Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)

Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN PIN MẶT TRỜI TỐI ĐA HÓA

LƯỢNG ĐIỆN NĂNG THU ĐƯỢC

TRẦN ANH TÚ

THÁI NGUYÊN, 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là : Trần Anh Tú

Sinh ngày 13 tháng 10 năm 1989

Học viên lớp cao học K18 – Kỹ thuật điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại Trường trung cấp nghề Dân tộc nội trú Thái Nguyên

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: ‘‘ Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ

thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được ’’ do thầy giáo

TS Nguyễn Minh Ý hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi Tất cá các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc rõ ràng Các kết quả trong luận văn là trung thực

và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác Nếu sai tôi xin chịu

hoàn toàn trách nhiệm

Thái nguyên, Ngày tháng năm 201

Tác giả luận văn

Trần Anh Tú

Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hướng dẫn TS Nguyễn Minh Ý đã tận tình hướng dẫn và cung cấp

cho tác những tài liệu để hoàn thành luận văn này, cũng như việc truyền thụ những kinh nghiệm quý báu trong suốt thời gian làm luận văn

Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn

Tác giả luận văn

Trần Anh Tú

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 2

LỜI CẢM ƠN 4

Danh mục các ký hiệu và viết tắt 8

Danh mục các bảng 8

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 8

MỞ ĐẦU 12

1 Đặt vấn đề 12

2 Mục tiêu nghiên cứu 14

3 Nội dung nghiên cứu 14

4 Kết quả đạt được 14

5 Phương pháp nghiên cứu 14

6 Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu 15

7 Bố cục của luận văn 15

CHƯƠNG 1: KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 16

1.1 Năng lượng tái tạo 16

1.1.1 Khái niệm về năng lượng tái tạo 16

1.1.2 Phân loại năng lượng tái tạo 16

1.1.2.1 Nguồn gốc từ bức xạ Mặt trời 16

1.1.2.2 Nguồn gốc nhiệt năng của Trái Đất 17

1.1.2.3 Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng 17

1.1.3 Vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam 17

1.1.3.1 Thủy điện 17

1.1.3.2 Điện gió 18

1.1.3.3 Năng lượng sinh khối 18

1.1.3.4 Năng lượng mặt trời 19

1.1.3.5 Năng lượng địa nhiệt 19

1.2 Định hướng nghiên cứu đề tài 20

1.3 Hệ thống phát điện pin mặt trời 21

1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống 21

1.3.2 Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ 21

1.4 Kết luận chương 1 22

CHƯƠNG 2: THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 23

2.1 Giới thiệu chung: 23

2.1.1 MPPT là gì? 23

2.1.2 Các đặc tính chính của điều khiển MPPT 23

2.2 Mô hình toán học và đặc tính làm việc của pin mặt trời 24

2.3 Các phương pháp tìm điểm công suất cực đại 26

2.3.1 Phương pháp tạo dao động vào quan sát P&O 26

2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 28

2.3.3 Phương pháp điện áp không đổi CV 30

2.3.4 Phương pháp ngắn mạch SC 30

2.3.5 Phương pháp điện áp hở mạch OV 30

2.3.6 Phương pháp nhiệt độ TM 31

2.3.7 Phương pháp độ dốc tối ưu 31

2.3.8 Phương pháp trí tuệ nhân tạo 33

2.3.9 Tìm MPP cho nguồn PV ở chế độ vận hành bị che khuất một phần 35

2.4 Bộ biến đổi năng lượng Buck converter 37

2.4.1 Nguyên lý làm việc: 37

2.4.2 Bộ lọc L – C 41

2.4.3 Điều khiển PWM 42

2.4.3.1 Khái niệm và nguyên lý 42

2.4.3.2 Các cách tạo ra được PWM để điều khiển: 44

2.4.3.3 Ứng dụng 45

2.5 Thuật toán 45

2.6 Kết quả 49

2.7 Kết luận chương 2 49

CHƯƠNG 3: BỘ ĐIỀU KHIỂN XOAY THEO VỊ TRÍ MẶT TRỜI 50

3.1 Vị trí của mặt trời so với trái đất: 50

3.1.1 Góc thiên độ δ 50

3.1.2 Góc cao độ β và góc phương vị ΦS 51

3.1.3 Giờ mặt trời mọc và giờ mặt trời lặn 52

3.1.4 Chùm tia bức xạ 52

3.2 Những bộ điều khiển dàn pin mặt trời cố định, xoay một trục và hai trục 54

3.2.1 Dàn pin mặt trời cố định 55

3.2.2 Dàn pin mặt trời xoay 1 trục 57

3.2.3 Dàn pin mặt trời xoay 2 trục 60

3.2.4 So sánh năng lượng thu được giữa dàn pin măt cố định, một trục và hai trục 63

3.3 Cấu tạo dàn pin mặt trời xoay hai trục 64

3.3.1 Cảm biến quang trở (LDR): 65

3.3.2 Động cơ bước (Stepper motor) 66

3.3.3 Module TB6560 67

3.4 Mô hình thực tế dàn pin mặt trời xoay hai trục 68

3.5 Thuật toán 71

3.6 Kết quả chạy thực nghiệm mô hình 72

3.7 Kết luận chương 3 79

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 80

4.1 Kết luận 80

4.2 Kiến nghị 80

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

PHỤ LỤC 84

Danh mục các ký hiệu và viết tắt

MPPT - Maximum power point tracking Thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPP - Maximum power point Điểm công suất cực đại

PV - Photovaltaic Pin Mặt trời

DC - DC Bộ biến đổi một chiều sang một chiều

DC - AC Bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều

Danh mục các bảng

1.1 Công suất năng lượng tái tạo khai thác ở Việt Nam 18 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam 18 3.1 Các thiết bị cần thiết để thiết kế dàn pin mặt trời xoay hai trục 66

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

1.1 Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời 19 2.1 Mạch tương đương của modul PV 23

2.3 Thuật toán tìm MPP theo phương pháp P&O 25 2.4 Trường hợp không hội tụ của phương pháp P&O 26

biến đổi buck lý tưởng trong chế độ liên tục 36

2.12 Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ

biến đổi buck lý tưởng trong chế độ không liên tục 38

2.15 Đồ thị dạng xung điều chế PWM 40 2.16 Mạch nguyên lý điều khiển tải bằng PWM 41 2.17 Sơ đồ xung của van điều khiển và đầu ra 41 2.18 Tạo xung vuông bằng phương pháp so sánh 42 2.19 Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển động cơ DC 43 2.20 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 44

2.21 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham

2.22 Mạch điều khiển tìm điểm công suất cực đại 47 3.1 Quỹ đạo quay của Trái Đất quanh Mặt Trời 48 3.2 Góc giữa mặt trời và đường xích đạo 49 3.3 Góc cao độ β và góc phương vị ΦS 50 3.4 Tia bức xạ trực tiếp, bức xạ tán xạ và bức xạ phản xạ 50 3.5 Cường độ bức xạ ngoài khí quyển ngày quang đãng 51 3.6 Chùm tia bức xạ trục tiếp, bức xạ tán xạ, bức xạ phản xạ 52

3.11 Dàn pin mặt trời một trục xoay theo hướng Đông – Tây và một

trục hướng về phía Nam và nghiêng một góc bằng vĩ độ 55 3.12 (a) dàn pin mặt trời xoay một góc 150/ 1h

(b) Dàn pin nhìn từ Bắc Cực xuống 56

3.13 Năng lượng thu được của bức xạ trực tiếp 56 3.14 Năng lượng thu được của bức xạ tán xạ 57 3.15 Năng lượng thu được của bức xạ phản xạ 58

3.16 Dàn pin mặt trời xoay hai trục theo hướng Bắc - Nam và Đông

3.17 Năng lượng thu được của bức xạ trực tiếp 59 3.18 Năng lượng thu được của bức xạ tán xạ 60 3.19 Năng lượng thu được của bức xạ phản xạ 60 3.20 Tổng năng lượng dàn pin mặt trời nhận được trong 1 ngày/m2 61 3.21 Tổng năng lượng dàn pin mặt trời nhận được trên 1m2/1 năm 62 3.22 Sơ đồ khối dàn pin mặt trời xoay hai trục 62 3.23 Các cảm biến quang trở được lắp trên dàn pin mặt trời 63

3.25 Điện trở của LDR ở điều kiện ánh sáng khác nhau 64

3.27 Vị trí các cảm biến được bố trí trên dàn pin mặt trời 67

3.29 Kết nối Aruino với TB6560 và động cơ bước 68

3.30 Mô hình dàn pin mặt trời xoay hai trục

(1): động cơ bước; (2): Cơ cấu cơ khí 68

3.31

Mô hình dàn pin mặt trời xoay hai trục

(3): Cảm biến quang trở; (4): Tấm pin mặt trời; (5) Modul

TB6560; (6) Ắc qui; (7) Mạch tìm điểm công suất cực đại

69

3.32 Lưu đồ thuật toán điều khiển xoay hai trục theo hướn mặt trời 69 3.33 Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời 70 3.34 Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời 71 3.35 Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời 72

3.37 Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời 73 3.38 Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời 73

3.39 Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời 74

3.41 Đồ thị công suất của tấm pin mặt trời 75 3.42 Đồ thị dòng điện của tấm pin mặt trời 76 3.43 Đồ thị điện áp của tấm pin mặt trời 76

Nguồn nguyên liệu hóa thạch sử dụng ở các nhà máy nhiệt điện đã thải ra môi trường lượng khí CO2 rất lớn, lượng CO2 này hàng triệu năm sau các loài thực vật mới hấp thụ hết Việc khai thác than đã làm nhiều hồ thủy lợi lớn bị ô nhiễm, tài nguyên rừng bị suy thoái , gây cạn kiệt dòng sinh thuỷ, gây ngập úng và hạn hán cục

bộ, làm bồi lắng lòng hồ, ảnh hưởng không nhỏ đến đời sống dân sinh các khu vực lân cận Không những vậy mà mà nó còn làm ô nhiễm mỗi trường và làm trái đất nóng dần lên

Dầu mỏ là nguyên liệu hóa thạch được sử dụng nhiều nhất trên thế giới, tuy nhiên việc khai thác và sử dụng chưa hợp lý đã làm ảnh hưởng lớn đến môi trường Các vụ tràn dầu mỏ trên biển làm ảnh hưởng lớn đến môi trường, các hợp chất trong dầu tràn tác động như một chất độc đối với sinh vật, nếu tồn tại trong môi trường thời gian dài thì chúng sẽ phá hủy hệ sinh thái Dầu tràn lảm thiệ hại về kinh tế cho các hoạt động ven biển, cho người sử dụng biển và cho việc khắc phục phục ô nhiễm

Nguồn năng lượng nguyên tử được nhiều nước trên thế giới sử dụng trong các nhà máy điện hạt nhân song nó chưa thực sự an toàn và còn chứa đựng nhiều rủi ro Việc để rò rỉ chất thải phóng xạ và sự cố của các nhà máy đã gây hậu quả nghiêm trọng đến đời sống (Năm 1979 sự cố nghiêm trọng tại nhà máy điện hạt nhân Three Mile Island ở Mỹ khiến quốc gia này phải tạm ngừng xây dựng các lò phản ứng Năm

1986 nhà máy điện hạt nhân Chernobyl bị nổ, đây được coi là vụ tai nạn hạt nhân trầm trọng nhất trong lịch sử năng lượng hạt nhân và nó đã làm cho đám mây phóng

xạ lan rộng ra Đông Âu, Tây Âu, đông Hoa Kỳ gây ô nhiễm nghiêm trọng Năm

2011 sự cố nhà máy điện Fukushima 1 ở Nhật Bản do thảm họa của động đất và sóng thần đã gây tác động rất nghiêm trọng về người và của, nhất là lượng phóng xạ lan

rộng đến các vùng khác Tại Việt Nam cũng đã đo được bụi phóng xạ tại một số nơi sau vụ nổ nhà máy điện Fukushima.)

Tuy nguồn nước sản suất điện là năng lượng sạch và bền vững, không tiêu thụ nhiên liệu, không xả khí thải độc hại đến môi trường nhưng nó lại tàn phá nặng nề môi trường sinh thái ở một số phương diện khác Thảm thực vật bị phân hủy trong tình trạng bị ngập nước dưới đáy hồ khiến sản sinh ra khí metan, một loại khí nhà kính nguy hiểm Các con đập đã ngăn chặn mất của những người nông dân vùng hạ lưu dòng phù sa màu mỡ và các loại thủy sản Những vụ xả hồ chứa bất ngờ để chống quá tải đập trước một cơn lũ bất ngờ gây lũ lụt cho vùng hạ lưu, cuốn trôi nhà cửa, tài sản, hoa màu và cướp đi sinh mạng của nhiều người

Chính vì vậy mà chúng ta cần phải đẩy mạnh nghiên cứu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo để dần thay thế các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống, trong đó, năng lượng mặt trời chính là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn nhiên liệu mà ta cần phải hướng tới trong tương lai

Việt nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, số giờ nắng trung bình khoảng 1700-2500 giờ/năm, bức xạ mặt trời trung bình 5 kWh/m2/ngày

Hiện nay, việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT), thay thế cho việc sử dụng các nguồn năng lượng điện được sản xuất ra nhờ các nguồn nguyên liệu hóa thạch truyền thống như than đá, dầu mỏ, khí đốt,… đã trở nên rất phổ biến tại các quốc gia phát triển Việc ứng dụng các giải pháp để sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam còn rất mới mẻ Trong khi đó, Việt nam được đánh giá là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng tái tạo này Đây lại là nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm, không cạnh tranh nguồn nhiên liệu Tuy nhiên do công nghệ còn mới mẻ nên hiện tại giá thành 1kW/h còn cao so với thuỷ điện, nhiệt điện

Ở Việt Nam hầu hết các hệ thống năng lượng mặt trời thường được lắp cố định nên năng lượng thu được còn chưa cao Chính vì vậy mà việc “ Nghiên cứu chế tạo

bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời tối đa hóa lượng điện năng thu được” là rất cần thiết

2 Mục tiêu nghiên cứu

Nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển cho hệ thống phát điện pin mặt trời (Photovoltaics) đảm bảo tối đa hóa lượng điện năng thu được Bộ điều khiển gồm 02 phần:

+ Điều khiển bám điểm công suất cực đại: Điều khiển điện áp đầu ra của pin mặt trời thông qua điều khiển độ rộng xung (PWM) của bộ biến đổi năng lượng DC/DC; cho phép tối đa hóa năng lượng chuyển hóa thành điện năng (hiệu suất) của pin mặt trời

+ Điều khiển cơ cấu xoay hệ thống theo vị trí mặt trời: Điều khiển cho hệ thống pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời, thu được nhiều tia bức xạ nhất

3 Nội dung nghiên cứu

+ Nghiên cứu về nguồn năng lượng mặt trời

+ Nghiên cứu các công nghệ phát điện mặt trời và các yếu tố ảnh hưởng đến chế độ làm việc của nguồn điện năng lượng mặt trời

+ Nghiên cứu bộ biến đổi năng lượng sử dụng trong hệ thống phát điện pin mặt trời

+ Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point tracking)

+ Nghiên cứu các cơ cấu xoay, bám mặt trời (1 trục, 2 trục) sử dụng trong nguồn điện mặt trời

4 Kết quả đạt được

Mô hình hệ thống phát điện pin mặt trời hoàn chỉnh

5 Phương pháp nghiên cứu

- Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên

cứu được công bố thuộc lĩnh vực liên quan: bài báo, sách tham khảo, tài liệu hướng dẫn,…

- Nghiên cứu thực tiễn: Thiết kế và chế tạo hệ thống cơ cấu xoay bám mặt trời,

bộ biến đổi năng lượng sử dụng trong hệ thống phát điện pin mặt trời và lập trình bộ

vi xử lý có sử dụng thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point tracking)

6 Các công cụ, thiết bị cần thiết cho nghiên cứu

STT Tên thiết bị, dụng cụ Số lượng,

chủng loại

Tình trạng

1 Tấm pin năng lượng mặt trời 30W 1 Mới

3 Vi điều khiển Arduino 1 Mới

4 Thiết bị điện tử công suất 1 Mới

6 Cơ cấu cơ khí cho hệ thống xoay

(bánh răng, trục, v.v.)

7 Thiết bị hiển thị LCD 1 Mới

7 Bố cục của luận văn

Ngoài phần mở đầu, kết luận, luận văn được chia thành 04 chương như sau: + Chương 1: Khái quát về năng lượng tái tạo và hệ thống phát điện pin mặt trời

+ Chương 2: Thuật toán tìm điểm công suất cực đại

+ Chương 3: Thiêt kế bộ điều khiển xoay theo vị trí mặt trời

+ Chương 4: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO VÀ

HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN PIN MẶT TRỜI 1.1 Năng lượng tái tạo

Năng lượng tái tạo được hiểu là những nguồn năng lượng hay những phương pháp khai thác năng lượng mà nếu đo bằng các chuẩn mực của con người thì là vô hạn Vô hạn có hai nghĩa: Hoặc là năng lượng tồn tại nhiều đến mức mà không thể trở thành cạn kiệt vì sự sử dụng của con người (thí dụ như năng lượng Mặt Trời) hoặc

là năng lượng tự tái tạo trong thời gian ngắn và liên tục (thí dụ như năng lượng sinh khối) trong các quy trình còn diễn tiến trong một thời gian dài trên Trái Đất

Theo ý nghĩa về vật lý, năng lượng không được tái tạo mà trước tiên là do Mặt Trời mang lại và được biến đổi thành các dạng năng lượng hay các vật mang năng lượng khác nhau Tùy theo trường hợp mà năng lượng này được sử dụng ngay tức khắc hay được tạm thời dự trữ

Nguồn năng lượng tái tạo bao gồm có: Năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt, năng lượng thủy triều, năng lượng gió, thủy điện, sinh khối, nhiên liệu sinh học Theo nguồn gốc xuất xứ ta phân năng lượng tái tạo thành ba loại như sau:

1.1.2.1 Nguồn gốc từ bức xạ Mặt trời

Năng lượng Mặt Trời thu được trên Trái Đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ Mặt Trời đến Trái Đất Chúng ta có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng các photon của Mặt Trời thành điện năng, như trong pin Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, sử dụng cho bình đun nước Mặt Trời, hoặc làm sôi nước trong các máy nhiệt điện của tháp Mặt Trời, hoặc vận động các hệ thống nhiệt như máy điều hòa Mặt Trời Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa

1 Https://vi.wikipedia.org/wiki/Năng_lượng_tái_tạo

1.1.2.2 Nguồn gốc nhiệt năng của Trái Đất

Nhiệt năng của Trái Đất, gọi là địa nhiệt, là năng lượng nhiệt mà Trái Đất có được thông qua các phản ứng hạt nhân âm ỉ trong lòng Nhiệt năng này làm nóng chảy các lớp đất đá trong lòng Trái Đất, gây ra hiện tuợng di dời thềm lục địa và sinh

ra núi lửa Các phản ứng hạt nhân trong lòng Trái Đất sẽ tắt dần và nhiệt độ lòng trái Đất sẽ nguội dần, nhanh hơn nhiều so với tuổi thọ của mặt Trời Địa nhiệt có thể là nguồn năng lượng sản xuất công nghiệp quy mô vừa, trong các lĩnh vực như: Nhà máy điện địa nhiệt, sưởi ấm địa nhiệt

1.1.2.3 Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng

Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất) Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng

án đang giai đoạn nghiên cứu Ngoài ra các dự án thủy điện cực nhỏ công suất dưới

100 kW phù hợp với vùng sâu, vùng xa, những nơi có địa hình hiểm trở có thể tự cung tự cấp theo lưới điện nhỏ và hộ gia đình cũng đã và đang được khai thác

2 Lương Duy Thành, Phan Văn Độ, Nguyễn Trọng Tâm(9/2015), Thực trạng khai thác năng lượng tái tạo ở

Việt Nam, Tạp chí khoa học kỹ thuật thủy lợi và môi trường – Số 50

1.1.3.2 Điện gió

Nằm trong khu vực cận nhiệt đới gió mùa với bờ biển dài hơn 3000 km, Việt Nam có một thuận lợi cơ bản để phát triển năng lượng gió Trong chương trình đánh giá về năng lượng cho châu Á, Ngân hàng Thế giới đã có một khảo sát chi tiết về năng lượng gió khu vực Đông Nam Á, trong đó Việt Nam có tiềm năng gió lớn nhất Hiện nay chưa có số liệu đánh giá tiềm năng năng lượng gió chính xác, nhưng sơ bộ các đánh giá khác nhau đưa ra con số tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam dao động trong khoảng 1.700 MW – 9000 MW Thậm chí có báo cáo còn đưa ra số liệu vào khoảng 513.360 MW, tức là bằng hơn 200 lần công suất của thủy điện Sơn La, cao gấp 6 lần công suất dự kiến của ngành điện vào năm 2020 và lớn hơn nhiều so với tiềm năng các nước trong khu vực như Thái Lan (152.392 MW), Lào (182.252 MW) và Campuchia (26.000 MW) Như vậy nếu so với tiềm năng của thủy điện thì nguồn năng lượng gió của Việt Nam rất dồi dào Chúng ta đã bắt đầu triển khai một

số dự án khai thác nguồn năng lượng này như ở Cà Mau, Bạc Liêu, Ninh Thuận và một số huyện đảo không thể đưa điện lưới từ đất liền ra Tuy nhiên, hiện nay chúng

ta mới chỉ khai thác được khoảng 50 MW, một con số rất khiêm tốn so với tiềm năng năng lượng gió của nước ta

1.1.3.3 Năng lượng sinh khối

Là một nước nông nghiệp, Việt Nam có tiềm năng rất lớn về nguồn năng lượng sinh khối Các loại sinh khối chính là: gỗ củi, phế thải - phụ phẩm từ cây trồng, chất thải chăn nuôi, rác thải ở đô thị và các chất thải hữu cơ khác khác từ chế biến nông-lâm-hải sản Theo đánh giá của các nghiên cứu gần đây, khả năng khai thác năng lượng sinh khối rắn cho năng lượng và phát điện của Việt Nam có thể đạt 150-170 triệu tấn mỗi năm và đạt công suất 2000MW Sinh khối được sử dụng ở hai lĩnh vực chính là sản xuất nhiệt và sản xuất điện Đối với sản xuất nhiệt, sinh khối cung cấp hơn 50% tổng năng lượng sơ cấp tiêu thụ cho sản xuất nhiệt tại Việt Nam Ở các vùng nông thôn, năng lượng sinh khối vẫn là nguồn nhiên liệu chính để đun nấu cho hơn 70% dân số nông thôn Đây cũng là nguồn nhiên liệu truyền thống cho nhiều nhà máy sản xuất tại địa phương như sản xuất thực phẩm, mỹ nghệ, gạch, sứ và gốm Ngoài

ra các nguồn sinh khối còn được khai thác ở dạng khí sinh học và nhiên liệu sinh học Hiện nay năng lượng sinh khối mới chỉ khai thác được khoảng 150 MW

1.1.3.4 Năng lượng mặt trời

Việt Nam được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền trung và miền nam của đất nước, với cường độ bức xạ mặt trời trung bình khoảng 5 kWh/m2 Trong khi đó cường độ bức xạ mặt trời lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết với trời nhiều mây và mưa phùn vào mùa đông và mùa xuân Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần về phía Nam chiếm khoảng 2.000

- 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE(tấn dầu tương đương) Năng lượng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện

và cung cấp nhiệt

1.1.3.5 Năng lượng địa nhiệt

Là năng lượng được tách ra từ nhiệt trong lòng Trái Đất Năng lượng này có nguồn gốc từ sự hình thành ban đầu của hành tinh, từ hoạt động phân hủy phóng xạ của các khoáng vật, và từ năng lượng mặt trời được hấp thụ tại bề mặt Trái Đất Năng lượng địa nhiệt đã được sử dụng để nung và tắm kể từ thời La Mã cổ đại nhưng ngày nay nó được dùng để phát điện Có khoảng 10 GW công suất điện địa nhiệt được lắp đặt trên thế giới đến năm 2007, cung cấp 0,3% nhu cầu điện toàn cầu Thêm vào đó,

28 GW công suất nhiệt địa nhiệt trực tiếp được lắp đặt phục vụ cho sưởi, spa, các quá trình công nghiệp, lọc nước biển và nông nghiệp ở một số khu vực

Như vậy, hiện tại ở Việt Nam có 5 loại năng lượng tái tạo3 đã được khai thác

để sản xuất điện Theo thống kê chưa đầy đủ, tổng công suất lắp đặt khoảng 1.215

MW

Bảng 1.1: Công suất năng lượng tái tạo khai thác ở Việt Nam

3 Th.S Hoàng Thị Thu Hường (04/2014), Thực trạng năng lượng tại tạo Việt Nam và hướng phát triển bền

vững - Kỳ 1

1.2 Định hướng nghiên cứu đề tài

Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn NLTT 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 Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)

Bảng 1.2 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam

trong năm (h)

Bức xạ (kcal/cm 2 /năm)

Khả năng ứng dụng

Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt

Tây Nguyên, Nam Trung Bộ 2000-2600 150-175 Rất tốt

Nam Bộ 2200-2500 103-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt

Năng lượng Mặt trời có nhiều ưu điểm như: Có tự nhiên, sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, thân thiện với con người nói riêng cũng như vạn vật xung quanh… Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng từ pin Mặt trời (PV) sẽ góp phần thay thế một phần các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì vậy, sử dụng năng lượng Mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ và tiến đến kết nối lưới có ý nghĩa rất lớn về khoa học

và thực tiễn Góp phần đảm bảo cho cân băng năng lượng bền vững Tuy nhiên, việc ứng dụng năng lượng Mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chưa phát triển xứng với kỳ vọng

Trong đề tài này, chúng tôi tập chung nghiên cứu chế tạo bộ điều khiển hoàn chỉnh cho hệ thống phát điện pin mặt trời (Photovoltaics) đảm bảo tối đa hóa lượng điện năng thu được Bộ điều khiển gồm 02 phần:

- Điều khiển bám điểm công suất cực đại: Điều khiển điện áp đầu ra của pin mặt trời thông qua điều khiển độ rộng xung (PWM) của bộ biến đổi năng lượng DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (maximum power point tracking); cho phép tối đa hóa năng lượng chuyển hóa thành điện năng (hiệu suất) của pin mặt trời

- Điều khiển cơ cấu xoay hệ thống theo vị trí mặt trời: Điều khiển cho hệ thống pin mặt trời luôn vuông góc với ánh sáng mặt trời, thu được nhiều tia bức xạ nhất

1.3 Hệ thống phát điện pin mặt trời

1.3.1 Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời là một hệ thống khai thác nguồn năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành điện áp một chiều, điện áp xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz)

để cung cấp cho tải hoặc nối lưới điện quốc gia hoặc nối lưới khu vực Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng, là một bộ phận không thể thiếu trong lưới điện thông minh

Hình 1.1 : Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời

1.3.2 Ý nghĩa của các khối trong sơ đồ

- Dàn pin Mặt trời : làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin mặt trời

Lưới điện Tải AC

Bộ theo dõi

điểm làm

việc cực đại

- Khối bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định

- Ắc quy sử dụng để tích trữ và phát dòng điện một chiều DC

- Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (DC – AC) biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều, tần số 50Hz phù hợp với lưới điện để cung cấp cho tải

- Máy biến áp có nhiệm vụ tăng điện áp xoay chiều để truyền tải lên lưới

1.4 Kết luận chương 1

Trong chương 1 tác giả đã nghiên cứu, tìm hiểu về :

+ Các dạng năng lượng tái tạo, phân loại các dạng năng lượng tái tạo, vấn đề khai thác năng lượng tái tạo ở Việt Nam

+ Sơ đồ khối của hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, ý nghĩa của các khối trong sơ đồ

CHƯƠNG 2 THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI 2.1 Giới thiệu chung:

- Đối với kết nối đến pin mặt trời: bộ vi xử lý sử dụng thuật toán MPPT theo dõi đường cong dòng - áp làm việc của pin mặt trời, ép pin mặt trời làm việc tại dòng

và áp của điểm công suất cực đại MPP

- Đối với kết nối bình ắc quy, điều khiển sạc cấp dòng DC nạp bình có đặc tính dòng nạp tối ưu:

+ Khi dòng từ pin mặt trời thấp, điều khiển sạc MPPT làm nhiệm vụ tăng, nâng dòng lên để nạp vào bình

+ Khi dòng từ pin mặt trời cao, điều khiển sạc MPPT làm nhiệm vụ giảm, hạ dòng xuống để bảo vệ bình

Có thể thấy đối với thời tiết thay đổi, lượng bức xạ mặt trời khi thấp khi cao thì vai trò điều tiết của điều khiển sạc là rất lớn Do vậy điều khiển sạc MPPT rất hữu dụng nhất là cho các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, sử dụng bình ắc quy và không có kết nối với lưới điện

2.1.2 Các đặc tính chính của điều khiển MPPT

Theo dõi quan hệ dòng điện điện áp của pin mặt trời để tìm điểm năng lượng cực đại của đường cong I-U

Thay đổi điện áp của pin mặt trời buộc pin mặt trời phải làm việc ở điểm năng lượng cực đại nhằm giúp pin mặt trời hấp thu tối đa năng lượng bức xạ mặt trời

Điều chỉnh dòng điện từ pin mặt trời phù hợp với điện áp bình ắc quy Điều này giúp bạn có nhiều lựa chọn các sản phẩm pin mặt trời trong thiết kế vì chúng có

nhiều điện áp khác nhau, ngay cả khi nó có điện áp cao hơn điện áp bình ắc quy Nó còn giúp ta tiết kiệm chi phí cho dây dẫn Thí dụ với trường hợp pin mặt trời đặt xa,

ta phải dùng dây dẫn cỡ lớn để điện áp khi đến bình ắc quy không bị suy giảm Khi

có bộ điều khiển sạc, ta có thể dùng dây nhỏ hơn mà không làm giảm hiệu suất của pin mặt trời sạc vào bình Điều khiển sạc MPPT khiến hệ thống làm việc đơn giản hơn và làm hiệu suất hệ thống tăng lên

2.2 Mô hình toán học và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã được nghiên cứu trong nhiều thập kỷ qua Mạch điện tương đương của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng quang điện, điốt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối

tiếp được chỉ ra trên hình 2.1 ta có:

d c

Igc - là dòng quang điện (A);

Io - là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện.;

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

k - là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K ;

F - là là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin (ví dụ công nghệ Si - mono

F =1,2; công nghệ Si-Poly F=1,3…)

Tc - là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K);

Vd - là điện áp trên điốt (V);

Rp - là điện trở song song

Hình 2.1 : Mạch tương đương của modul PV

Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, được tính theo công thức :

Igc    sc(Tc  T )ref  I Gsc (2.2)

Với : µsc là hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C);

Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K);

Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K);

Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện tiêu chuẩn (nhiệt độ 250C và bức

I I

Voc là điện áp hở mạch của tế bào

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đường đặc tính I(U) hai thông

số là điện áp hở mạch Uoc (khi dòng điện ra bằng 0) và dòng điện ngắn mạch Isc(khi điện áp ra bằng 0)

Hình 2.2 Quan hệ I(U) và P(U) của PV

Công suất của pin được tính theo công thức:

2.3 Các phương pháp tìm điểm công suất cực đại 4

2.3.1 Phương pháp tạo dao động vào quan sát P&O

Phương pháp P&O (Perturb & Observe Method) tìm MPP dựa trên tạo ra các dao động và quan sát dao động đó như trên hình 2.3 Sau khi tạo ra dao động làm cho điểm làm việc thực sự của nguồn PV lệch sang trái hoặc sang phải so với điểm vận

hành trước và được đánh giá thông qua dấu của dP

dV Nếu

dP 0

dV  thì điểm vận hành

đang có xu hướng dịch chuyển lại gần MPP và ngược lại nếu dP 0

dV  thì điểm vận hành đang có xu hướng ra xa MPP

4 Ngô Đức Minh, Lê Tiên Phong (2016), Năng lượng tái tạo trong hệ thống điện, NXB Đại học Thái Nguyên

V(k)=V(k-1) I(k)=I(k-1)

Đ Đ

Đ Đ

S

V(k) > V(k-1)

Tăng V(k) (Giảm PWM)

Giảm V(k) (Tăng PWM)

Giảm V(k) (Tăng PWM)

Hình 2.3 Thuật toán tìm MPP theo phương pháp P&O

Thông số đầu vào của thuật toán là dòng điện và điện áp phát ra của PVg Mỗi khi có sự thay đổi về điều kiện tự nhiên(cường độc bức xạ, nhiệt độ trên nguồn PV) thì các giá trị này lại thay đổi và nguồn PV chuyển sang điểm vận hành mới

Đây là phương pháp thông dụng nhất để tìm MPP nhờ sự đơn giản trong tính toán và việc thực hiện dễ dàng mặc dù vẫn có nhược điểm Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hoặc

ổn định Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh thuật toán thông qua việc

so sánh các tham số ở hai thời điểm trước để dự đoán bước tiếp theo Mặt khác, khi điều kiện tự nhiên thay đổi nhanh thì thuật toán này lại bị coi là chậm chạp hơn Điều này có thể được lý giải như trên hình 2.4

P1

B P

Hình 2.4 Trường hợp không hội tụ của phương pháp P&O

Bắt đầu từ điểm vận hành A nếu điều kiện môi trường ít biến đổi, tăng V một giá trị ΔV sẽ cho ta điểm vận hành B và nhiễu loạn đó ngược với độ giảm công suất Tuy nhiên, nếu bức xạ tằng và chuyển từ được cong P1 sang đường cong P2 trong cùng một chu kỳ lấy mẫu thì điểm vận hành sẽ chuyển từ A sang C Điều này mô tả việc tăng công suất và nhiễu loạn theo cùng một hương Hệ quả là điểm vận hành không hội tụ từ điểm MPP và sẽ giữ phân kỳ nếu cường độ bức xạ tăng nhanh

2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Phương pháp INC (Incremental Conductance Method) vẫn được thực hiện dựa trên việc tạo ra các dao động và nhận xét đặc điểm của MPP trên đường cong V-P Nội dung thuật toán INC được cho mô tả trên hình 2.5

Tại điểm MPP: PV PV 0

Với IPV và VPV là điện áp và dòng điện của nguồn PV

Khi điểm vận hành ở bên phải của MPP trên mặt phẳng P-V, ta có mỗi quan

ΔV = 0

Đo V(k), I(k)

Giảm V(k)(Tăng PWM)

Tăng V(k)(Giảm PWM)

Giảm V(k)(Tăng PWM)

Tăng V(k)(Giảm PWM)

V(k)=V(k-1)I(k)=I(k-1)

Đ

ĐS

Độ lớn của điện dẫn gia tăng sẽ quyết định độ nhanh chậm trong việc tìm ra MPP Tuy nhiên khi điện dẫn gia tăng lơn quá sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động

Ưu điểm chính của phương pháp này là cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh Nhược điểm của pương pháp này là tạo ra dao động công suất trong mạch

2.3.3 Phương pháp điện áp không đổi CV

Phương pháp CV (Constant Voltage) được thực hiện trên cơ sở coi điện áp tại điêm MPP không biến động nhiều so với giá trị VMPP đã biết ở điều kiện tiêu chuẩn khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi Điểm vận hành của PVg được giữ ở gần MPP bằng cách điều chỉnh điện áp PVg ở giá trị điện áp đặt Vref cố định cho trước do sản xuất PVg cung cấp

Đây là phương pháp đơn giản nhất để tìm MPP vì không yêu cầu tín hiệu đầu vào nhưng không bao giờ chính xác tại MPP khi vận hành thực tế bởi vì điều kiện tự nhiên luôn biến đổi Tuy nhiên, phương pháp CV vẫn khá hiệu quả trong những trường hợp vận hành trong điều kiện bức xạ thấp, thậm chí hiệu quả hơn phương pháp P&O và INC

2.3.4 Phương pháp ngắn mạch SC

Phươn pháp SC (Short-Current) được thực hiện dựa trên kinh nghiệm thu được

từ kinh nghiệm vận hành thực tế Giá trị dòng điện tại MPP tỷ lệ với giá trị dòng điện ngắn mạch ISC theo hệ số kI như sau:

Cũng như phương pháp CV, đây cũng là một phương pháp khá đơn giản và không thực sự chính xác khi tìm MPP

2.3.5 Phương pháp điện áp hở mạch OV

Phương pháp OV (Open Voltage) cũng được thực hiện dựa trê kinh nghiệm thu được từ vận hành thực tế Giá trị điện áp tại MPP cũng tỷ lệ với giá trị điện áp hơ mạch VOV một hệ số kV:

VOP(S) = kV.VOV(S) (2.5)

Phương pháp OV khai thác nhạn xét này trên cơ sở chỉ sử dụng một cảm biến điện áp để đo VOC bằng cách sử dụng I khóa tĩnh mắc nối tiếp vào hai đầu PVg để làm hở mạch Khi IPV=0, PVg không phát ra công suất

Cũng như phương pháp CV và SC, đây cũng là một phương pháp đơn giản và không thực sự chính xác khi tìm MPP

