CHUONG 2 bộ dò công suất cực đại

2.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại: Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ khác nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại củ

Chương 2.

GIỚI THIỆU VỀ BỘ DÒ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI VÀ

ACQUY.

2.1 Vai trò của việc dò công suất cực đại:

Tại những thời điểm khác nhau trong ngày, với điều kiện thời tiết và nhiệt độ khác nhau, ta không thể biết trước được điểm công suất cực đại của pin quang điện dựa trên đồ thị đặc tính I-V vì nó luôn thay đổi Chẳng hạn, Hình 2.1 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 25oC, trong khi Hình 2.2 mô tả đặc tính I-V của pin ứng với các mức bức xạ tăng dần ở nhiệt độ không đổi 50oC, ta thấy điểm công suất cực đại trên hai đặc tính này là hoàn toàn khác nhau Do đó, cần phải dò điểm công suất cực đại bằng các thuật toán dò tìm, đây cũng là nhiệm vụ quan trọng nhất của

bộ dò công suất cực đại

Có nhiều giải thuật phù hợp giúp ta thực hiện điều này, chẳng hạn như hai phương pháp điều khiển vòng hở sau đây Phương pháp thứ nhất, tiến hành đo lường điện áp hở mạch (Voc) của pin quang điện mỗi 30 giây bằng cách tháo pin ra khỏi mạch điện trong một thời gian ngắn Sau đó lắp pin trở lại, rồi điều chỉnh điện áp của pin bằng 76% điện

áp hở mạch vừa đo Đây là cách đơn giản nhất giúp ta tìm được điện áp ứng với điểm công suất cực đại, tuy nhiên tỉ lệ phần trăm này thay đổi phụ thuộc vào loại pin quang điện được sử dụng Hơn nữa, hiệu suất của phương pháp này cũng tương đối thấp, khoảng 73÷91% Phương pháp thứ hai, ta có thể mua một thiết bị đo độ rọi bức xạ rồi dùng các phép tính đơn giản để phỏng đoán vị trí điểm công suất cực đại Tuy nhiên, trong thực tế phương pháp này ít được sử dụng vì không đáp ứng kịp thời các thay đổi vật lý Hơn nữa, giá của một bộ thiết bị đo bức xạ cũng tương đối đắt tiền

Những nhược điểm trên có thể được khắc phục nếu ta sử dụng phương pháp điều khiển vòng kín Điều khiển vòng kín cho phép nâng cao hiệu suất, đáp ứng nhanh hơn, đồng thời tiết kiệm chi phí Nội dung chương này sẽ trình bày thuật toán điều khiển vòng kín là Perturb & Observe (P&O)

Trang 18

Hình 2.1: Đặc tính I-V ứng với bức xạ thay đổi và quỹ đạo của

các điểm công suất cực đại (25 o C).

Dòng điện (A)

Dòng điện (A)

Điện áp (V)

Điện áp (V)

2.2 Thuật toán Perturb & Observe (P&O):

Giải thuật P&O hay còn gọi là phương pháp “leo đồi” hiện nay đang rất phổ biến và

được sử dụng rộng rãi trong thực tế vì giải thuật tương đối đơn giản và dễ thực thi Hình

2.3 thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và công suất ngõ ra (đặc tính P-V) của một bộ pin

quang điện ứng với bức xạ và nhiệt độ không đổi, với giả thiết ban đầu điểm công suất

của bộ pin đang ở cách xa điểm công suất cực đại Theo giải thuật này, ban đầu điện áp sẽ

được tăng một lượng nhỏ rồi quan sát sự thay đổi của công suất Nếu công suất tăng thêm

tức là điểm công suất hiện tại đang tiến gần đến điểm công suất cực đại Lúc này, ta tiếp

tục tăng điện áp để tiếp cận điểm công suất cực đại Cho đến khi thấy công suất bắt đầu

giảm, tức là điểm công suất đã vọt lố qua khỏi điểm công suất cực đại, ta phải giảm độ

rộng xung để dịch chuyển điểm công suất theo hướng ngược lại trở về điểm công suất cực

đại Lưu đồ minh họa giải thuật này được trình bày trong Hình 2.4

Trang 20 Hình 2.3: Đặc tính công suất – điện áp của pin.

