HỌC :

TS VŨ TIỊ THỦY NGA

HaNéi Nam 2019

LOT CAM DOAN

Tên lôi là Phạm Thu Hằng, học viên cao học ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động

hóa khóa 2016 - 2018 Giáo viên hướng, dân khoa học: T8 Vũ Thị TÌ hủy Nga Tỏi xui

cam đoan, bản luận văn này với để tài: “Mông cao chất lượng hệ thông pin mặt trời

thông qua thuật toán dò diễm công suất cực dạt” là công trình nghiên cửa của tôi và

chua từng được công bề trong, bắt kỷ nông trình nào khác, Các số liệu nêu trong luận

MUC LUC

1.1 Tống quan về các nguồn năng lượng 12

1.2.8 Cấn tạo và nguyên lý hoại động của pin mmật trời eos BS 1.2.2 Ưunhược điểm của hệ thống pinuặt tròi 16

1.2.3 Ứng dụng của pii mặt trời 1G

1.2.4, Tâm năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÌM DIỄM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ĐÃ CÓ 27

CHUONG 3, ĐỂ XUẤT THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM C

3.1 M6 binh ha théng pin mat trai trong điều kiện bức xạ không đều 38 3.1.1 Đặc linh của pin trong điểu kiện búc xạ không đếu eee BB

3.1.2 Đặc tính thục nghiệm cứa PV trong điều kiện bức xa không đều 39

3⁄2 Thuật loán phần biệt pin dang trong didn kiện bức xạ đếu lay bức xe không đều (bị bỏng che một phẩn) co co scccces 40

3.3 Thuật toán bám điểm công suất cục đại trong điều kiện được bức xạ đều và bức xa không đều 45 343.1 Nguyên lý hỏa hợptii „ đó 33.2 Tim điểm công suải cục đại trong didn kiện búc xa không đêu bằng phương pháp P&O lặp và P§O „47

3.3.2.1 Thuật toán P&O lập để bám điểm công suất cưc đại toàn cục eos AF 3.3.3.2 Thuật loán PSO (tôi ưu bây đàn) để bám điểm công suấi cực đại loàn cụcS0

CHUONG 4 MO PHONG KIEM CHUNG - - 3?

Al Khio sil die tỉnh P - V của gìn - 57 41.4 Két qui m6 phong ia tran pin trong diéu kién bw xa du ST 4.1.2 Kết quả mô phỏng ma trận pin trong điển kiện bức xạ không đến 58

42 Kết quá mô phỏng thuật toán P&O lặp 59

4.2.1 Xây dumg mé hinh mé phéng trong Simulink 59 42.2 Kết quả mô phỏng 60

43 Kết quả mỗ phỏng thuật toản PSO - - - .8

4.3.1 Xây dựng mô hình mô phông trong Sinmnlink, 262

43.2 Kết quà mô phỏng 263

KET LUAN VA KIEN NGH] 0 ccesscsecseesteuiensenetinttnstasiasinanasnanentisinsenenan OD

‘TAL LIEU THAM KHẢO

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIET TAT

⁄ hiệu Cụm từ được viết tắt trong Cụm tù được viét tit trong néng

tiếng Việt tương đương -Anh tương đương

MPP | Điểm công suất cực đại Maxtnuin Power Point

MPPT | Bộbảm điểm công suất cực đại Maxunuin Power Poh Tracking

P&OQ — | Nhidu Joan va quan sat Perlurb and Observe

Diéu khién logic mo

Điện áp không đổi

Fuzzy Logic Control Constant Voltage ‘racking

Photovoltaic system Photovoltaic

module/ panel/aray, solar cell/ module‘panel/array

G Công suất bức xạ mặt trời

Rs Điện trở nôi tiếp

Rp Điện trở song song

1 Dong qua diode

Te Dong bio tda cla diode

lv Dong điện qua pin mặt trời

Vpy Diện áp ra của pin mặt trời

K Tié s6 anh huéng của nhiệt độ

Gere | Cưởng độ bức xạTại điêu kiện tiêu chuẩn

Te Dòng ngắn mạch

Tver | Dòng điện lại điểm MPP

Vụ Điện áp hỗ mạch của T module

Voeany — | Điện áp hồ mạch của toàn bộ ma tran pin

Xử, XỈ" | Vị trí cá thể thứ ¡ tại thẻ hệ thú k va k-1

V*, VẺ1 | van tée oa thé thứ ¡ tại thể hệ thứ k va RHI

w "Trọng số quán tỉnh

e,Ẳœ TIệ số gia tốc

TT: Số ngẫu nhiên trong khoảng [0,1]

DANH MUC CAC BANG

Bảng 2 1 Báng quy tắc mở

Hãng 2 2 So sánh các phương pháp tim ‘MPP trong

ìu kiện bức xa đều.

Hình 1 4 Tòa nhà sử đụng pin mặt trời 17

Hinh 1 7, So dé tương đương mỗi cell cúa PV 19

Tinh 1 9 Mé hinh ly tung cba pin mat troi - - - .21

Hình 1 13 Sơ đồ pin mặt trời cỏ Rạ eee 23

Hình 2 1 Lưu đồ thuật toán phương pháp điển áp không đối 27 Hình 2 2 Câu trúc điều khiển MPPT theo phương pháp P&O 29 Hùnh 2 3 Đặc tính P - V và thuật toán P&O 29 Hình 2 4 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiến Vụe 3 Lĩnh 2 5 Đường đặc tính P - V và thuật toản INC 31 Hình 2 6 Lưu đỗ thuật toán INC điều khiển thông qua diện áp tham chiếu Vạr 32 Hinh 2 7 Sơ đỗ khối bộ LEC ceceeee 33

