Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC DC, DC AC

Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện : - Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ để t p trun

Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài

Lý lịch cá nhân i

Lời cam đoan ii

Cảm tạ iii

Tóm t t iv

Mục lục vii

Danh sách các chữ viết t t x

Danh sách các hình xi

Danh sách các bảng xv

Chươngă1.ăT NGăQUAN 1 1.1 Tính cần thiết của đề tài 1

1.2 Pin quang điện (PV) 2

1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc l p 5

1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng 6

1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV 6

1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan 10

1.5 Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học 11

1.6 Nhiệm vụ của lu n văn 12

1.7 Phạm vi nghiên cứu 12

1.8 Phương pháp nghiên cứu 12

1.9 Giá trị thực tiễn của đề tài 13

Chươngă2.C ăS ăLụăTHUY T 14 2.1 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động 14

2.1.1 Cấu tạo 14

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 14

2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 20

2.2.1.1 Các loại bộ biến đổi DC/DC 21

2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 26

2.2.2 Bộ biến đổi DC/AC 27

2.3 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 28

2.3.1 Giới thiệu chung 28

2.3.2 Nguyên lý cân bằng tải 30

2.3.3 Thu t toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 31

2.3.3.1 Thu t toán nhiễu loạn và quan sát P&O 32

2.3.3.2 Thu t toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 33

2.3.4 Phương pháp điều khiển MPPT 34

2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp 34

2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 35

2.3.5 Giới hạn của MPPT 37

2.4 Bộ lưu giữ năng lượng 37

2.4.1 Các loại c quy 38

2.4.1.1 c quy chì ậ axit 38

2.4.1.2 c quy kiềm 39

2.4.2 Các đặc tính của c quy 39

2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu là C) 39

2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất 39

2.4.2.3 Điện áp hở mạch 40

2.4.3 Chếđộ làm việc của c quy (xét c quy chì - axit) 40

2.4.3.1 Nạp c quy 40

2.4.3.2 c quy phóng 40

2.4.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp c quy 41

2.4.4.1 Nạp với dòng không đổi 41

Chươngă3.ăPH NGăPHÁP 43

DọăTÌMăĐI MăCỌNGăSU TăC AăĐ Iă(MPPT)

3.1 Điểm công suất cực đại 43

3.2 Giải thu t P&O (Perturb & Observe) 45

3.2.1 Lưu đồ giải thu t P&O 47

3.2.2 Mô phỏng giải thu t P&O bằng Matlab 47

3.2.3 Nhược điểm của giải thu t P&O 48

3.3 Giải thu t P&O cải tiến 50

3.3.1 Lưu đồ giải thu t P&O cải tiến 52

3.3.2 Mô phỏng giải thu t P&O cải tiến bằng Matlab 53

3.4 Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch 54

3.4.1 Lưu đồ giải thu t điều khiển điện áp hở mạch 55

3.4.2 Mô phỏng giải thu t điều khiển điện áp hở mạch 56

3.5 Phương pháp tăng tổng dẫn 58

3.5.1 Lưu đồ giải thu t tăng tổng dẫn 59

3.5.2 Mô phỏng giải thu t tăng tổng dẫn 61

3.6 Nh n xét chung 62

3.6.1 u điểm 62

3.6.2 Khuyết điểm 62

3.6.2.1 Đối với giải thu t P&O cải tiến 62

3.6.2.2 Đối với thu t toán điều khiển điện áp hở mạch 63

3.6.2.3 Đối với thu t toán tăng tổng dẫn 63

Chươngă4.ăB ăCHUY NăĐ IăNĔNGăL NG 64 T ăDCăậ DC, DC ậ ACăK TăH PăMPPT 4.1 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC kết hợp MPPT 64

4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của MPPT 68

4.1.2.2 Mô phỏng MPPT và kết quả 71

4.2 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ AC 72

4.2.1 Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM 72

4.2.2 Bộ nghịch lưu áp một pha 74

4.2.2.1 Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu 75

4.2.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu áp một pha 78

4.2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha 79

4.2.3.1 Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha 80

4.2.4 Mô phỏng theo phương pháp P&O 82

4.2.5 Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn 83

4.2.6 Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch 85

4.2.7 Nh n xét chung 86

Chươngă5.ăK TăLU N 88 5.1 Kết lu n 88

5.2 Hướng phát triển của đề tài 88

T ÀIăLI UăTHAMăKH O 90

PH ăL Că 92

GP : ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất

Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất

MPP : ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu

HÌNH TRANG

Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V ậ I của pin mặt trời 2

Hình 1.3: M c nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay 3

kết nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn

Hình 1.4: Khi m c nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ng n mạch của hệ 4

thống sẽ bằng dòng ng n mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống

Hình 1.5: Khi m c song song các tấm pin mặt trời, dòng ng n mạch của 4

hệ thống sẽ bằng tổng dòng ng n mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong

hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm

Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc l p 5

Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 7

Hình 1.8: Đường cong đặc tính I ậ V và P - V hệ thống pin mặt trời 8

Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I ậ V và đặc tính tải khi cường 9

độ bức xạ thay đổi

Hình 1.10: (a) mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I ậ V.(c) đặc tính P ậ V 9

Hình 1.11: Đường cong đặc tính P ậ V thay đổi khi dãy PV bị bóng che 10

Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13 Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2 14

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 16

Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V ậ I của pin mặt trời 17

Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời 18

phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời

Hình 2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 19

Hình 2.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 21

Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu 26

Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge 27

Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge 27

Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được m c trực tiếp với một tải thuần trở 28

có thể thay đổi giá trị điện trở được

Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị 28

điện trở thay đổi được

Hình 2.23: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D 30

Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I ậ V của pin khi cường độ bức xạ 30

thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ

Hình 2.25: Đặc tính làm việc I ậ V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng 31

một mức cường độ bức xạ

Hình 2.26: Thu t toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 31

Hình 2.27: Đường cong P ậ V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 32

Hình 2.28: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 33

Hình 2.29: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và 34

hệ số làm việc D

Hình 2.30: Lưu đồ thu t toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển 35

đo trực tiếp tín hiệu ra

Hình 3.3: Đồ thị xác định MPP 45

Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra 46

Hình 3.6: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thu t P&O 48

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng thu t toán P&O khi chiếu độ không đổi 48

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng thu t toán P&O khi chiếu độ thay đổi 49

Hình 3.9: Hệ Pin PV phát năng lượng về lưới điện 49

Hình 3.10: Khi chiếu độ thay đổi điểm công suất cực đại 50

sẽ sai theo giải thu t P&O

Hình 3.12: Đặc tuyến I-P của PV khi chiếu độ thay đổi 53

Hình 3.13: Lưu đồ giải thu t P&O cải tiến 53

Hình 3.14: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thu t P&O cải tiến 54

Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thu t toán P&O khi chiếu độ không đổi 55

Hình 3.16: Kết quả mô phỏng thu t toán P&O khi chiếu độ thay đổi 55

Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thu t điều khiển điện áp hở mạch 58

Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thu t toán điều khiển điện áp hở mạch 59

chiếu độ không đổi

Hình 3.20: Kết quả mô phỏng thu t toán điều khiển điện áp hở mạch 59

chiếu độ không đổi

Hình 3.22: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thu t tăng tổng dẫn 61

Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thu t toán tăng tổng dẫn chiếu độ không đổi 61

Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thu t toán tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi 62

Hình 3.25: Sự giao động của điểm MPP với phương pháp P&O cải tiến 63

Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một module khi 64

nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 75oC

Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày 65

(số liệu ghi nh n chỉ có tính tương đối)

Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thu t toán P&O khi cường độ bức xạ 67

thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2

Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 68

hai t p hợp con trong nhóm1

Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 68

hai t p hợp con trong nhóm 2

Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 69

một t p hợp con trong nhóm 3

Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của mỗi t p 69

hợp nối tiếp trong mỗi nhóm từ 1 đến 3

Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của mỗi nhóm 70

từ 1 đến 3

Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một dãy PV 71

Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P ậ V, t p hợp nối tiếp, nhóm, dãy 73

Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 81

của một t p hợp con trong nhóm 5

Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O 82 Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu Ua0và dòng điện pha ia 83