Điện áp (V) Công suất (W)

Sai Sai

Bắt đầu

Đo : I(k), V(k)

P(k)=V(k)×I(k) ΔP=P(k) - P(k-1)P=P(k) - P(k-1)

∆P>0

D(K)-D(K-1)>0 D(K)-D(K-1)>0

D(k-1) = D(k) P(k-1) = P(k)

Tăng độ rộng xung Giảm độ rộng xung

Tăng độ rộng xung Giảm độ rộng xung

Đúng Đúng

Hình 2.4: Lưu đồ giải thuật P&O.

Tuy nhiên, có một số hạn chế làm giảm hiệu suất của giải thuật này như sau:

- Giải thuật này không thể xác định chính xác điểm có công suất cực đại, mà điểm công suất cứ dao động xung quanh điểm công suất cực đại với tốc độ dao động giảm dần Điều này làm giảm hiệu suất của pin quang điện trong điều kiện bức xạ không thay đổi

- Trong điều kiện thời tiết không ổn định, như trong những ngày có mây, giải thuật này cũng bộc lộ sự hạn chế Để hiểu rõ hơn, ta hãy phân tích đặc tính P-V trong điều kiện bức xạ thay đổi như Hình 2.5

`

Hình 2.5: Phản ứng của giải thuật P&O trong điều kiện bức xạ tăng dần.

Giả sử ban đầu điểm công suất đang dao động xung quanh điểm công suất cực đại A tại thời điểm có độ rọi 250W/m2 Vì lý do nào đó, bức xạ tăng lên 500W/m2, công suất thu được sẽ tăng lên một lượng ΔP=P(k) - P(k-1)P>0 Nếu điểm công suất này chạy từ bên phải sang bên trái của điểm công suất cực đại, lúc này giải thuật P&O vẫn cho rằng nó đang đi đúng đường

và đang tiến đến điểm công suất cực đại vì ΔP=P(k) - P(k-1)P>0, trong khi thực tế nó đang tiến đến điểm

E thay vì điểm B như mong đợi Đây chính là điểm yếu của giải thuật này, vì nó không phân biệt được lượng công suất tăng lên ΔP=P(k) - P(k-1)P>0 là kết quả của việc gia tăng lượng bức xạ Mặt Trời Tương tự, nếu bức xạ vẫn tiếp tục tăng lên, giải thuật lại thấy công suất tăng lên một lượng ΔP=P(k) - P(k-1)P>0, và lại cho rằng nó đang di chuyển đúng đường đến điểm công suất cực đại, tiếp tục di chuyển sang trái Kết quả, điểm công suất cứ di chuyển một cách lệch lạc qua các điểm A, E, F và G cho đến khi bức xạ Mặt Trời thay đổi chậm dần và ổn định

Trang 22

Điện áp (V) Công suất

Tình trạng này thường xảy ra vào các ngày trời có nhiều mây, giải thuật P&O tỏ ra không hiệu quả vì điểm công suất cực đại không cố định mà liên tục thay đổi vị trí

Ngày nay, công nghệ điều khiển số phát triển một cách nhanh chóng tạo điều kiện thuận lợi cho việc thực thi các giải thuật một cách dễ dàng Vấn đề hạn chế sự dao động xung quanh điểm công suất cực đại có thể được thực hiện bằng cách tạo một vòng nối tắt nhằm hạn chế sự dịch chuyển của điểm công suất trong trường hợp lượng công suất thay đổi ΔP=P(k) - P(k-1)P rất nhỏ (khi dao động gần điểm công suất cực đại) Ta cũng có thể đưa thêm vào giải thuật một hàm “đợi” sẵn sàng cản trở sự dao động này khi phát hiện hướng di chuyển của điểm công suất đảo chiều nhiều lần trong một thời gian ngắn (dao động quanh điểm công suất cực đại) Cách này hoạt động tốt trong điều kiện bức xạ là hằng số, tuy nhiên trong điều kiện môi trường thay đổi sẽ làm cho tốc độ đáp ứng bị chậm đi Một cách khác nữa là dùng các bước nhảy thay đổi, với biến số là độ dốc của hàm công suất