Hình 2 9 Hàm thành viên của biến dẫu vào và dầu ra 35

Hinh 3 1 Đặc tỉnh pin khí bj bức xạ không đều eeeeeeieoooooee 38

Hình 3 3 Đường đặc lính P - V của pin khi bức xạ Œ = 300Wan? cece AO Hình 3 4 Dường đặc tính P - V otta pin khi bite xa G— 600WAM? esse 40

Linh 3 5 Dae tinh [ - V của PV khi được bức xạ đến (A) và khi bị bức xa không đều (h) 43 Hình 3 6 Tam đỗ thuật toán phân biệt trưởng hợp pin bức x; đều và bức xạ không dầu „44

Hình 3 7 Câu trúc cơ bản của bộ điều khiến MPPT trong hệ

Hình 3 8, PV được mắc trực tiếp với tải

Trịnh 3 9 Điểm làm việc của PV khi tải thay đ

Hình 3 10 Đường đặc tính P-V theo thuật toàn P&O khi bức xạ đần và tăng bức xạ 47

Hình 3 12 Biểu thị đân liệu thay đổi hướng quái - s0

Hinh 3 13 Chuyến động của các cá thể trong thuật toán P§O SE

Hinh 4, 1, Mô hình ma trận Pin mặt trời xây dựng trong Matlab - Sinvulink 57 Hình 4 2 Dường đặc tính P - V Khi ma trận pin được bức xạ đều 58 Linh 4 3 Đường đặc tinh P - V Khi ma trận pin được bức xạ không đền — Hình 4 4 Mỏ hình mẻ phỏng sử dụng thuật toán P&O lặp trong Sinnulink 59

Hitth 4, 7, ENSi P&O os ecsscsseseeretettensttstensemsenaesant Hee 60

Hình 4 8 Dễ thị công suất của pin sử dựng Thuật toán P&Ö lặp 61 Tĩnh 4 9 6 thi công điện äp cửa pin sử dụng thuật loàn P&O lặp, -.-61

Hình 4 10 Đỗ thị dòng cửa pin sử dụng thuậi toàn P&O lap - - 62

Hình 4 11 Mô hình thực hiện :nô phỏng thuật toán PSO trong Sinmdlink 63 Iình 4 12 Để thị công suất của pin sử đụng thuật toán PSO ce BA Hình 4 13 Đỗ thị công suất cia pin sit dung thudl loan PSO (phong to) 64 Hinh 4, 14, Dé thi điện áp cúa pin sứ đụng thuật toán PSO 65 Lĩnh 4 15 Để thị dòng điện của pin sử đung thuật toán PSO - 65

MO PAU

Ly do chon dé tai

Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, ngày cảng cạn kiệt và gây ö nhiềm mỗi trường, dộng lực sử dụng các nguồn năng lượng tải tao như mặt trời, gió đang ngày cảng trở nên mạnh mẽ Tỷ trọng các loại nguồn này

đang Lăng lên (heo cắp số nhân qua các năm, nhận được sự quan tâm của chính phủ

các quốc gia trên toàn thể giới, các nhả khoa học ở tất cä lĩnh vực liên quan

Nguồn năng hượng mặt trời với tru thế không gây tiếng ồn, có thể lắp đặt ở mọi nơi,

kể cả trong khu đân cư đã giúp cho quả trình phố biến loại nguần mày trong hệ thông, điện nhanh hon so với các nguồn khác

Tim mặt trời eó nhiều đặc điểm ưu việt Tuy vậy, giá thành cho hệ thống này không

thê rẻ, phính vi thé, việc tăng hiệu guất và kéo đâi tuổi thọ của pm mặt trời trở thành

vấn đề quan trọng Dé hệ thống pin mặt trời hoạt động ở hiệu suất cao nhất, cần phải

để bệ thẳng hoạt động ở điểm công suất cực đại Bói vị, điều kiện tự nhiên bao gồm bức x mặt trời, nhiệt độ và yếu tổ bóng mờ luôn thay đổi, kéo theo điểm công suất cực đại cũng thay đổi theo Vi vây, cần phải có giấi pháp dé theo đi được sự thay đổi của điểm công suất cực đại và đặt hệ thống làm việc lạt điểm đó

Đôi vậy, tác giả chọn để tài nghiên cửu: “ Nâng cao chất lượng hệ thông pi mặt trời

thông qua thuật toán đỏ điểm công suất cực đại” nhằm hoán hiện cáo vẫn dé con đang,

bổ ngô hoặc chưa quan lâm đầy đủ như đã

-Mục dich nghiên của luận văn, đối tượng, phạm vi nghiên cứu

- Muc dich: dé tai tap trung nghiên cứu các phương pháp tim điểm MPP đã có, xây đựng giải pháp xác định xem pm đang hoạt động trong điều kiện nào, qua đỏ thiết lập các thuật toán dé tim điểm công suất cực đại MPP trong chê độ bức xạ không,

đều

-_ Đổi tượng nghiên cứu: pin mặt trời được lam từ chất bản đẫn cầu trùc tình thể,

-_ Thạm vi nghiên cửu xây đựng thuật toán MPPT cho pin mặt trời ở chế độ bức xạ

không đều

10

“Tôm tắt cỗ đụng các luận điểm cơ bản và đồng góp mới của tác giá

- ‘Téng quan vả nguyên lý hoạt động của hệ pin mặt trời

-_ Các phương pháp tim điểm công suất cực đại đã có

-_ Để xuất thuật toảu tim điểm công suất cực đại trong diều kiện bức xạ không đều -_ Mồ phỏng kiểm chứng

Phương phản nghiên cứu

- Tìm hiểu mô hình, nguyên lý hoạt động của pin

- Tùn hiểu các thuật toán MPPT và các thuật toán phần biệt chế đỏ làm việc gũa pin

