Nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời

Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời và cấu hình bộ chuyển đổi NL cho hệ thống cánh đồng pin mặt trời xét trong điều khiện bị bóng che.. Vỳ vậy, dò tìm điểm l

ii

Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tp H ồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013

(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Trần Tấn Nguyện

iii

L I C M N

Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập và nghiên cứu cũng là luận văn đánh dấu cuối cùng trong quá trình học cao học Để có được thành quả hôm nay, em xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đối với Nhà trường, Thầy Cô, Gia đình và bạn bè, những người luôn cố gắng tạo mọi điều kiện để em có được những kết quả tốt nhất trong học tập

Riêng đối với luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với thầy

Tr ơng Vi t Anh giáo viên giảng dạy và hướng dẫn Thầy đã tận tình giảng dạy chỉ

bảo và hướng dẫn cho em, cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi giúp em vượt qua được rất nhiều trở ngại trong suốt quá trình nghiên cứu Em xin chân thành cảm ơn thầy!

Cuối cùng, xin cảm ơn tất cả các bạn, những người đã đồng hành cùng em trong suốt khoá học và trong quá trình thực hiện chuyên đề này

Học viên thực thực hiện

Trần tấn Nguyện

iv

Trong điều kiện thay đổi của môi trường, làm cho đặc tuyến PV của pin mặt trời thay đổi Có nhiều bộ chuyển đổi năng lượng đã được đề xuất từ các nghiên cứu của các tác giả khác nhau bao gồm giải thuật tìm điểm MPP Nhưng có ít tác giả xét đặc tuyến PV trong điều kiện bị bóng che bức xạ Luận văn này tập trung nghiên cứu và

cải thiện bộ chuyển đổi năng khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng che

Luận văn trình bày phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời và cấu hình

bộ chuyển đổi NL cho hệ thống cánh đồng pin mặt trời xét trong điều khiện bị bóng che Cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất chia cánh đồng pin ra thành nhiều phần

tử pin nhỏ, mỗi phần tử là một tấm pin, mỗi phần từ này được trang bị một bộ DC/DC riêng, và được ghép song song lại với nhau trên bus voltage Bộ MPPT dò từ 0 đến 100%, trong quá trình dò sẽ lưu lại điểm có công suất lớn nhất, khi dò xong sẽ xuất điểm có công suất lớn nhất này ra làm việc

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này truyền công suất ra lưới lớn hơn so với cấu hình một bộ chuyển đổi NL dùng chung cho cả cánh đồng pin

Giải thuật MPPT cũng khắc phục được nhược điểm dò sai tại điểm cực trị địa phương khi cánh đồng pin bị bóng che

iv

In the changing conditions of the environment, PV characteristics of solar are changed Energy converters has been proposed from studies of different authors including algorithm maximum power point tracking But few authors consider the PV characteristics under partially shaded insolation conditions This thesis focus research and improve energy converters for solar fields under partially shaded insolation conditions

This thesis presents the algorithm to maximum power point tracking and energy converter configuation for solar fields under partially shaded insolation conditions Solar fields are divided into several small elements for Energy converter configuation that is proposed, each element is a solar panel, each of which is equipped with a saperated DC/DC, and is installed together on the bus voltage parallelly The MPPT set tracks from 0 to 100%, in the tracking process, it will save the maximum power point, when completing the track process, the maximum power point will be output for working

Simulation and experimental results shows that this configuration transmits output power that is larger than configuration of energy converter used for whole the fields MPPT algorithm can overcome disadvantages of error detecting at the local maximum power point when solar fields is under shaded insolation conditions

v

M C L C

Quyết định giao đề tài

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên

ch ơng 2 C S Lụ THUYẾT

2.4 Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến 20

3.2.2 Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2) 32

3.3.2 Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất 37

Ch ơng 4 KẾT QU MÔ PH NG

vi

P&O (Perturb and Observe)

INC (Incremental Conductance)

NL: Năng lượng

CĐNL: chuyển đổi năng lượng

MPP: Maximum power point (điểm có công suất lớn nhất)

MPPPT: Maximum power point tracking (dò tìm điểm có công suất lớn nhất) DC/DC: Direct Curent/ Direct Curent

vii

Hình 2.12: Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 17

Hình 2.13: Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi 17

Hình 2.15: Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời 19

Hình 2.16: Tỷ lệ phần trăm của VMPP và VOC như chức năng của nhiệt độ và bức xạ 20

Hình 2.18: Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ 22

vii

Hình 2.23: đặc tuyến P-V tương ứng với bức xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2

của hai dãy pin trong cánh đồng pin gồn 2 dãy pin song song, mỗi dãy có 6 pin

ghép nối tiếp (100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che 27

Hình 2.24: Đặc tuyến P-V tổng của hai dãy pin trong hình 2.23 27

Hình 3.2: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho toàn cánh đồng pin mặt trời 30

Hình 3.3: Lưu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hưởng của bóng che 31

Hình 3.4: Lưu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất 33

Hình 3.5: Mô hình 1 cell pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink 34

Hình 3.6: Mô hình bên trong 1 tấm pin mặt trời được ghép từ 108 cell pin

Hình 3.8: Bảng thông số đầu vào của 1 cột gồm 36 cell nối tiếp trong pin mặt trời 35

Hình 3.9: Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau, có 3 tấm pin bi bóng

che (Nhiệt độ pin 25oC, trục y hình bên trái là dòng điện A, trục y hình bên

Hình 3.10: Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau, có 3 tấm

pin bi bóng che (bức xạ 1kW/m2

Hình 3.12: Cách ghép các pin theo cấu hình được đề xuất trong thực tế 38

vii

Hình 4.1: Cấu hình cánh đồng pin NLMT sử dụng 1 bộ DC/DC chung 43

Hình 4.3: Bức xạ mặt trời thay đổi t ừ 0.5 lên 1 kW/m 2

47

Hình 4.4:Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi NL chung 48

Hình 4.5: (a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng 1 bộ DC/DC cho toàn

Hình 4.6: (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 1 bộ DC/DC 1

Hình 4.8: Bức xạ mặt trời thay đổi t ừ 0.5 lên 1 kW/m 2

52

Hình 4.9: (a) Công suất, (b) điện áp pin, khi sử dụng cấu hình 1 Trong

trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị

Hình 4.10: (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng cấu hình 2 Trong

trường hợp các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị

Hình 4.11: Công suất thu được từ 2 cấu hình khác nhau Trong trường hợp

các pin bị che bức xạ chỉ giảm đi ½ lần sơ với các tấm không bị che 54

vii

Hình 5.13: Công suất PV thu được từ 13h30 đến 15h30‟ ngày 10/02/2013 68

Hình 5.16: Đặc tuyến P-V mô phỏng khi ghép 2 tấm pin 80W và 15W làm

việc song song tưng ứng với bức xạ 0.25 0.5 0.75 và 1 kW/m2 Trong đó tấm

viii

B ng 3.1: Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 100 tại 1 kW/m2

, 25 oC 35

B ng 5.1: K ết quả điện áp hở mạch pin khi bóng che, thông số pin hình 5.3 gồm 36 cell nối tiếp 67

Năng lượng mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát

ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016tấn than đá tiêu chu n Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một phần năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57 1016 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá

Hình 1.1 Quang phổ mặt trời ngoài khí quyển trái đất

Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

2

Hình 1.1 Trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấy được có bước sóng 0,4µm đến gần 0,8µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Bảng 1.1: Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng

6,978.1056,978.1077,864.1062,122.1018,073.101

0,57 1,55 5,90

Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,52 µm

0,52 ÷ 0,62 µm 0,62 ÷ 0,78 µm

2,24.1021,827.1022,280.102

16,39 13,36 16,68 Tia hồng ngoại 0,78 ÷1,4 µm

1,4 ÷3 µm

3 ÷100 µm

4,125.102 1,836.102 2,637.101

30,18 13,43 1,93 Sóng vô tuyến

Tuy nhiên, quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dài khoảng 7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và các đám mây Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó

để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể

bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và

có giá trị 1353 W/m2

Việt Nam, Vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo

vô cùng lớn, đặc biệt là năng lượng mặt trời Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, năng

lượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày

3

Hình 1.3 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011

Hình 1.4 Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009

Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh

mẽ do bởi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra

đã tăng 20% - 25% so với 20 năm qua do bởi các yếu tố sau:

- Hiệu suất phát điện của pin mặt trời ngày càng được cải thiện

- Cải tiến trong công nghệ sản xuất pin

- Giá thành giảm

Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại giá thành pin mặt trời còn khá cao Công suất phát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, nhiệt độ và điều kiện thời tiết Đặc tính PV và VI của pin mặt trời lại không tuyến tính, trên đường đặc tuyến

đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP) mà ở đó công suất phát ra của pin mặt trời là lớn nhất Nhưng điểm này không phải là hằng số, chúng luôn thay đổi theo nhiệt độ và bức xạ Vỳ vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT) phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng cao hiệu suất của pin mặt trời

Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời nối lưới Chủ yếu về các lĩnh vực như:

n định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6]

Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm công suất cực đại [16-26]

Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống năng lượng mặt trời [4-15]

Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13]

Comparative Study of Maximum Power Point Tracking Algorithms [24]

có xét đến ảnh hưởng của bóng Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện

môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin năng lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cách đồng pin Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời nói riêng Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển toàn

bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại của pin mặt trời

Có rất nhiều bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được nghiên cứu và công bố Các bộ chuyển đổi năng lượng này khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức

độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và giá thành Đề tài sẽ nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời Mục đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất bộ chuyển đổi năng lượng kết hợp với phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp, có khả năng dò được điểm làm việc tối ưu của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời

6

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

- Xây dựng mô hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng của bóng che, phân tích

các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường

- Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp

MPPT xét đến ảnh hưởng của bóng che

- Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời

- Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che

- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt

trời, bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại cho cánh đồng pin

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời Đề nghị mô hình tính

toán cụ thể

- Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT kết hợp

với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC

- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề

tài

Hình 2.1 Mạch điện tương đương của pin mặt trời Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức sau:

= − � � �+

− 1 −� + (2.1) Trong đó:

Iph: dòng quang điện (A)

Is: dòng bão hòa (A)

q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C

8

k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K

Tc: nhiệt độ vận hành của pin (K)

A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…

Si-Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:

= + 1(� − � �) � (2.2) Trong đó:

Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chu n 250C (A) và bức xạ 1kW/m2

K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0

C)

Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)

TRef : Nhiệt độ tiêu chu n của pin mặt trời (K)

λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2

)

Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra

do kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ

Trong đó:

IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chu n (A)

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán d n

Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5

V Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song

để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 2.3:

Hình 2.3 Mô đun pin mặt trời

10

Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:

= − �� � − 1 (2.6) Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT)

Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau:

Hình 2.4: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau

áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải

2.2.1 B chuy n đ i DC/DC boost converter

Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp Bộ biến đổi này phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của cuộn dây

12

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch boost Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây Không có dòng điện chạy qua điốt D

và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C

Hình 2.7 Mạch điện khi S đóng

Hình 2.8 Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng

13

Khi đó:

� =� = � �� (2.8) Suy ra:

��

=�

� (2.9) Mặt khác:

� (2.15) Năng lượng lưu trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ

2.2.2 B chuy n đ i DC/DC buck converter

Hình 2.11 cho thấy cấu hình cơ bản của một bộ chuyển đổi buck Một số bộ chuyển đổi có diode thay thế bằng một công tắc thứ hai được tích hợp vào bộ chuyển đổi

Hình 2.11 Cấu hình mạch buck

15

=� × �

� ( � ) (2.19)

VIN(min)= điện áp ngõ vào nhỏ nhất

VOUT= điện áp ngõ ra mong muốn

ƞ = Hiệu suất mạch, ước tính 90%

Năng lượng trong cuộn cảm

∆ � = 1−(� � − Vout) ×

� × � (2.20)

VIN(min)= điện áp ngõ vào nhỏ nhất

D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19

fs= tần số đóng cắt của công tắc trong mạch

L = giá trị lựa chọn cuộn cảm

ΔIL= năng lượng trong cuộn cảm được tính trong công thức 2.20

D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19

Nếu giá trị tính là hơn dòng điện ngõ ra cực đại của ứng dụng, dòng điện cực đại qua công tắc trong hệ thống được tính toán:

16

(max ) =∆�

2 + �( �� ) (2.22)

IOUT(max)= dòng điện ngõ ra cần thiết cho ứng dụng

Đây là dòng điện đỉnh, cuộn cảm, các công tắc tích hợp và diode bên ngoài phải bền

Đối với các bộ phận mà không có phạm vi điện cảm được đưa ra, các công thức sau đây là một ước lượng tốt cho điện cảm:

� =� � × � − � �

∆ � × � × � (2.23)

VIN = điện áp ngõ vào

VOUT = điện áp mong muốn ngõ ra

fs= tần số đóng cắt nhỏ nhất của công tắc trong mạch

ΔIL= năng lượng trong cuộn cảm, được giải thích như sau

ớc tính cho sóng dòng điện trong cuộn cảm là từ 20% đến 40% của dòng điện ngõ ra

∆ � = 0.2 đến 0.4 × �( �� )

ΔIL = sóng dòng điện ước tính cho cuộn cảm

IOUT(max)= dòng điện ngõ ra cực đại cần thiết trong ứng dụng

Hình 2.13 Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi

Hình 2.14 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu Hầu hết các bộ CĐNL hiện nay gồm có ba phần cơ bản: bộ chuyển đổi DC-DC, bộ phận đo lường

và bộ phận điều khiển (bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển chính là bộ MPPT)

Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:

� =�

(2.25) Trong đó, VMPP, IMPP là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời tại điểm tối ưu

Khi giá trị RLOAD bằng với ROPT, công suất cực đại sẽ được truyền từ pin mặt trời đến tải Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau Mục đích của bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với tổng trở tối ưu của pin mặt trời

Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) được phục vụ cho việc truyền công suất từ pin mặt trời tới tải Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tải và pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất cực đại được cung cấp cho tải

Hình 2.14 Sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu Giả sử, đối với mạch giảm áp DC/DC (Buck converter), ta có:

VOUT=D.VIN (2.26) Trong đó, VOUTlà điện áp đầu ra, VINđiện áp đầu vào, khi đó:

19

ROUT = D RIN (2.27) (ROUT là tổng trở đầu ra, RIN tổng trở đầu vào nhìn từ phía nguồn)

RIN = ROUT/D2 (2.28)

Vì vậy, tổng trở ROUT được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung, khi đó RINnhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi

Hình 2.15 Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời

Hay đối với mạch tăng áp (Boost converter), mối quan hệ giữa điện áp đầu vào

và đầu ra được miêu tả như sau:

� = 1 − � � (2.29) Giả sử, không có công suất tổn hao, ta có:

= 1 − 2

� (2.32)

VOC, làhằng số, nói cách khác:

�

� ≅ < 1 (2.33) Các thuật toán điện áp không đổi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng sơ

đồ thể hiện trong hình 2.17 Bộ bin mặt trời tạm thời bị cô lập từ MPPT, và được thực hiện một phép đo VOC Tiếp theo, MPPT tính toán điểm hoạt động chính xác bằng cách sử dụng phương trình (2.33) và giá trị cho những thiết lập của K, và điều chỉnh điện áp của bin cho đến khi được tính VMPP đạt Hoạt động này được lặp đi lặp lại theo định kỳ để theo dõi vị trí của MPP

Mặc dù phương pháp này là cực kỳ đơn giản, nó là khó khăn để chọn giá trị tối

ưu của K liên tục Các tài liệu báo cáo thành công với giá trị K khác nhau, 73-80%, Hình 2.16 cho thấy các giá trị K thực tế cần thiết cho một mảng PV trên một phạm

vi nhiệt độ 0-600C và mức độ bức xạ từ 200 đến 1000 W/m2

21

Hình 2.16 Tỷ lệ phần trăm của VMPP và VOCnhư chức năng của nhiệt độ và bức xạ

Hình 2.17 Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi Điều khiển điện áp không đổi có thể được thực hiện dễ dàng với phần cứng tương tự Tuy nhiên, MPPT theo dõi hiệu quả của nó là thấp so với các thuật toán khác Lý do cho điều này bao gồm các lỗi nói trên trong các giá trị của K, và thực tế

là đo điện áp mạch mở đòi hỏi một sự cắt nguồn bin tạm thời Nó có thể tự động điều chỉnh giá trị của K, nhưng đòi hỏi phải có một thuật toán tìm kiếm và về cơ

bản kết thúc lên được giống như P&O

2.4.2 Ph ơng pháp P&O (Perturb and Observe)

Những lợi thế của thuật toán này, đơn giản và dễ thực hiện Tuy nhiên, P&O

có những hạn chế làm giảm hiệu quả MPPT của nó Một nhược điểm cơ bản của P&O là nó không thể xác định khi nó đã thực sự đạt đến MPP Thay vào đó, nó dao

sẽ di chuyển từ A đến D Như đã thấy trong hình 2.18, kết quả này trong một ΔP dương, và MPPT sẽ tiếp tục gây nhiễu trong cùng một hướng, hướng tới điểm F Nếu bức xạ v n còn tăng nhanh , các đường cong điện PV sẽ di chuyển đến G trên đường cong 3 thay vì F trên đường cong 2 Một lần nữa các MPPT sẽ thấy một ΔP dương và sẽ giả định nó là di chuyển theo hướng MPP các , tiếp tục để lo nga ̣i cho điểm I Từ điểm A đến D đến G đến I các MPPT là liên tục di chuyển đi từ MPP, làm giảm hiệu quả của các thuật toán P&O

Hình 2.18 Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ

23

Hình 2.19 Lưu đồ giải thuật P&O

2.4.3 Ph ơng pháp INC (Incremental Conductance)

Phương pháp InC (Incremental Conductance) dựa trên đạo hàm P-V của đường cong PV có thể được miêu tả như sau:

Start

Đo V(k), I(k) P(k) = V(k) x I(k)

Delay P(k)&I(k) by k-1 instant

Giảm D (giảm

độ rộng xung)

Tăng D (tăng độ rộng xung)

24

Hình 2.20 Độ dốc (dP/dV) của PV

Ta có:

dP/dV = 0, tại điểm cực đại MPP của PV

dP/dV > 0, bên trái điểm MPP

dP/dV < 0, bên phải điểm MPP

Ta có thể biểu diễn như sau:

dI/dV = - I/V, tại điểm MPP

dI/dV > -I/V, bên trái điểm MPP

dI/dV < -I/V, bên phải điểm MPP

Điểm cực đại được tìm bằng cách so sánh giá trị tức thời I/V với sai số dI/dV, theo giải thuật sau:

và điện áp khoảng 0.5 V Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có

Np nhánh song song và Nspin nối tiếp được mô tả như hình 2.3:

Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:

Dòng điện của 1 nhánh:

�1

� � − 1 (2.35) Dòng điện của n nhánh:

26

= − �� � − 1 (2.36) Dòng điện của tấm pin làm việc bình thường

� = 1 + 2 + 3 +⋯ + (2.37) Công suất của pin lúc này

� = 1 + 2 + 3 +⋯ + (2.38)

� = 1 × 1 + 2 × 2 + 3 × 3 +⋯ + × (2.38)

Giả thiết rằng: có k phần tử bị bóng che 1 phần

Hình 2.22 Mô đun pin mặt trời khi bị bóng che một phần

Nnhững nhánh pin không bị bóng che lúc hở mạch điện áp bằng V, còn các

nhánh pin bị bóng che lúc hở mạch điện áp bằng V1, lúc này V > V1 Khi tấm pin

này làm việc điện áp làm việc hiện tại V2 Nếu V1<V2<V lúc này các dãy pin bị

Vùng pin

bị bóng

(100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che

Hình 2.24 Đặc tuyến P-V tổng của hai dãy pin trong hình 2.23

Đặc tuyến P-V của nhánh pin không bị

Đặc tuyến P-V của nhánh pin bị bóng che

28

Từ hình 2.23 công suất lớn nhất mà cánh đồng pin này phát ra được chính là điểm MPP tại các đỉnh đặc tuyến P-V của toàn cánh đồng pin Tại các đỉnh này chính là tổng công suất của 2 dãy pin, tại điểm MPP này, khi xét đến vùng làm việc của từng dãy pin, thì dãy pin bị bóng che đang làm việc đúng điểm MPP của chúng, còn dãy pin không bị bóng che đang làm việc bến trái điểm MPP hay là đang làm việc quá vùng cực đại của chúng

Hình 2.25 Cánh đồng pin mặt trời trong thực tế