Vref,new = Vref + C.ΔP=P(k) - P(k-1)P/ΔP=P(k) - P(k-1)V (2.1) Tương tự, cách này chỉ hoạt động tốt trong điều kiện bức xạ không thay đổi, còn trong những ngày trời nhiều mây, sự thay đổi đột ngột của bức xạ Mặt Trời khiến cho công suất thay đổi nhanh chóng tạo ra bước nhảy quá lớn nên tốc độ đáp ứng chậm và hiệu suất không cao Cách giải quyết tốt nhất cho giải thuật này có lẽ là việc đo công suất của pin hai lần tại cùng một mức điện áp, cách này giúp phân biệt được khi nào công suất thay đổi do nguyên nhân thay đổi bức xạ Mặt Trời, khi nào công suất thay đổi do điểm công suất đang đi đúng hướng tiến đến điểm công suất cực đại Vấn đề còn lại là khi số lượng mẫu quá lớn sẽ làm giảm thời gian đáp ứng cũng như tăng tính phức tạp của thuật toán

2.3 Tính toán và chế tạo mạch dò công suất cực đại (MPPT):

2.3.1 Cơ sở tính toán:

Hình 2.6: Sơ đồ bộ chuyển đổi DC/DC.

Tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi được điều chỉnh bằng với tổng trở tối ưu của pin Mặt Trời, thể hiện ở công thức 2.2:

Rin = V I MPP

MPP

=R out∗(1−D)2

(2.2)

Trong đó:

VMPP : là điện áp pin tại điểm công suất cực đại

IMPP : là dòng điện pin tại điểm công suất cực đại

Mối quan hệ giữa tổng trở tải và hệ số D được biểu diễn như sau:

D =1+√ R¿

Trong đó:

Rin : là tổng trở ngõ vào của bộ chuyển đổi

Rload : là điện trở tải

Điện áp ngõ ra của bộ chuyển đổi là:

Vout = 1−D1 Vin (2.4)

Và dòng điện ngõ ra của bộ chuyển đổi là:

Trang 24

2.3.2 Lựa chọn cuộn dây:

Thông số điện cảm của cuộn dây được lựa chọn sao cho dòng điện qua cuộn dây thay đổi không quá 5% dòng điện trung bình cuộn dây Phương trình 2.6 cho biết độ thay đổi dòng điện qua cuộn dây:

ΔP=P(k) - P(k-1)iL = V s∗D

Trong đó:

Vs : là điện áp ngõ vào (V)

f: là tần số đóng cắt (Hz)

D : là chu trình làm việc

L : là điện cảm cuộn dây (H)

Từ phương trình 2.6, ta rút ra điện cảm cuộn dây :

L = V Δi s∗D

Giả sử tại điểm công suất cực đại, dòng điện lại dao động cực đại (5%) Lúc này, dòng điện trung bình IL của cuộn dây L bằng 4,35A, và độ dao động của dòng điện IL là:

ΔP=P(k) - P(k-1)iL = 0,05*IL = (0,05)*(4,35) = 0,2175 A (2.8)

Từ phương trình 2.7, ta có :

L = V Δi s∗D

L∗f = (21)∗(0,526)

(2.9)

2.3.3 Lựa chọn tụ điện:

Tiêu chí lựa chọn thông số điện dung cho tụ điện là phải đảm bảo điện áp rơi trên tụ không vượt quá 5% Điện áp trung bình rơi trên tụ điện C là:

Điện áp gợn sóng tối đa có thể là:

Điện trở tải tương đương là:

R = V o2

P o = (21)2

Giá trị tụ C được tính theo công thức sau:

C = R∗f∗ΔV V o∗D

(6,3)∗(20 103)∗(2,1) = 42 (µF) (2.13)

2.3.4 Chọn diode:

Dòng điện thuận chạy qua diode khi công tắc hở mạch Ta có, ID = IL = 8A Sau khi thêm vào hệ số an toàn 30%, dòng điện ngưỡng có giá trị 10,4A Như vậy, với yêu cầu về dòng điện và điện áp như trên, ta có thể chọn Diode từ nhiều nhà cung cấp khác nhau

2.3.5 Chọn linh kiện đóng cắt (SW):

Trong số các linh kiện điện tử công suất hoạt động ở chế độ đóng cắt, ta thấy MOSFET thường được sử dụng rộng rãi cho các ứng dụng có công suất vừa và nhỏ Áp dụng định luật Kirrchoff điện áp cho mạch điện Hình 2.6 ta có kết quả:

VSW = VS - dI L

Dòng điện đỉnh chảy qua SW bằng với dòng điện qua cuộn dây là 8A, thêm vào hệ

số an toàn 30%, dòng điện ngưỡng có giá trị 10,4A

2.4 Acquy:

2.4.1 Giới thiệu về Acquy:

Bình Acquy là một dạng nguồn điện hóa học, dùng để lưu trữ điện năng dưới dạng hóa năng

Acquy chì:

Trang 26

Hình 2.7: Cấu tạo của Acquy chì.

Acquy chì gồm có các bản cực bằng chì và ôxít chì ngâm trong dung dịch Acid Sulfuric Các bản cực thường có cấu trúc phẳng, dẹp, dạng khung lưới, làm bằng hợp kim Chì - Antimone, có nhồi các hạt hóa chất tích cực Các hóa chất này khi được nạp đầy là Dioxit chì ở cực dương, và chì nguyên chất ở cực âm

Các bản cực được nối với nhau bằng những thanh chì ở phía trên, bản cực dương nối với bản cực dương, bản cực âm nối với bản cực âm Chiều dài, chiều ngang, chiều dầy và số lượng các bản cực sẽ xác định dung lượng của bình Acquy Thông thường, các bản cực âm được đặt ở bên ngoài, do đó số lượng các bản cực âm nhiều hơn bản cực dương Các bản cực âm ngoài cùng thường mỏng hơn, vì chúng sử dụng diện tích tiếp xúc ít hơn

Chất lỏng dùng trong bình Acquy này là dung dịch Acid Sulfuric Nồng độ của dung dịch biểu trưng bằng tỷ trọng đo được, tuỳ thuộc vào loại bình Acquy, và tình trạng phóng nạp của bình

Trước khi dùng làm nguồn điện ta phải nạp điện cho Acquy Lúc này Acquy đóng vai trò một máy thu, tích trữ điện năng dưới dạng hóa năng Khi nạp điện cho Acquy

làm xuất hiện hiđrô và ôxit ở hai bản chì ở bản nối với cực âm của nguồn điện chì ôxit PbO2 bị khử mất ôxi và thành chì Pb Bản này sẽ thành cực âm của Acquy Còn ở bản nối với cực dương của nguồn điện thì có ôxit bám vào, ôxi hóa Pb3O4 thành chì điôxit PbO2 Bản này sẽ trở thành cực dương của Acquy Khi hai cực đã trở thành Pb và PbO2 thì giữa chúng có một hiệu điện thế Acquy trở thành nguồn điện và bây giờ tự nó có thể phát ra dòng điện

Nếu ta nối hai cực của acquy đã được nạp điện bằng một dây dẫn thì dòng điện chạy trong dây sẽ có chiều ngược với dòng điện lúc nạp vào Acquy Dòng điện này sẽ gây ra quá trình hóa học ngược lại, dung dịch axit lại bị điện phân nhưng lần này các iôn chuyển dời ngược chiều với lúc đầu: hiđrô sẽ chạy về bản PbO2 và khử ôxi, làm cho bản này chở thành chì ôxit PbO Cho đến khi hai cực đã hoàn toàn giống nhau thì dòng điện tắt Bây giờ muốn Acquy lại phát điện, ta phải nạp điện cho nó để hai cực trở thành Pb và PbO2

Dung lượng của Acquy là lượng điện (điện tích) mà Acquy đó sau khi đã được nạp đầy sẽ phát ra được trước khi hiệu điện thế giảm xuống đến mức ngừng Mức ngừng là mức mà không nên bắt Acquy phát điện tiếp, nếu cứ để Acquy phát điện ở dưới mức ngừng thì sẽ giảm tuổi thọ của Acquy, thậm chí có thể làm Acquy chết ngay lập tức Đó

là trường hợp dùng nhiều Acquy mắc nối tiếp nhau khi 1 Acquy đã phát hết điện mà những cái khác chưa hết điện và ta tiếp tục dùng thì cái hết điện trước sẽ bị đảo cực và hỏng hoàn toàn Với Acquy chì thông thường thì mức ngừng là 1,67V cho mỗi ngăn; hay là 10V cho cả 6 ngăn

Đơn vị để đo điện tích trong vật lý là Coulomb Đại lượng điện tích không phụ

thuộc vào điện thế của Acquy 1 Coulomb = 1 Ampere * 1 sec: như vậy cũng có thể dùng Ampere * second để chỉ đại lượng điện tích

Dung lượng của bình Acquy thường được tính bằng Ampe giờ (AH) AH đơn giản chỉ là tích số giữa dòng điện phóng với thời gian phóng điện Dung lượng này thay đổi tùy theo nhiều điều kiện như dòng điện phóng, nhiệt độ chất điện phân, tỷ trọng của dung dịch, và điện thế cuối cùng sau khi phóng Nhà sản xuất thường đặt số dung lượng Trang 28

trong ký hiệu của Acquy.

Ví dụ N100 là Acquy 100Ah

Thông số dung lượng của Acquy do nhà sản xuất công bố thường được tính khi phát điện với dòng điện nhỏ trong 20 giờ

Ví dụ Acquy 100Ah phát điện với dòng điện 5A sẽ dùng được trong 20 giờ Khi dòng điện phát ra càng lớn thì thời gian phát điện càng nhỏ nhưng thời gian giảm rất nhanh chứ không theo tỉ lệ nghịch với dòng điện Nghĩa là dòng điện càng lớn thì điện tích phát ra càng giảm

2.4.2 Các phương pháp phóng và nạp Acquy:

2.4.2.1 Phóng điện Acquy:

Phóng điện có thể tiến hành vào bất kỳ thời điểm nào và bất kỳ dòng điện nào nhỏ hơn trị số ghi trong bảng chỉ dẫn của nhà chế tạo

Khi phóng điện bằng chế độ 3 giờ hoặc dài hơn, có thể phóng liên tục cho đến khi điện thế ở mỗi ngăn giảm xuống đến 1,8V

Khi phóng với chế độ 1, 2 giờ, thì ngừng phóng khi điện thế ở mỗi ngăn xuống đến 1,75V

Khi phóng với dòng điện nhỏ thì không xác định việc kết thúc phóng theo điện thế Trong trường hợp này, việc kết thúc phóng được xác định theo tỷ trọng chất điện phân Việc phóng được kết thúc khi tỷ trọng giảm đi từ 0,03 đến 0,06 g/cm3 so với tỷ trọng ban đầu (Nhưng cũng không được để điện thế mỗi ngăn giảm xuống thấp hơn 1,75V)

Việc nạp Acquy lần sau được tiến hành sau khi phóng thử dung lượng Acquy nhưng không được quá 12 giờ tính từ lúc ngừng phóng

Tuỳ theo phương pháp vận hành Acquy, thiết bị nạp và thời gian cho phép nạp, phương pháp nạp, việc nạp có thể được thực hiện theo các cách như sau:

• Nạp với dòng điện không đổi

• Nạp với điện thế không đổi.

• Nạp thay đổi với điện thế không đổi

2.4.2.2 Nạp với dòng điện không đổi:

Việc nạp có thể tiến hành theo kiểu 1 bước hoặc 2 bước

- Nạp kiểu 1 bước: để dòng nạp không vượt quá 12 % của dung lượng phóng mức

10 giờ tức là 0, 12 x C(10)

- Nạp kiểu 2 bước:

Bước 1: để dòng điện nạp bằng dòng điện định mức của thiết bị nạp, nhưng không vượt quá 0,25 x C(10) Khi điện thế tăng lên đến 2,3V - 2,4V thì chuyển sang bước 2 Bước 2: để dòng điện nạp không vượt quá 0,12 C x (10) Đến cuối thời gian nạp, điện thế Acquy đạt đến 2,6V - 2,8V, tỷ trọng Acquy tăng lên đến 1,200 -1,210 g/cm3, giữa các bản cực Acquy quá trình bốc khí xảy ra mãnh liệt Việc nạp được coi là kết thúc khi điện thế và tỷ trọng của Acquy ngừng tăng lên trong khoảng 1 giờ, và các Acquy sau khi nghỉ nạp 1 giờ khi nạp lại sẽ sôi ngay tức thì

Thời gian nạp đối với Acquy đã được phóng hoàn toàn theo kiểu nạp 1 bước với dòng 0,12 x C(10) mất khoảng 12 giờ, còn nạp 2 bước với dòng 0,25 x C(10) và 0,12 x C(10) mất khoảng 7-8 giờ Ở các giá trị mà dòng điện nạp bé hơn thì thời gian nạp phải tăng lên tương ứng

2.4.2.3 Nạp với dòng điện giảm dần:

Tiến hành nạp giống như phần trên, nhưng với dòng điện giảm dần, ban đầu 0,25 C(10) và sau đó 0,12 x C(10) Ở giá trị dòng nạp nhỏ: thời gian tương ứng được tăng lên Dấu hiệu kết thúc nạp cũng giống như trường hợp nạp với dòng điện không đổi

2.4.2.4 Nạp với điện thế không đổi:

Nạp với điện thế không đổi được tiến hành với thiết bị nạp làm việc với chế độ ổn Trang 30