- Thiết kể thuật toán MPPT cho các chế độ làm việc của pm

- Laxa chọn công cụ đánh giá và kiểm chứng kết quả nghiên cứu, cụ thể lá: mô hình hóa

amd phéng bang phan mém Matlab

11

CHUONG 1 TONG QUAN VA NGUVE

MAT TROL

LY HOAT BONG CUA HE PIN

1.1 Tổng quan về các nguồn năng lượng

1.1.1 Các ngHẪn năng lượng

Trong quá trình phát triển cửa nhân loại, con người luôn sống tạo ra những công

cụ mưới để nâng cao năng suất lao động, cãi thiện điều kiện sống Trong đó, nhụ câu

vẻ năng lượng và chất lượng của nguiỗn năng lượng trở thành yêu cầu tắt yếu, khang tr,ừng gia tăng Nẵng lượng là nguồn nguyên liệu cho các hoạt động sinh hoạt và sẵn

xuất của loài người, lá động lực để phát triển tất cả các khia cạnh của xã hội Quốc

gia nào sở hữu nguồn năng lượng đổi đào với chất lượng tốt, tự chủ được về năng,

lượng sẽ có điều kiện thuận lợi để phát triển kinh tế cũng như dân sinh

Đặc biệt, từ khi khái niệm công nghiệp hóa được ra đời, nhu cầu phát triển về cưng cập, đự trữ và sử dụng năng lượng cảng được để cao hơn Từ cuộc cách mạng công Trghiệp lần thứ nhất tại Anh cuối thế kỹ XVTT, than đá được sử dụng nhĩ nguồn nắng, lượng chính cho các may hoi nước, Cuộc cách mạng thứ hai đã mang tới những tiến

bộ khoa học kỹ thuật về động co đối trong và máy móc sử dụng năng lượng điện Và

càng ngày, nguồn năng lượng diện càng phổ biến trên toàn thế giới, trong mọi mặt

đời sống nhờ những wu điểm đặc trưng của chúng Nguồn năng lượng hỏa thạch như đầu mỗ, am đá, khí đốt ngày cảng cạn kiệt và những tác động xấu của các nguồn năng lượng nảy tới mỗi trường khiến cho tỷ trọng của chúng ngày cảng giảm 1rong, khi đỏ, nhờ những tiền bộ khoa học kỹ thuật, nguồn điện năng ngảy càng được năng, cao về chat và lượng cũng như giả thành, thân thiện hơn với môi trường khi nguồn cung cấp được mở rộng, hiệu nẵng biến đổi được nâng cao 2o đó cảng ngày các nhà

khoa học và kỹ sư cảng tập trưng vào phát triển nguồn năng lượng điện, cải thiện chát

lượng điện răng, nâng cao liệu sual cũng như tìmt những,

nguồn điện mới, thân thiện với môi trường va dam bảo sử dụng lâu đải

tới như nhiệt điện, thủy điền,

"Một số nguân cung cấp đề tạo ra điện năng có thế

điện sức gió, điện hại nhân, điện mặt trời, Phương pháp nhiệt điện được coi là

phương pháp đâu tiên và cơ bản nhất dễ sinh ra điện, với việc sử dựng năng lượng, hóa thạch tạo ra nhiệt để đốt nóng lỏ hơi sinh ra hơi nước để quay turbin Việc sứ

đụng nắng lượng hóa thạch làm nguồn đốt có rất nhiều nhược điểm như giả hành cao

vi ngưyên liệu dầu vào, không thân thiện với môi trường vả hiệu suất của phương, pháp chuyển hóa năng lượng không cao Do đó, phương pháp này ngày cảng hạn chế tại nhiều nơi trên thể giỏi

Một phương pháp khác sinh ra điện năng khá phỏ biên là thủy điện Da số năng

lượng thủy điện có được từ thẻ năng của mước được tích tại các đập nước làm quay

turbin nude và máy phát điển Kiểu íL được biết đến hơn là sử đụng năng lượng động lực của nước hay các nguồn nước không bị tích bằng các đập nước như năng lượng

thủy triều Lợi thể của các đập thủy điện là khả năng dự trữ nước với chỉ phí thấp dé

tiên thành điện sạch có gia tn cao Ca

nhà máy thủy điện không phải chịu cảnh tăng

giá của nhiên liệu hóa thạch như đầu mỏ, khi thiên nhiên hay than đã và không cần 'phải nhập nguyên liệu Các nhà máy thủy điện cững cề tuổi thọ cao hơn các nhà raây

nhiệt diện, một số nhà máy thấy điện dang hoạt động hiện nay đã duge xây dựng Lừ

50 đến 100 năm trước Chỉ phí nhân công cũng thấp bởi vị các nhà máy nảy được tự

động hóa cao và có ÍL người làm việc tại chỗ khi vận hành thông thường Do các tổ

„máy phát diện có thể vận hành hoặc ngưng lại một cách tương đối nhanh và dễ đảng,

thủy điện có thể tự điều chính đáp ứng linh hoạt theo mức nhụ cầu tái, Mặt khác, tại

các nhà máy thủy điện, người ta còn gó khả năng điều chỉnh lưu lượng nước cho phù

hợp với nhu câu tải theo từng ngày hoặc theo mủa Mặc dù thủy diện được coi là phương pháp sản xuất điện khá sạch, nhưng không phải không có những nhược điểm,

