Chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vậy ta phải tận dụng được công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường. Bên cạnh đó, việc mô phỏng thành công nhiều thuật giải khác nhau đã mở thêm nhiều sự lựa chọn cho các ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể về chi phí giá thành hoặc hay tính hiệu quả của hệ thống.
Trang 1KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DO TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT)
VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC – DC, DC – AC
SURVEY DETECTION ALGORITHM MAXIMUM POWER POINT (MPPT)
AND ADAPTER DC - DC, DC - AC
Nguyễn Hữu Phúc (*), Lý Công Nguyên (**)
(*) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh
(**) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa
ABSTRACT
The cost of a solar system is now too high, so we have to take advantage of the maximum capacity, the changed conditions of environment Besides, the simulation algorithm successfully opened many different choices for different applications depending on specific conditions or cost or cost effectiveness of the system
TÓM TẮT
Chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vậy ta phải tận dụng được công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường Bên cạnh đó, việc mô phỏng thành công nhiều thuật giải khác nhau đã mở thêm nhiều sự lựa chọn cho các ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể về chi phí giá thành hoặc hay tính hiệu quả của hệ thống
I ĐẶT VẤN ĐỀ
Năng lượng mặt trời là một nguồn
năng lượng được xem như là một nguồn
năng lượng sạch và vô tận, vì thế song song
với nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt
trời đã nổi lên như là một nguồn năng
lượng phổ biến nhất hiện nay thay thế các
năng lượng truyền thống, để đáp ứng nhu
cầu ngày càng thiếu năng lượng
Tuy nhiên, một hạn chế lớn của hệ
thống quang điện (PV) là nó có hiệu suất
thấp và vô hiệu vào ban đêm hoặc trong
thời gian sự chi ếu nắng thấp hoặc trong
điều kiện bị bóng che một phần Chi phí
vốn ban đầu cao cũng là một vấn đề khác
trong việc hạn chế phổ biến hệ thống PV
Để nâng cao công suất và giảm chi
phí bắt buộc nguồn PV phải hoạt động tại
điểm công suất tối đa như thế công suất tối
đa mới có thể được trích xuất
II HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC
LẬP
Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic
system) được chia thành 2 loại cơ bản: Hệ
PV làm việc độc lập, Hệ PV làm việc với lưới
- Hệ PV độc lập 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 mắc 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 lập
Hình 1- Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập
III ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN
MẶT TRỜI
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
Trang 2
Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện
trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài Lúc đó hiệu điện thế mạch
ngoài của pin là V = 0
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể
hiện qua hai thông số là 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:
P = U.I
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 - Đường đặc tính làm việc V –
I của pin mặt trời
Hình 3 - Sơ 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:
h s
s kT
) IRs v (
q 01 sc
R
) IR V ( 1 e
I I
(
Trong đó:
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
k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k)
T là nhiệt độ (K)
I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện
áp ra, điện trở nối tiếp và song song của pin trong mạch tương đương ở hình 2.3
* Nhận xét:
Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP 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 4 - Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời
IV CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI a) Bộ biến đổi DC – DC:
a1 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
Trang 3xuống 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
T
T
Hình 5 - Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Hình 6 - Dạng 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
Công thức trên cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển
hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp 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
a2 Mạch Boost
Hình 7 - Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Hình 8 - Dạng 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
Trang 4dI L V
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:
D 1
V
Với phương pháp này cũng có thể
điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để
điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất
cực đại theo điện áp của tải Vo
a3.Mạch Buck – Boost: Bộ điều
khiển phóng ắc quy
Hình 9 -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:
D 1
D V
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 = Vout Khi D < 0.5 thì Vin > Vout Khi 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
b) Bộ biến đổi DC – AC:
Hệ PV độc lập thường sử dụng các bộ biến đổi loại nguồn áp 1 pha
Hình 10 -Bộ 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
Trang 5phần dòng điện sóng hài và điều chỉnh hệ
số công suất để nâng cao chất lượng điện
Ưu 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
V KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
1 Các phương pháp MPPT
a) Phương pháp P&O
Chiếu độ: 1000
Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
b) Phương pháp P&O cải tiến
Chiếu độ: 1000
Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