Hình 4.21: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn 84

Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu Ua0và dòng điện pha ia 84

Hình 4.24: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch 86

Hình 4.25: Điện áp nghịch lưu Ua0và dòng điện pha ia 86

Chươngă1

T NGăQUAN 1.1 Tínhăcầnăthi tăcủaăđ ătài

Nguồn năng lượng đóng vai trò quyết định nền văn minh của nhân loại Các nguồn năng lượng hóa thạch (dầu lửa, than đá) hiện nay đang được sử dụng phổ biến nhưng lại gây ô nhiễm môi trường và sẽ cạn kiệt trong một tương lai gần Nguồn năng lượng nguyên tử thì không an toàn Trong khi đó mặt trời cung cấp một nguồn năng lượng vô cùng t n và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản sinh ra chất thải hủy hoại môi trường Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết

bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang dạng hữu ích Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không

đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và hiệu quả T n dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán năng lượng của nhân loại

Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện :

- Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ

để t p trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng

- Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn Điện năng được sinh ra khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức năng này bằng cách nh n năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện Như v y các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu

đây ta t p trung vào lĩnh vực thứ nhất , tức biến đổi trực tiếp quang năng thành điện năng Tuy nhiên nó có công suất không lớn và giá thành còn quá đ t Do

đó để nâng cao công suất và giảm chi phí, thì ta phải đi nghiên cứu các phương pháp sao cho công suất của nguồn năng lượng mặt trời thu được là lớn nhất, từ đó thiết kế và điều khiển tối ưu các bộ thu năng lượng mặt trời

Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lượng mặt trời với các

phương pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời và bộ chuyển đổi năng lượng DC ậ DC, DC ậ AC

1.2 Pin quangăđiệnă(PV)

Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng Kỹ thu t tạo pin PV rất giống với kỹ thu t tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode … Pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV

Hình 1.1 S ơ đồ tương đương của pin mặt trời

Hình 1.2 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời

- Tấm pin (12-V module) gồm có 36 tế bào đôi khi chỉ là 33 tế bào

- Tấm pin (24-V module) gồm có 72 tế bào là sự ghép song song 2 khối 12-V module

- Một bảng gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau Ghép sao cho phát ra dòng và

áp đảm bảo nhu cầu người tiêu dùng

Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành điện năng Mỗi tấm pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều tấm pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn

đủ để các thiết bị điện sử dụng Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như: 30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp Điện áp của các tấm pin thường là 12VDC Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép nối các tấm pin lại với nhau Nhiều tấm pin mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời (array) Để đạt được hiệu năng tốt

nhất, những tấm pin phải luôn được phơi n ng và hướng trực tiếp đến mặt trời

Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:

- Chất liệu bán dẫn làm pin

- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

- Thời tiết khí h u, mùa trong năm

- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều

Các tấm pin mặt trời được l p đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm

bảo được các thay đổi của khí h u, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm

Hình 1.3 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết

nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn

Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng ng n mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau Giả sử

cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau Khi đó

- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn

Hình 1.4 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống

sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở

mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống

- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn

Hình1.5 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ

thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp

hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm

1.3 Hệăpinămặtătr i làmăviệcăđ căl p

Hệ pin mặt trời (hệ PV ậ photovoltaic system) nhìn chung được chia thành 2 loại

cơ bản:

- Hệ PV làm việc độc l p

- Hệ PV làm việc với lưới

- Hệ PV độc l p thường được sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến được

- Còn trong hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được m c với lưới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng Trong hệ này, bộ biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp

Trong đề tài này chỉ nghiên cứu về hệ PV làm việc độc l p

Hình 1.6 S ơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

Hệ PV làm việc độc l p gồm có 2 thành phần chính là:

- Thành phần lưu giữ năng lượng

- Các bộ biến đổi bán dẫn

1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng

Hệ quang điện làm việc độc l p cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể

phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu n ng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm

Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV Phổ biến nhất vẫn là sử

dụng c quy để lưu trữ năng lượng c quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để

bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của c quy

1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV

Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến đổi DC - AC

 Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho

tải và c quy Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho c quy Có nhiều loại bộ biến đổi

DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost ậ Buck Cả 3 loại

DC - DC trên đều sử dụng nguyên t c đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng Tùy theo mục đích và nhu

cầu mà bộ DC - DC được lựa chọn cho thích hợp

Khóa điện tử trong mạch DC - DC được điều khiển đóng c t từng chu kỳ

Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thu t toán xác định điểm làm

việc tối ưu (MPPT ậ Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo cho hệ quang điện được làm việc hiệu quả nhất

 Bộ DC - AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110

hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay chiều Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC - AC, chúng có thể làm việc cả hai chế

độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một

chiều Nhìn chung, bộ biến đổi DC - AC trong hệ PV độc l p có thể làm việc

ở mức điện áp một chiều là 12, 24, 48, 96, 120, 240 VDC tuỳ từng hệ

Bộ biến đổi dùng trong hệ PV độc l p có những đặc điểm sau:

- Điện áp ra hình Sin

- Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép

- Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào

- Điều chỉnh điện áp ra

- Hiệu quả cao đối với tải nhẹ

- Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi, tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị

- Có thể chịu quá tải trong một thời gian ng n trong trường hợp dòng khởi động lớn như của máy bơm…

- Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ng n mạch…

- Dung lượng đặc tính

- Tổn hao không tải thấp

Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET, IGBT MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5KVA và điện áp

là 96 VDC Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao Do có điện áp

rơi là 2 VDC Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên

96 VDC

Hệ PV độc l p thường sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp 1 pha hoặc 3 pha

Bộ biến đổi DC - AC thường sử dụng là :

Bộ biến đổi có dạng sóng giả Sin, nó là sự lựa chọn rất kinh tế và đặc biệt phù hợp với hệ quang điện

Bộ biến đổi có dạng sóng ra hình Sin giống như dạng sóng của điện lưới nên

tương thích và đáp ứng với hầu hết các loại tải Bộ biến đổi dạng sóng sin có giá thành lớn hơn bộ biến đổi dạng gần sin, nhưng chất lượng điện áp của bộ biến đổi

loại này là một ưu điểm lớn

Phương pháp điều khiển PWM được sử dụng để giúp bộ biến đổi tạo được đầu ra có dạng Sin

 Phươngăphápăđi uăkhi năMPPT

MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm

việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC - DC Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc l p và đang dần được áp

dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới

MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải

để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ MPPT được ghép

nối với bộ biến đổi DC - DC và một bộ điều khiển

Hình 1.7 B ộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể l p trình được vì v y khả năng thực hiện các thu t toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính Vì v y, bộ điều khiển số có

trạng thái ổn định lâu hơn Không chỉ có v y, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ ph n khác vì nó thực hiện thu t toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều

nhiệm vụ khác nhau Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì v y nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị

chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ

 Thu tătoán đi uăkhi năMPPT

Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện PV có thể xem là trường hợp ngược lại của diode quang Diode quang nh n năng lượng điện sinh ra ánh sáng, pin PV nh n năng lượng ánh sáng sinh ra điện

PV có đặc tính phi tuyến như hình vẽ sau

Hình 1.8 Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời

Trên hình vẽ ta thấy đặc tính PV có một điểm mà ở đó công suất thu được là cực đại, đó cũng chính là mục tiêu của hệ thống MPPT

Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, do đó các điểm MPP cũng thay đổi, giả sử tải là một điện trở, ta có đường đặc tính làm việc sau:

Hình 1.9 Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức

xạ thay đổi

Để tải hoạt động ở chế độ maximum công suất PV, ta cần sử dụng bộ converter DC ậ DC linh kiện đóng c t có thể là BJT, MOSFET, IGBT … để thay đổi điện áp và dòng điện đầu ra sao cho đặc tính tải làm việc ngay điểm có công suất lớn nhất

V y dòng điện, điện áp ngõ ra như thế nào để đạt được công suất cực đại của

PV, điều khiển khoá dòng c t ra sao ? Để đạt được đáp án này ta cần phải có thu t toán cho hệ MPPT

Nhưng khi hệ PV bị bóng che một phần (như bị cây cối, các tòa nhà, đám mây che v.v ), lúc này cường độ bức xạ, nhiệt độ trên các vị trí của dãy PV là khác nhau, do đó các đường đặc tính I ậ V và P ậ V cũng sẽ thay đổi và có dạng như hình 1.10

Hình 1.10 (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V

Hình 1.10 (c), có đến 3 đỉnh công suất, đỉnh GP (đỉnh có công suất lớn nhất)

và 2 đỉnh local (đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất) Nhiệm vụ thu t toán

là tìm ra điểm GP, nhưng thu t toán thông thường có thể không tìm ra chính xác điểm này, do đó cần có một thu t toán kết hợp để tìm ra điểm GP trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần

1.4 Cácănghiênăc uăkhoaăhọcăcóăliênăquan

 Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques, 2006, Trishan Esram, Patrik L.Chapman

 Maximum Power Point Tracking Scheme for PV Systems Operating Under Partially Shaded Conditions

Các bài báo khoa học này đề c p đến nhiều thu t toán như: P&O, Incremental conductance, P&O Under Partially Shaded Conditions, … Tuy nhiên chúng ta chỉ giới hạn xem xét thu t toán P&O và P&O Under Partially Shaded Conditions

1.5 Như căđi măcủaăcácănghiênăc uăkhoaăhọc

 Như căđi măcủaănghiênăc uăP&O

Thu t toán P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường thay đổi quá nhanh, hoặc cường độ chiếu sáng không đều trên dãy PV

Hình 1.11 Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che

Trong điều kiện môi trường không thay đổi ( cường độ bức xạ đồng nhất): đường cong P1 không đổi, điểm hoạt động của dãy PV dưới giải thu t P&O sẽ dao động xung quanh điểm cực đại A

Khi dãy PV bị bóng che một phần (ví dụ có đám mây bay qua), đường cong P1trở thành P2 ( do cường độ bức xạ không đồng nhất), thu t toán P&O sẽ hoạt động chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thu t toán P&O sẽ dò ra điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất (điểm có công suất lớn nhất là điểm C)

 Như căđi măcủaănghiênăc uăP&O Under Partially Shaded Conditions

Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp Tuy nhiên ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm này có thể kh c phục phần nào

1.6 Nhiệmăv ăcủaălu năvĕnă:

Lu n văn ắ Khảo sát các thu t toán MPPT ( dò tìm điểm công suất cực đại) và bộ

chuyển đổi DC ậDC, DC ậ AC ” có nội dung chủ yếu:

- Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lượng mặt trời

- Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC và DC ậ AC

- Nghiên cứu và mô phỏng thu t toán P&O

- Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC và DC ậ AC

- Kết quả nghiên cứu của lu n văn

1.7 Ph măviănghiênăc u:

- Chỉ nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời làm việc độc l p

- Trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc l p chỉ t p trung nghiên cứu thu t toán

dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT)

- Nghiên cứu và mô phỏng thu t toán P&O

- Nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC, DC ậ AC kết hợp với MPPT

1.8 Phươngăphápănghiênăc uă:

 Thu th p, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài lu n văn

 Xây dựng mô hình mô phỏng các thu t toán

 Phân tích, đánh giá những kết quả nh n được và các kiến nghị

1.9 Giáătrịăth cătiễnăcủaăđ ătàiă:

Từ xu hướng nghiên cứu về năng lượng tái tạo nhằm góp phần tiết kiệm năng lượng, cũng như giảm tải cho nguồn điện lưới quốc gia một phần năng lượng Nhưng chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, v y ta phải t n dụng được công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường Chính vì những lý do trên,

đề tài: ắKhảo sát thu t toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC ậ

DC, DC ậ AC ” được hình thành

Với kết quả nh n được có thể:

 Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời dựa vào các thu t toán MPPT và các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC, DC - AC

 Có thêm một hướng nhìn mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai

Chương 2

C ăS LÝ THUY T 2.1 Pinăquangăđiện, c u t o và nguyên lý ho tăđ ng

Pin quang điện (PV) còn gọi là pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại sử dụng Silic tinh thể Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện

dương trong vùng hoá trị Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện

2.1.1 C u t o

Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực

tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong

Hình 2.1 C ấu tạo của pin mặt trời

2.1.2 nguyên lý ho tăđ ng

Hình 2.2 Nguyên lý ho ạt động của pin mặt trời

Hình 2.3 H ệ thống 2 mức năng lượng trong đó E 1 < E 2

Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 Khi chiếu sáng hệ thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2

Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E1-E2Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài , nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành vùng năng lượng Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV Vùng năng lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử

Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng

hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng

dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+) Lỗ trống này có thể

di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện

Hình 2.4 Các vùng năng lượng

Phương trình hiệu ứng lượng tử:

eV+hv→ e- + h+Điều kiện để điện tử có thể hấp thụ năng lượng của photon và chuyển từ vùng hoá

trị lên vùng dẫn, tạo ra căp điện tử – lỗ trống là:

hv > Eg = EC - EVSuy ra bước sóng tới hạn λC của ánh sáng để có thể tạo ra cặp e- - h+ là:

λC = hc/( EC– EV)

Vậy khi chiếu sáng vào vật rắn, điện tử ở vùng hoá trị hấp thụ năng lượng photon

hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử – lỗ trống e- - h+, tức là tạo ra một điện thế

Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp tiếp xúc p-n

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:

Photon truyền xuyên qua mảnh silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn, nó đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn

Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic Điều này thường xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong màng tinh thể Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa Khi electron được kích thích, trở thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán

dẫn Khi đó nguyên tử sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống Lỗ trống này tạo

điều kiện cho các electron của nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống,

và điều này tạo ra lỗ trống cho nguyên tử lân cận có "lỗ trống" Cứ tiếp tục như vậy

lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch bán dẫn

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp ngoài cùng dẫn điện Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì

thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng được

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

2 1.3ăĐặc tính làm việc của pin mặt tr i

- Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời

hở Khi đó dòng mạch ngoài I = 0

- Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài(chập các cực ra của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở

mạch lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra

bằng 0 Công suất của pin được tính theo công thức:

Tại điểm làm việc U = VOC ; I = 0 và U = 0 ; I = ISC , Công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0

Hình 2.6 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời

Hình 2.7 S ơ đồ tương đương của pin mặt trời

Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von – ampe của pin như sau:

+ -

I

D

I

shI

shRs

h s

s kT

) IRs v (

q 01

sc

R

)IRV(1e

Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2)

I01 là dòng bão hòa (A/m2)

q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19

có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất

lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ (đỉnh của đường cong đặc tính)

Hình 2.8 Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời

ph ụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời.

Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V - I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

Hình 2.9 Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin

- Để toàn bộ hệ PV có thể hoạt động được một cách hiệu quả thì đường đặc tính của tải cũng phải phù hợp với điểm MPP

Hình 2.10 Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

Trên hình vẽ 2.10 đường OA và OB là những đường đặc tính tải Nếu tải có đường đặc tính là OA được mắc trực tiếp với dãy pin mặt trời, thì khi đó pin làm việc ở điểm A1 và phát công suất P1 Công suất lớn nhất do phơi nắng thu được là P2 (tải có đường đặc tính là OC, pin làm việc ở điểm C1) Để có thể thu được công

suất P2, cần có một bộ điều chỉnh công suất để liên kết giữa dãy pin mặt trời và tải

2.2 Các b bi n đ i bán d n trong hệ thống pin mặt tr i làm việc đ c l p

2.2.1 B bi n đ i DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể

điều khiển được Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện

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

với tải Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một điôt dẫn dòng

Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại không cách ly Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu,

nửa cầu Trong nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng

loại có cách ly về điện vì nhiều lý do an toàn Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ

một chiều Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:

- Bộ giảm áp (buck)

- Bộ tăng áp (boost)

- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)

Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc vào yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời

Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp

Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC

Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp

2.2.1.1 Các lo i b bi n đ i DC/DC

 Mạch Buck

Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor được đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:

t

¾ dãng on

on T fT

T

Hình 2.11 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Hình 2.12 D ạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được

nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0

Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng

và tụ điện do Điốt khép kín mạch Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu

giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng

Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa: Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K khóa

bằng năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khóa

Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau:

điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khóa đóng mở được duy trì

Do:

dt

dI.L

nên khi K mở (Ton):

on out in

1 o max

ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều

chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như

là bộ điều chế xung PWM

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

 Mạch Boost

Hình 2.13 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Hình 2.14 D ạng sóng dòng điện của mạch Boost

Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng

L Khóa K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (Ton) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (Toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải

dt

dI.LV

0

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều Khóa K đóng, dòng điện

cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo:

D1

 Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

Từ công thức (2-10): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào Vì

vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ

có thể giảm điện áp vào Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào

Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ giữa

thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với

dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian

Ta có công thức:

D1

DV

Công thức (2-11) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D

Khi D = 0.5 thì Vin = VoutKhi D < 0.5 thì Vin > VoutKhi D > 0.5 thì Vin < Vout

* Nhận xét:

Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng

Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối

ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau

2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC

Các cách thường dùng để điều khiển bộ DC/DC là:

 Mạch vòng điện áp phản hồi

Bộ điều khiển Rv là bộ PI Điện áp ra ở đầu cực của pin được sử dụng như

một biến điều khiển cho hệ Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ sát với điểm làm

việc có công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp của pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu

Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:

- Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời

- Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng

Hình 2.16 M ạch vòng điều khiển điện áp

 Phương pháp điều khiển phản hồi công suất

Có thể điều khiển công suất tối ưu bằng cách cho đạo hàm dP/dV = 0 trong điều khiển phản hồi công suất Nguyên tắc hoạt động của phương pháp này là đo và khuếch đại công suất của tải

u điểm của phương pháp này là không cần quan tâm đến đặc tính làm việc của pin Tuy nhiên, phương pháp này khuếch đại công suất của tải chứ không phải

là công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời

 Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi

Hình 2.17 M ạch vòng dòng điện phản hồi

Ri trong mạch điều khiển là bộ PI

Phương pháp này chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển là dòng điện

2.2.2 B bi n đ i DC/AC

Hệ PV độc lập thường sử dụng các bộ biến đổi loại nguồn áp 1 pha

Hình 2.18 B ộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu

Khóa điện tử S1 và S2 được điều khiển chu kỳ đóng cắt theo một luật nhất định để tạo ra điện áp xoay chiều Điện áp rơi trên mỗi tụ là Vdc/2 Lf và Cf có nhiệm vụ lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao tại đầu ra của bộ biến đổi và tạo điện áp xoay chiều có tần số mong muốn Các loại bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành phần dòng điện sóng hài và điều chỉnh hệ số công suất để nâng cao chất lượng điện

u điểm: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu có số khóa điện tử ít hơn

1 nửa so với bộ biến đổi DC/AC 1 pha hình cầu nên có cấu trúc đơn giản và rẻ hơn

Cấu trúc biến đổi DC-AC dùng biến áp thông thường có nhược điểm, do

sử dụng biến áp thông thường nên kích thước thường lớn, tổn hao trên biến áp khá lớn, và hiện tại giá thành biến áp cũng không nhỏ

Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge

Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge

2.3 Phươngăphápădòătìmăđi m công su t c căđ i MPPT

2.3.1 Gi ới thiệu chung

Khi một tấm PV được mắc trực tiếp vào một tải, điểm làm việc của tấm PV

đó sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I – V và đường đặc tính I – V của

tải Giả sử nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng tắp với độ

dốc là 1/Rtải

Hình 2.21 Ví d ụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở

có th ể thay đổi giá trị điện trở được

Hình 2.22 Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở

thay đổi được

Nói cách khác, trở kháng của tải bám theo điều kiện làm việc của pin Nói chung, điểm làm việc hiếm khi ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất, vì vậy nó sẽ không sinh ra công suất lớn nhất Mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải khi phải bù cho một lượng công suất thấp vào thời gian ánh sáng yếu kéo dài như trong mùa đông Sự không thích ứng giữa tải và các tấm pin mặt trời thường làm cho nguồn pin mặt trời bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống Để giải quyết vấn đề này, phương pháp MPPT được sử dụng để duy trì điểm làm việc của nguồn điện pin tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPP Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPP

Chương này đề cập đến đặc tính làm việc I – V của mođun pin mặt trời và

tải, sự tương thích của cả tải và pin, phương pháp điều khiển MPPT; việc áp dụng thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống và giới hạn của phương pháp MPPT

2.3.2 Nguyên lý cân b ằng t i

Như đã nói ở trên, khi PV được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của

PV sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau:

o

o taiI

V

Trong đó: Volà điện áp ra, Iolà dòng điện ra

Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:

MPP

MPP opt

nhất Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế Mục đích

của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PV

Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost Từ công thức (2 – 10):

in

V

VI

1I



Suy ra:

tai 2 o

o 2 in

in

I

V.)D1(IV