đó là chúng phá hỗy hệ sinh thái các dong sông, chiếm đất thả cư của hàng triệu người, gọp phan làm thay đổi khí hậu, thái ra các khi nóng từ suy thoải đất vả rừng,

trong lò (nước, nước nặng, khí, kun loại lồng ) truyền tới thiết bị sinh điện năng

như trbim để sản xuất điện năng Mặc dù chỉ phi đầu tư ban đầu lớn nhưng điện hạt xihân là nguồn tăng lượng có giá rễ nhất, thân thiện với môi trường nhất khi đưa vào sản xuất, Nhược diễm duy nhất của phương phảp này có lẽ là yêu cầu khất khe vẻ sự

an toàn, bởi nêu sự cổ xảy ra, hậu quả của ô nhiễm phóng xạ đối với nhân loại là cực

ki không khiếp

1.1.2 Nững lượng mặt trời

Nang lượng mặt trời là một trong các nguồn rằng lượng lái tạo quan trong: nhất trà thiên nhiên ban tặng cho hành tính chứng ta đồng thời nó cũng lả nguồn gốc của các

nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng giá, năng lượng sinh khối, năng hrong

các dòng sông Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, tuy nhiên để khai thác, sử đụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó Ngày nay năng hượng mặt trời đang ngảy cảng thu hút được nhiều sự quan tâm và

dầu lư Tuy nhiên, vẫn để giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vẫn để lớn Hiện nay, năng lượng mặt trời chỉ cang cấp một phản nhỏ bé trong nhu cầu về điện

cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này lim tuổng kỉ nguyên năng,

lượng mặt trời chỉ mới bắt dâu và cảng ngày dược dây mạnh khi các quốc gia phát

triển thực hiện chiến địch chống biển đổi khi hậu vá hạn chế việc phụ thuộc vào nhiên liện hóa thạch như đầu mô, khí đối, tham, v.v

Năng lượng mật trời là năng lượng của dong bức xạ diện từ xuất phát từ mặt trời,

cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi

sao Dong nang lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mat

trời hết nhiên liệu, vào khoáng 5 tỉ năm nữa Trái đất nhận được 174 petawatts (PW) của bức xạ mặt trời đến bản khí quyền Khoảng 30% được phản xạ trỏ lại không gian

trong khi phân còn lại được hấp thụ bởi các đâm rnây, đại đương và vùng đất Tổng

luôn lả môi quan tâm của nhiều quốc gia Ngảy nảy, do nhu cầu năng lượng sạch ngày cảng nhiều nên ngảnh sản xuất pin mặt trời phát triển cực kỉ nhanh chỏng Sản lượng điện mặt trời tăng 489⁄/năm kể từ 2002 Dữ liêu đến năm 2017 cho thấy sản lượng toàn thể giới đạt 405GWV Nhiều chính phủ đã hỗ trợ ưu đãi tài chính cho ngành điện

mặt trời như: Đức, Nhật, Mỹ, Ức,

Điện mặt trời được hiểu một cách đơn giản là cách chuyên quang năng thành

điện năng trực tiếp nhờ các tâm pin mặt trời ghép lại với nhau thảnh module

1.2 Pin mặt trời

1.2.1 Céu tao va nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

Pin mặt trời hay cỏn gọi là pm quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện

trong lớp bán dẫn (thường goi là hiện tượng quang điện trong - quang dan) dé tao ra dòng điện một chiều khi được chiếu sáng

Gềm 3 thành phản chính như hình 1.1

- Mat ghép ban dan p - n: stt dung tinh thé Silic, day là thành phân chỉnh của pin

và lớp n thường möng để ánh sảng cỏ thẻ chiều tới lớp tiếp xúc p - n

~_ Điện cực: là thành phần dẫn điện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải cỏ

độ dân tốt vừa phải bảm đính tốt vào chất bán dân

~ _ Lớp chồng phản quang: nêu sự phản xạ ánh sáng cảng nhiều sẽ lâm cho hiệu

suất của pin giảm Vì vậy phải phủ một lớp chong phản quang

Hình 1 1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

15

Hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện như được mô tả trong hình 1.1 Khi

lớp p - n hấp thụ ánh sáng có bước sóng hv >E, = E, ~E, tạo ra cặp điện tử - lỗ trồng và trở thành các hạt tải điện tự do Điện tử di chuyên về phía cực của bán dân loại n và lỗ trồng di chuyên vẻ phía cực của bán dẫn loại p Nếu bên ngoài ni giữa ban dan loai n va ban dân loại p thì xuất hiện dong dién

1.2.2, Ưu nhược điểm của hệ thẳng pin mặt trời

Ưu điểm

Lap dat, van hành đơn giản, dễ dàng, Gần như không cân phải bảo trì, bảo dưỡng

Không cần nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường (khỏng khí thải, không

tiếng ôn, không chuyên động )

Ứng dụng được ở 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 dải (trừ ắc quy phải thay định kì)

Nhược điểm

Chỉ phí đầu tư ban đầu cao, phải chăm sóc vả thay ắc quy trong quá trình sử dụng

Hệ thống không thể hoạt đông liên tục được, nó chỉ hoạt động khi có ánh sáng

mặt trời chiêu vào những tâm pm

1.2.3 Ứng dụng của pin mặt trời

a Tích hợp vào thiết bị

Hình 1 2 Ủng dụng của pin mặt trời trong vũ trụ

16

Pin mặt trời cỏ tru điểm gọn nhẹ, cỏ thẻ lắp ở bất kì nơi nảo có ảnh sảng mặt trời,

đặc biệt được ứng dụng rông rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Những nơi mả các

nguồn năng lượng thông dụng không thẻ cung cấp tới Pm mặt trời cũng được tích hợp vào các thiết bị sử dụng trong đời sóng hàng ngày như: đồng hồ, máy tính, đèn