c) Phương pháp hở mạch
Chiếu độ: 1000
Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
d) Phương pháp tăng tổng dẫn
Chiếu độ: 1000
Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
0 20 40 60 80 100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X: 67.14 Y: 339.2
P&O MPPT
Voltage (V)
0 20 40 60 80 100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
P&O MPPT
Voltage (V)
0 1 2 3 4 5 6 7
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X: 4.978 Y: 340.5
Giai thuat P&O cai tien
Current(A)
0 1 2 3 4 5 6 7 0
50 100 150 200 250 300 350 400
X: 4.98 Y: 340.3
Current(A)
0 20 40 60 80 100 0
50 100 150 200 250 300 350 400
X: 69.26 Y: 340.4
Giai thuat Fraction
Voltage (V)
0 20 40 60 80 100 0
50 100 150 200 250 300 350 400
X: 69.26 Y: 338.7
Giai thuat Fraction
Voltage (V)
0 20 40 60 80 100 0
50 100 150 200 250 300 350 400
X: 68.4 Y: 340.5
MPPT tracking
Voltage (V)
Trang 6e) Đánh giá, nhận xét
Ưu điểm:
Trong trường hợp chiếu độ không đổi
thì tất cả thuật toán đều hoạt động ổn định
và xác định đúng điểm công suất cực đại
MPP
Trong trường hợp chiếu độ thay đổi:
các giải thuật P&O cải tiến, giải thuật tăng
tổng dẫn, giải thuật tỷ lệ điện áp hở mạch
đều hoạt động ổn định và xác định được
điểm MPP, riêng thuật toán P&O thì không
thể xác định được MPP
Khuyết điểm
Đối với giải thuật P&O cải tiến: mặc
dù đã xác định được MPP khi chiếu độ thay
đổi, tuy nhiên điểm MPP có sự dao động
lớn
Đối với thuật toán tỷ lệ điện áp hở
mạch:
Có thể xác định được MPP khi chiếu
độ thay đổi Tuy nhiên, độ chính xác không
cao vì điện áp của điểm cực đại được xác
định thông hằng số tỷ lệ k=0.71 ~0.78, việc
chọn giá trị dựa vào kinh nghiệm sẽ dẫn
đến sự khác biệt
Bên cạnh đó, điện áp hở mạch của
môđun thay đổi theo nhiệt độ Vì thế khi
nhiệt độ của môđun thay đổi, điện áp hở
mạch của môđun thay đổi dẫn đến phải
thường xuyên đo điện áp hở mạch Trong
khi đó điện áp hở mạch, cần phải cách li tải
ra khỏi môđun nên công suất của hệ quang
điện trong thời gian này không được sử
dụng
Đối với thuật toán tăng tổng dẫn:
Các điểm MPP được xác định ổn định hơn so với thuật toán P&O và chính xác hơn so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch Một nhược điểm của phương pháp này là phức tạp trong việc cài đặt
2 Các bộ chuyển đổi kết hợp MPPT a) Kêt hợp phương pháp P&O
b) Kêt hợp phương pháp hở mạch
c) Kêt hợp phương pháp tăng tổng dẫn
0 20 40 60 80 100
0
50
100
150
200
250
300
350
400
X: 70.48 Y: 76.52
Voltage (V)
-50 0 50 Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia
Thoi gian
0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -50
0
50
Dong dien sau khi qua bo loc
Thoi gian
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 -80
-60 -40 -20 0 20 40 60
80 Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia
Thoi gian
0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 -50
0
50
X: 0.02596 Y: 32.84
Dong dien sau khi qua bo loc
Thoi gian
Trang 7d) Đánh giá, nhận xét
Việc chọn giải thuật MPPT phụ thuộc
vào từng ứng dụng cụ thể và phụ thuộc vào
các yếu tố sau: tính hiệu quả của giải thuật,
độ phức tạp của giải thuật và giá thành
Đối với giải thuật tỷ lệ điện áp hở
mạch có ưu điểm là dễ cài đặt, có thể bằng
mạch tương tự nên chi phí thấp Tuy nhiên,
hiệu suất không cao so với hai giải thuật
còn lại, đồng thời giải thuật này chỉ phù
hợp với các ứng dụng mà nhiệt độ môi
trường ít thay đổi
Đối với các ứng dụng cần hiệu suất
cao thì nên sử dụng thuật toán P&O cải tiến
và thuật toán tăng tổng dẫn vì thuật toán
này tìm điểm công suất cực đại nhanh và
chính xác so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở
mạch Khuyết điểm của các phương pháp
này là phức tạp và chi phí cao do cần sử
phải sử dụng vi xử lý để điều khiển
VI KẾT LUẬN
Xây dựng thuật toán và mô phỏng
thành công các thuật toán tìm điểm công
suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn,
thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch
Mô phỏng thành công mô hình gồm
hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm công suất cực đại với các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC
Xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng các công cụ DSP để cài đặt các thuật toán MPPT, sau đó khảo sát đánh giá khả năng ứng dụng thực tiễn hệ thống Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng điện
và điện áp lên thiết bị khi hòa lưới Và từ đây có thể phát triển một hệ thống điện mặt trời công suất lớn, hòa lưới điện mặt trời vào lưới điện quốc gia, giải quyết vấn đề thiếu điện trầm trọng như hiện nay
VII TÀI LIỆU THAM KHẢO
Inverter Configurations: Observations at Tracking PV Plants - Miguel Jose Miguel Maruri, Luis Marroyo, Eduardo Lorenzo and Migue
Photovoltaic Systems - Mohamed Azab
Algorithm for PV Systems Operating under Partially Shaded Conditions - Hamdy Radwan, Omar Abdel-Rahim, Mahrous Ahmed, IEEE Member, Mohamed Orabi, IEEE Senior Member
Algorithm for Photovoltaic Maximum Power Point Tracking - Siamak Mehrnamiyand Shahrokh Farhangiy
PV system - NAZIH MOUBAYED, ALI EL-ALI, RACHID OUTBIB
method for photovoltaic systems - B Amrouche, M Belhamel and A Guessoum
Convergence - Michael Sokolov, Doron Shmilovitz, Member, IEEE
DC - AC Converters with Load Power Factor and MPPT Control - Pedro G Barbosa,Luís G.B Rolim , Vladimir V Wavares, Edson H Watanabe and R Hanitsch
Systems - Gilbert M Masters Stanford University
0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
Thoi gian
0.02 0.025 0.03 0.035 0.04
-50
0
50 Dong dien sau khi qua bo loc
Thoi gian
Trang 8BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh
