Xây dựng giải thuật nâng cao hiệu suất của cánh đồng pin mặt trời (phần điện)

Mô hình pin mặt trời lý tưởngKhi đó, biểu thức 2.1 có thể được mô tả như sau: Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V.. Mạch điện hình 2.3 được miêu t

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình pin mặt trời

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạmặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời Mạch điệntương đương của pin mặt trời được cho như hình 2.1:

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

I=I PH−I S[e(kT q C A(V + IR))

−1]−V + I R S

R SH (2.1)Trong đó:

Iph: dòng quang điện (A)

Is: dòng bão hòa (A)

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

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 củapin:

I PH=[I SC+K1(T C−T ReF)]λ(2.2)

Trong đó:

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

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

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

TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn 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 theohàm mũ

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

EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn

Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò Rsh = ∞, Rs = 0 Khi đó mạchđiện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.2:

Hình 2.2 Mô hình pin mặt trời lý tưởngKhi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:

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 đunpin 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

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

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

Hì

nh 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 hợpvới tải

2.2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

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

Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch boostKhi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, nănglượng 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

Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lạicho tụ điện C.

Năng lượng lưu trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ

(∆i L)closed+(∆ i L)opened=0(2.16)

2.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter

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

Hình 2.11 Cấu hình mạch buck

D= V out ×η

V¿(min) (2.19)

VOUT = điện áp ngõ ra mong muốn

ƞ = Hiệu suất mạch, ước tính 90%

Năng lượng trong cuộn cảm

∆ I L=1−(V¿¿ ¿(min)−V out)× D

f s × L (2.20)¿

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

Dòng điện ngõ ra cực đại

I MAXOUT=(I lim (min)−∆ I L

2 )(2.21)

đưa ra trong bản dữ liệu)

ΔIIL = 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 cựcđại qua công tắc trong hệ thống được tính toán:

I SW (max )=∆ I L

2 +I OUT (max)(2.22)

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

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

L= V OUT ×(V¿−V OUT)

∆ I L× f S × V¿ (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

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

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

∆ I L ¿ ( 0.2 đến 0.4 ) × I OUT(max )

ΔIIL = sóng dòng điện ước tính cho cuộn cảm

2.3 Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời

Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời, mặt trời tồn tại mộtđiểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng

Hình 2.12 Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đạiTuy nhiên, điểm cực đại này lại không cố định, chúng luôn thay đổi theo cácđiều kiện môi trường (Hình 2.13) Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặcdòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thayđổi sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại

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 bộCĐNL 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)

Khi pin mặt trời được nối trực tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trờiđược điều khiển bởi tải Tổng trở của tải được miêu tả như sau:

R LOAD=V0

I0 (2.24)

Trong đó, Vo, Io là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời

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

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

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

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

ROUT = D2.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 RIN nhìn 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:

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

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

2.4.1 Phương pháp điện áp hằng số

Cơ sở cho các thuật toán điện áp không đổi (CV) là quan sát từ đường cong I-V

giống như hình 1 là tỷ lệ điện áp tối đa của bin mặt trời VMPP, điện áp mở mạch của nó,

VOC, là hằng số, nói cách khác:

V MPP

V OC ≅ K <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 đượcthực hiện một phép đo VOC Tiếp theo, MPPT tính toán điểm hoạt động chính xácbằng cách sử dụng phương trình (2.33) và giá trị cho những thiết lập của K, và điềuchỉnh điện áp của bin cho đến khi được tính VMPP đạt Hoạt động này được lặp đi lặplại 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

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

Hình 2.17 Sơ đồ thuật toán điện áp không đổiĐiều khiển điện áp không đổi có thể được thực hiện dễ dàng với phần cứngtương tự Tuy nhiên, MPPT theo dõi hiệu quả của nó là thấp so với các thuật toánkhác 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 pin tạm thời Nó có thể tự độngđiều chỉnh giá trị của K, nhưng đòi hỏi phải có một thuật toán tìm kiếm và về cơbản kết thúc lên được giống như P&O

2.4.2 Phương 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 củaP&O là nó không thể xác định khi nó đã thực sự đạt đến MPP Thay vào đó, nó dao

động xung quanh MPP, thay đổi các dấu hiệu của sự nhiễu loạn sau mỗi lần đo P.Hãy xem xét trường hợp trong đó các bức xạ như vậy mà nó tạo ra đường cong V P-

1 trong hình 2.18 MPPT là dao động xung quanh MPP từ điểm B đến C đến A vànhư vậy Sau đó, giả sử tăng bức xạ và các đường cong P-V của mảng di chuyểnđường cong 2 Nếu trong sự gia tăng nhanh chóng trong bức xạ mặt trời và côngsuất ra, MPPT gây nhiễu các điểm hoạt động từ điểm A đến điểm B, MPPT thực sự

sẽ di chuyển từ A đến D Như đã thấy trong hình 2.18, kết quả này trong một ΔIPdương, và MPPT sẽ tiếp tục gây nhiễu trong cùng một hướng, hướng tới điểm F.Nếu bức xạ vẫn còn tăng nhanh, các đường cong điện PV sẽ di chuyển đến G trênđường cong 3 thay vì F trên đường cong 2 Một lần nữa các MPPT sẽ thấy một ΔIPdương và sẽ giả định nó là di chuyển theo hướng MPP các, tiếp tục để lo ngại chođiểm 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

Đo V(k), I(k)P(k) = V(k) x I(k)

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

p(k-1), V(k-1)

ΔIP = P(k) – P(k-1)ΔIV = V(k) – V(k-1)

ΔIP = 0ΔIP > 0

ΔIV < 0ΔIV > 0

YESNO

Giảm D(giảm

độ rộng xung)

Tăng D(tăng độ rộng xung)

Hình 2.19 Lưu đồ giải thuật P&O

2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance)

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

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:

Hình 2.21 Giải thuật InC

2.5 Pin mặt trời bị ảnh bởi bóng che.

Để có được 1 tấm pin công suất đủ lớn, thông thường lắp đặt pin được ghépnối với nhau theo dạng nối tiếp - song song từ các tấm pin có công suất khoảng 2W

và điện áp khoảng 0.5V 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:

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

Vùng pin bị bóng

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 phầnNhững 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

Đặc tuyến P-V của nhánh pin không bị bóng

Đặc tuyến P-V của nhánh pin bị bóng che

bóng che không phát được công suất, cho đến khi V1>V2 lúc này cá dãy pin bị

bóng che có khả năng phát công suất

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

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

Từ hình 2.23 công suất lớn nhất mà cánh đồng pin này phát ra được chính làđiểm MPP tại các đỉnh đặc tuyến P-V của toàn cánh đồng pin Tại các đỉnh nàychính là tổng công suất của 2 dãy pin, tại điểm MPP này, khi xét đến vùng làm việccủa 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 làmviệc quá vùng cực đại của chúng

Hình 2.25 Cánh đồng pin mặt trời trong thực tế