đường, Nó là nguồn năng lượng xanh, sạch đang dần được ứng dụng vào các

phương tiện giao thông thay thể cho các nguyên liệu truyền thong gay ô nhiễm môi

trường

b Nguồn điện di động

Nguồn điện này sẽ cung cấp điện cho các thiết bị tại bắt kỉ nơi đâu Đặc biệt

những nơi không cỏ nguồn điện lưới như vủng sâu vùng xa, hải đảo, trén bien, Cac

ứng dụng nguồn điện di động phải kẻ tới bộ sạc năng lượng mặt trời, cặp năng lượng

mặt trời, áo năng lượng mặt trời, tram điên năng mặt trời di đông

Hình 1 3 Cặp tích hợp năng lượng mặt trời

e Nguồn điện cho tòa nhà

Hình 1 4 Tòa nhà sử đụng pin mặt trời

17

Đây là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng,

vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện không lồ, bằng cách

kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sông sản xuất chung, Nguồn điện cho tòa nhà được chia thanh 2 loại đỏ là nguồn điện mặt trời cục bộ và

nguồn điện mặt trời hỏa lưới điện quốc gia Riêng nguồn điện mặt trời hỏa lưới điện

quốc gia có nhiều tru điểm vả mang lại lợi ích kinh tế cao Sử dụng nguồn điện mặt

trời trong gia đỉnh vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thẻ hiện phong cách sông hiện

đại

d Nhà máy điện mặt trời

Hình 1 5 Nha may pin matt trời

Bang cách kết nỏi nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thẻ tạo ra được tổ hợp

nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thể một nhà máy phát điện Nha máy điện

mặt trời cỏ thê cung cap cho một thành phố, một hỏn đảo Hiện nay số lượng nha máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chẻ, tuy nhiên trong tương lai số lượng nay

sẽ tăng lên khi giá thành của pin mặt trời giảm xuống

1.24 Tắm năng lượng mặt trời

Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PV thường được sử dụng

dưới dạng tổ hợp các cell thành các module, tổ hợp các module thành các panel, tổ

hợp các panel thành array như trên hình 1.6 [3] Trong đó, các nhả sản xuất cung cấp

ra thị trường các sản phẩm được đóng gỏi dưới dạng panel

Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vủng miễn vào các giở trong ngày

là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bẻ mặt trái đất không đều nhau Hiệu suất của

pi phụ thuộc vào các yếu tổ:

~ Chất liệu bán dần làm pm

~ Vị trí đặt tâm pin

~ Thời tiết, khí hậu, mùa trong năm

~ Thời gian trong ngảy: sảng, trưa, chiều tôi

1.2.5 Mô hình toán học của pin mặt trời

a Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Hình 1 7 Sơ đồ tương đương môi cell của PI”

19

Khi được chiều sảng thì pin mặt trời phát ra một dòng quang diện Tạ: vì vay pin

xặt trời cỏ thể xem như một nguồn dòng,

Tuớp tiếp xúc p - n có tính chất chỉnh lưu tương đuợng như một điode D Tuy nhiên khi phân cực ngược, do diện trở tiếp xúc có giới hạn nên văn co một dòng diện

rò qua nó Dặc trưng cho đòng điện rò qua lớp tiếp xúc p - n là điện tr shunt Res

Dũng quang điện chạy trong mạch phải di qua các lớp ban din p va n, các điện

cực, các tiếp xúc, Đặc trưng, cho tổng các điện trở của các lớp đó lá một điện trở

R, mac néi tiệp trong mạch Từ đó, xây dựng được sơ đồ tương đương tống quát của

pin mặt trời như sai

Jn: déng qua diode, [A]

Ip: dong dign bao héa ctia diode, [A]

Thuc té, mét thm pin mặt trời sẽ gồm nhiều tế bào pin mt troi ghép lại Giả sử ghép nỗi tiếp N: tế bảo pím mặt trời và ghép song song Np 1é bao pin mat trời lại với Trhan, tá có phương trình đặc tính T - V tổng quật như sau:

( 1015

GED

Hình 1 9, Mô hình mỗ phóng của pin mất trời

© Đặc nh của pin mặt trời

= Dặc tính - V ly tung cuia pin mit toi

Mô hình lý tưởng được mô tả dưới đây là mỏ hình không xéLới những ảnh hưởng,

cuia Rs va Ren, c6 nghia la Rs = 0 va Ran =

Tĩnh 1 9 Mô lùnh lý huông của pin mặt ười Phương trình đặc tính 1 - V thu được đựa vào phương trình sau

21

Hình 1 10 Đặc tính làm việc cha pin mat roi

Theo hình 1.10 cho thấy quan hệ giữa đòng điện và điện áp và quan hệ giữa công

suất với điện áp là những quan hẻ phi tuyến và các quan hệ này sẽ thay dỗ: khi diễu

kiện thời tiết (bức xạ, nhiệt độ) thay đổi Ứng với mỗi điều kiện thì đặc tính P - V sẽ

tổn tại muội điểm có công suất lớn nhất gợi là MEP, tại đỏ hiệu suất của pm sẽ lớn nhất

s Ảnh hưởng cúa R„ và Ra lên đặc tính Ï - V của pin mặt trời

-_ Ảnh hướng của điện trở R.„ tới dic tink L- V cia pin

Hinh 111 So dé pin méit wei cd Rsx Khi có điện trở Ra, thì dòng điện của pỉn mặt trời cấp cho hị giảm đi một hượng, 'Vn/Ra so với dặc tính lý tưởng, niên đặc lĩnh Ï - V co dang như sau:

‘dong dion

© Ảnh hưởng của cường độ anh sang

~_ Dỏng ngắn mạch I„ tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ

- Do đòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của pm cũng tăng hay

nói cách khác điểm MPP có công suất lớn nhật cũng tăng lên, di chuyển vẻ phía trên khi cường đồ chiều sáng của mặt trời tăng

23

ANH HUONG CUABU XA TO1 PIN WAT TRON

Hình 1 15 Ảnh hưởng của cường độ ảnh sảng

Anh hưởng của nhiệt độ

~_ Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin giảm mạnh, còn dong dién thi ting

it

- Céng suat cia pin mat trời giảm khi nhiệt độ tăng

tone C0A NET 00 TOPO WA RO

24

Kết luận chương Í

'Từ các phân tích trên, ta nhận thấy rằng nguồn năng lượng rnặt trời nẻu biết khai thác và sử dụng hợp lý thì có thể thay thế cho nhiều nguồn năng lượng đang được sử dụng ngày nay Tuy nhiên, dễ có thể sử dụng nguồn diện năng từ ánh sảng mặt trời trong các ứng dung đời sống và công nghiệp cần rất nhiều thiết bị phân cứng cũng uihu phan mém di kém Do đó, các lĩnh vực nghiên cứn liên quan đến pin mắt trời và điện mặt trời đang là lĩnh vực được tập trung nghiên cứu nhiễu trong thời gian gẫn đây,

Một đặc điểm cơ bản của PV là luôn phát đồng điện một chiêu ra mạch ngoài khi

có tải và bửc xạ mặt trời chiếu vào, Môi quan hệ giữa dòng điện ix và điện áp vụ

phát ra từ PV là mỗi quan hệ phi tuyển phức tạp, trong đá công suất phát ra tại mỗi

thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p - tị, cống suất của bức mắt trời

G và mức tiêu thụ của phụ tãi [5] Dồng thời, quả trình chuyển từ trạng thái vận hành

nay sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không bị ảnh hưởng bởi các yến tổ

liên quan đến quản tính

Mặt khác, PV luôn tổn tại một trạng thải vận hành mả công suất phát ra là lớn

nhật tương ứng với mỗi cặp giả trị (Œ,T) Khai thác được lrạng thái vận hành nảy sẽ

giúp khắc phục được nhược điền hiệu suất thấp, giá thành cao của dang nguồn này

Một trong những biện pháp đang được nghiên cửu hiện nay là dịch chuyển điểm vận thành về điểm lầm việt Ong sual cuc dai MPP (Maximum Power Poin!) thông qua

vide duta dign ap vpr vé dign ap Vaure tai MPP, ipv vé dong dign Lvrr tai MPP, dién dan

2 = ig%,v về giá trị điện lỗi ưu (IerepfVuep) hoặc đua công suất tire thoi ppv phat

Ta lừ PV về công suất PMp tại MPP ở thời điểm bất kì, Khi dó, hệ thông khai thic PV được trang bị bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT) với những kỹ thuật khác nhan:

để xáu dịnh thông số tại MPP và sử dụng các kỹ thuật điều khiển dé dua dầu vào của

bộ biến đổi về thông, số tại MPP,

Dai vdi các ứng dung nang long mặt trời quy mồ lớn, đòi hỏi phải ghép nối song,

song và nói tiếp nhiều ccll mặt trời thành các dãy PV, bức xạ mặt trời chiếu dến các celi là không đẳng đều, dẫn đến đường đặc tính của pin thay đổi liên tục và phức tạp

25

Khi dé, hé pin mat trời sẽ có nhiều diém cuc dai dia phuong LMPP (Local Maximum Power Point) vả duy nhất một trong số chúng là điểm cực đại toán cục GMIPP (Global Maximum Power Poiml) Với mong muốn điểm làm việc rơi vào lân cận cửa điểm GMPP thì cân phải phân biệt trạng thái bức xạ dễu và bức xạ không dều, từ đó sử dụng các thuật toán đò ti điểm GMPP phủ hợp Rất nhiều các thuật toán khác nhau

đã dược đưa ra nhằm tìm ra điểm MPP nhanh và chỉnh xác nhất, trong dé thong dung nhất có phương pháp điện dẫn gia tăng (LNC), phương pháp nhiễu loạn và quan sát

(ŒP&O), phương pháp điện áp không đối (CVT)

Trong khuôn khổ luận văn này, tác giả tập trung vào các phương pháp đỏ Lim diém làm việc cực đại trong điều kiện làm việc bửc xạ đều vá bức xạ không đều Chỉ tiết

của các phương pháp được trình bày trong các chương sau

26

CHƯƠNG 2 CÁC PHƯƠNG PHAP TIM BIEM CONG SUAT CUC DAT BA

co

2.1 Phuong pháp điện án không đổi

Phương pháp điện áp không đổi (Constant Voltage, CV) là thuật toán đơn giản nhất

Nguyên lý hoạt động của thuật toán lá liên tục theo dỗi điện áp đầu ra của dàn pin

PV, so sinh với điện áp cổ định Vụ đã được định sẵn Giá trị Và chính là giá trị điện

ap lai MPP, thường xếp xỉ bằng 0,78 lần giá trị Vọc (Taficht, 2008) T.ưu để thuật

làm việc tại gần diém MPP Uu diém cia phuong pháp là thực hiện đơn gian, dn dinh

và có thể nhanh chóng đưa hệ PV đến gần điểm MP Nhưng nhược điểm của phương,

pháp là khi điều kiện môi trường thay đổi đột ngột thì tính chính xác không cao, hiệu

quá diều khiển thấp

2.1 Phương pháp đo điện áp hở mạch

Su dụng một phẩn tử đóng cắt theo clau kì mắc nối tiếp với PV và một cảm biển

đo điện áp đề đo giá trị điện áp hở mạch (Voc) tai thai điểm xét Cứ 30s một lan do

điện áp hở mạch Vọc của các pím mặt trời bằng cách lách pín ra khỏi mạch trong, khoảng thời gian ngắn Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chính lên k

Việc chọn một giá trị tối ưa cho hằng số k là khác nhau, tuy nhiên các giá trị cho tham

số này nằm trong khoảng từ 0,73 den 0,80

Giả thiết này có dộ chính xác vừa phải trong những trường hop đòng ngắn mạch

PV và nhiệt độ có phạm vi thay đổi rộng lằng cách đo điện áp hở mạch, một điện

áp điều khiển có thể đượp tạo ra điều khiến dién ap eta médun quang điện đến điểm

công suất cực đại

‘Mie di đễ thục hiện và chỉ phí thấp, tuy nhiên nhược điểm là phải đo điện áp hở

xmạch cửa tắm pin đẫn đến việc mỗi lin muén xác định giá trị đặt thì phải ngất tâm

pin ra khỏi hệ thống, điều nay có thể căn trỡ hoạt động, của mạch va sẽ gây tốn thất

điện năng Dộ chính xác không cao cũng là một điểm yếu của phương pháp này

2.3 Phương pháp nhiễu loạn và quan sắt (P&:O)

"Phương pháp điều khiển giản tiếp thông qua điện áp tham chiếu V.„

28

Thuat toan P&O hay cỏn gọi là thuật toán leo đôi, được sử dụng rộng rãi trong thực

tế bởi tỉnh đơn giản của thuật toán vả dễ đảng thực hiện Trong thuật toán nảy thì

điểm làm việc của PV được nhiều loạn một gia số nhỏ AV, kết quả làm thay đổi công suất AP được quan sát [8] Hình 2.2 mô tả câu trúc điều khiên MPPT theo phương,

pháp P&O nhiều loạn điện áp tham chiều

~ Nếu điểm làm việc di chuyển theo hướng 1 (AP < 0, AV < 0) va hướng 2 (AP > 0

và AV > 0) thì cần tăng điện áp lảm việc lên đề hệ tiền tới điểm MPP

- Néu điểm làm việc di chuyên theo hướng 3 (AP > 0, AV < 0) va hưởng 4 (AP < 0

va AV > 0) thì cần giảm điện áp làm việc đi đẻ hệ tiền tới điểm MPP

Từ đó ta có lưu đồ thuật toán P&O như trên hình 2.4

«e Giải thích thuật toán:

29

“Thuật toán sẽ đo giá trị Tứ), V(k) dé tính PŒc), AP(Œk), AVŒ), sau dở thực hiện kiểm tra AP (k).AVŒ)}

PORT A—-P0)-Pũk-1)

Hình 2 4 Luu dễ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiéu Prep

- Nếu ÁP Œ).AV(k) > 0 ta sẽ thực hiện tăng: giá trị Vụf

- Nếu ÁP (c).AV(k) < 0 ta sẽ thực hiện giảm Veer

Sau đó sẽ thực hiện thay giả tri moi cho P, V va do thông số I, V cho chu ki lam việc

tiếp theo

« Tu điểm của phương pháp này là thuật toán đơn giản, thực hiện để dâng,

« Nhược điểm: Theo lưu để trên ta thấy thuật toán P&O phụ thuộc tắt lớn vào

ang không đối giải thuật

thời gián lấy ruấu so sánh Trong trường hợp cường độ chiếu

P&O hoạt động rất tốt khi truy tìm didn eye dại Tuy nhiên, kli cường, dộ chiếu sảng thay đối thuật toán P4&O sẽ sai bởi vì hệ MPPT không hiếu được công suất tăng đo thay đổi cường độ chiến sảng chử không phải do sự đao động điện áp khi làm việc, Kết quá là thuật toán sẽ giảm điện áp hoặc tăng điện áp liên tục do nhận thấy công suất

đu lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu

2.4 Phương pháp diện dẫn gìa tăng INC

Là phương pháp sử đụng tổng điện đẫn gia tăng của day pin mặt trời để đỏ tìm điểm công suất tôi ưu [7]

30

Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điềm:

~_ Độ đốc của đường cong céng suat bang 0 tai diem MPP

- D6 déc duong nim bén trai diém MPP

~ Độ đốc âm nằm bên phải điểm MPP

Đặc tỉnh P - V và thuật toán INC được minh họa trên hình 2.5

Các giá trị đồng diện và điện áp của PV dược do và sau đó sử dụng các giả trị tức thời và giá trị trước đó để tính toàn các giả trị gia tăng AI và AV Thuật toán sẽ

kiểm tra điều kiện của phương trình ở hình 2.6

Think 2 6 Laas dé thudt todn INC dién khién thang qua dién dp thant chidu Voy

- Néu diém lam viée nim phia bên trái diém MPP thi phải đi chuyển nó sang bên

phải bằng cách tăng điện áp của pìm

- Nếu điểm lam việc nằm phía bên phải điểm MPP thì phái di chuyển nó sang bên trái bằng cách giảm điện áp của pin

~ Khi điều kiện AVAV -1/V được thôa mãn (chính là các điểm MEP) thủ thuật toàn

sẽ bỏ qua việc điều chính điện áp

« _ Một kiểm tra quan trọng của thuật toàn nảy là phát hiện diều kiện của mỗi trường Nếu điểm Jam việc vẫn ở điểm MPP (điền kiện AV= Œ) và điều kiện bức xạ

không thay đôi (AI 0) tủ sẽ không phải điều chính diện áp,

- Xếu bức xạ tăng (AI > 0) thi điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện

áp hoạt déng dé theo dai diém MPP.

~ Nếu bite xa giảm (AI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp hoạt động đề theo dõi điểm MPP

~ Vào chu kì cuối, nó sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu các giả trị điện áp và dòng điên hiện tại và sẽ sử dụng chúng như là các giá trị trước đỏ cho chu ki tiếp theo,

© Uu diem: cho két qua tot khi thời tiết thay đổi nhanh, cho dao động nhỏ hơn

quanh điểm làm việc

¢ Nhuge điểm: lả phương pháp đựa vảo điện áp, đỏng điện vả công suất đầu ra của tắm pin đề dỏ tìm điểm công suất cực đại Khi tìm được điểm công suất cực đại

ứng với mỗi điều kiện môi trường thì sẽ dừng lại đề hệ thống hoạt động tại điểm này

Tuy cỏ độ chính xác rất cao nhưng bủ lại phải thực hiện khỏi lượng tính toán lớn

2.5 Phương pháp điều khiển logic mờ

Phương pháp quan sát và nhiễu loạn (PO) vả phương pháp TNC đều có nhược điểm

là điện áp tham chiều V„« thay đôi tăng hay giảm với giá trị không đổi dẫn đến việc

gay ra dao động khi hệ ở trạng thải ôn định vả khi thay đổi thời tiết nhanh thi thuật toán thích ứng chậm hơn Phương pháp điều khiển logie mở [2] giúp thay đôi linh

hoạt giá trị Vạr giúp cho hệ thông bớt đao động khi ồn định cũng như nhanh tiên về

vị trí điểm cực đại

Bộ điều khiển logic mờ FLC (Fuzzy Logie Controller) được sử dụng đề theo dõi

điểm MPP của hệ thông PV Bộ điều khiển logic mờ (FLC) làm việc với hiệu suất

cao, chắc chắn vả thiết kế đơn giản Ngoài ra kỹ thuật FLC còn cho phép làm việc với đầu vào không chỉnh xác, không cân một mô hình toán học chính xác vả nó có thể xử lý phi tuyến

Quả trình xử lý bao gém mo hoa cac gia tri dau vao (Fuzzification); xây dựng các

quy tie diéu khien mé (rules); suy dién m6 (inference), gidi mo (defuzzification);

IV(k-1), I(k-1) P(k-1

E09, CE(k) Dữ liệu cơ bản

Mở hóa Ngõ vão hám thành viên

(Input membership functions)

Đánh giá quy tắc

(Rule evaluation)

Giải mờ | NGồ ía hàm thành viên

(Detuzzification) 1 (input membership functions)

¡ thuật thuật toán FLC

Hai biển đầu vào là sai số E và sự thay đôi của sai số CE tại k lần lẫy mâu xác định

Pøm(k): công suất tại điểm lấy mẫu của PV

Vouk): dién ap tai diem lây mâu của PV

Những biến đâu vào được lựa chon đề các gia tri tie thoi ctia E(k) cho thay điểm công suất tức thời đang nằm bên phải hay bên trái của MPP

34

Nếu E(k) > 0 thi diém làm việc tức thời dang nằm ở phía bên trải so với điểm MPP

và nếu HE) < 0 thì ngược lại

Trong khi CEŒ&) thê h

m hướng di chuyển của thời điểm hoại động, nghĩa là nếu CH(k)>0 thi diém fam việc có xu hướng tiền gần vẻ diễm MPP, còn nêu CE(k)< 0 thi ngược lại Các biến đầu ra là điều chế độ rộng xưng (PWM) tín hiệu được gọi là D

- Mờ ha các giả trị dầu vào và đầu ra (Fuzz4ifcatien)

Logie mo (Fuzzy logic} sit dung các biến ngôn ngữ thay vi các biển số, Trong một:

hệ thống điều khiến, sai số giữa các tín hiệu tham chiếu và tin hiệu đầu vào có thế

được chỉ định

- Luật điều khiến mờ:

Fuzzy logic str ding cac biến ngôn ngĩt thay vì cáo biển số Trong một hệ thắng,

điều khiển, sai số giữa các tín hiệu tham chiều và tín hiệu đầu ra có thể được chỉ định

là âm nhiéu (NB: negative big), am it (NS: negativve small), bang không (Z1: zero),

duong it (PS: positive small) va diong nhiéu (PB: positive big) Mai gid trị ngôn

ngit nay được mỏ tả bằng một tập mở có hàm thuộc dược chụn Năm giả tri ngôn ngít

được sử dụng chung chơ các biển vào và biến ra

RE Tế ZE BS 3 4.0

oa a8 s4

?S: Ponilve Small, PB: Positive Bia

Tình 2 9 Tàm thành viên của biển đầu vào và đầu ra

Mue dich của luật điều khiển là xác định điểm làm việc MPP bái kế nhiệt độ và cường bộ bức xe thay dỗi Suy luận mờ sử dụng phương pháp Marmadani và dựa vào luật hợp thành md, dé đàng xây đựng quy tắc điều khiển như trang bảng 2.1

Để thực hiện hệ thông FLC, một người can co da kinh nghiệm hơn là kiến thức

kỹ thuật chính xác của mỏ hình, vì việc quyết dịnh quy tắc và phạm vị của các ham thành viên lá phần quan trong,

Đođện V Analog | Đơn Thấp | Không yêu cầu | Độ chính xac thap,

INC VỊ Diglal | Pluie tap Cao | Kết quả tốt khi | Thục hiện phúc lạp

thời thiết thay

đối

P&O VI Ca2 | Trung Trung | Dẻfimtốt Dao động xung

TLC VI Digital | Pinte tap Cao | Phản hổi tôi và | Thực hiện phức lấp,

hop

Bảng 22 So sánh các phương pháp tầm AẠPP mong điều kiện búc xa đếu

Đăng 2.2 sơ sảnh một số phương pháp dỏ tìn MPPT dựa trên các tính năng như đệ

'phức tạp của việc thực hiện, loại mạch, chỉ phi, ưu điểm, nhược điểm, Mô tả ngắn