2.3.6 Phương pháp nhiệt độ TM

Phương pháp TM(Temperature) được thực hiện dựa trên nhận xét rằng giá trị điện áp hở mạch VOC thay đổi mạnh theo nhiệt độ nhiều nhất trong khi lại thay đổi rất ít theo cường độ bức xạ Ngược lại, đong điện ngắn mạch ISC thay đổi mạch theo cường độ bức xạ trong khi lại thay đổi rất ít theo nhiệt độ Do đó, điện áp hở mạch

VOV có thể được mô tả thông qua phương trình sau:

dVOV/dT=0,08V/0K là hằng số biến thiên của điện áp theo nhiệt độ

Điện áp VMPP tại MPP ở điều kiện vận hành bất kỳ được mô tả thông qua phương trình sau:

V MPP  [u S v T  (wS y V )] MPPtc (2.7) Trong đó: VMPPtc là điện áp tại MPP ở điều kiện tiêu chuẩn

S, T là cường độ bức xạ, nhiệt độ tại thời điểm xét

u, v, w, y là các hệ số cho trước tùy theo cường độ bức xạ

2.3.7 Phương pháp độ dốc tối ưu

Phương pháp độ dốc tối ưu (Optimal Gradient Method) là một phương pháp tính toán số học dựa trên việc tối ưu hóa không ràng buộc đa biến Ý tưởng cơ bản của phương pháp này là chọn hướng có độ dốc âm của hàm mục tiêu khi tìm hướng bước lặp để gần độ lệch nhỏ nhất Các đường đặc tính P-V của PVg có thể được xem như 1 hàm phi tuyến và mục tiêu của MPPT là để tìm cực đại trên các đường cong P-

V đó Vì vậy, MPPT có thể được cài đặt bằng cách tối ưu hóa độ dốc Phương pháp

độ dốc tối ưu có thể được định nghĩa như sau:

Giả thiết một hàm f có n biến thiên trong không gian Euclid, hàm f là lien tục

và vi phân được Vì vậy có một vector hàng ∇f(x) kích thước n được định nghĩa như

Được định nghĩa như 1 vector cột g X ( )   f x ( )T kích thước n, để tiện mô

tả, ta quy ước gk  g X ( k)   f x ( )k T, thuật toán lặp tìm độ dốc tối ưu có thể được xác định thông qua biểu thức :

Xk+1 = Xk + αk · gk (2.9) Trong đó αk là hằng số phi tuyến, việc tìm cực đại trên đường cong P-V là đi theo hướng dương của gk Từ đặc tính của PVg, nếu điện trở nối tiếp được bỏ qua, nó

có thể đạt được mối quan hệ giữa công suất và điện áp như sau:

qV nkT

Vk+1 = Vk + αk · gk

Với αk được tính thông qua (2.12)

Trên đường đặc tính P-V, nó có thể chỉ ra rằng điện áp có giới hạn biên, vì vậy MPPT cho PVg được dựa trên phương pháp tối ưu độ dốc sẽ tìm MPP trong vùng lân cận của nó

Các bước tìm MPP theo phương pháp này:

(1) Cho điểm khởi đầu Vo, sai số cho phép ε và η (ε>0 và η>0), bước khởi đầu với k = 0

(2) Hàm mục tiêu của độ dóc P(V) được tính khi V = Vk

(3) Nếu P V( k)  , việc tính toán được dừng lại, điện áp tối ưu (V*) là

Vk, nếu không thì chuyển sang bước 4

(4) Bắt đầu từ Vk, thực hiện việc tìm hiểu thứ nhất theo hướng độ dôc, và giải bước tốt nhất (αk)

(5) Giải V k1 V k k.P V( k)

(6) Nếu P V( k1)P V( k)thì việc tính toán dừng lại, điẹn áp tối ưu là

V* = Vk+1, nếu không thì cho k=k+1 và trở lại bước 2

Thuật toán này cho thấy khả năng vận hành gần điểm MPP thực với số bước lặp ít hơn so với các thuật toán khác Đồng thời nó cũng sẽ hiệu quả với việc thay đổi nhanh của thời tiết

Tuy nhiên, đây là một thuật toán tìm MPP thuần toán học nên phải xác định được thông số được phổ biến cho các vấn đề thương mại

Vì vậy, trong các thuật toán tìm điểm làm việc cực đại thuần toán học, giá trị của các tham số phải được xác định

2.3.8 Phương pháp trí tuệ nhân tạo

 Phương pháp sử dụng nơ ron ANN (Artificial Nẻual Networks): ANN là một tập hợp các nơron điện như hình 2.6

Để xác định chính xác MPP sử dụng ANN, thông số Wi phải được xác dịnh chính xác dựa trên mối quan hệ giữa đầu vào và đầu ra của hệ thống PVg Do đó, PVg phải được kiểm tra hàng tháng hoặc hằng năm và đặc tính giữa đầu ra và đầu vào của mạng nơron được ghi lại

Tín hiệu đầu vào cho mỗi nơ ron là cả tín hiệu nhận được từ các nơ ron bên cạnh hoặc các biến đầu vào liên quân đến hệ thống phi tuyến đang nghiên cứu Trong ứng của ANN vào bộ MPPT, các biến đầu vào có thể là các tham số của PVg như

VOC, ISC, dữ liệu về khí quyển như cường độ bức xạ và nhiệt độ ANN xuất ra tín hiệu mẫu là tín hiệu độ rộng xung được sử dụng để diều khiển bộ biến đổi vận hành ở MPP

Ưu điểm của ANN là cung cấp 1 MPPT dù độ chính xác mà không yêu cấu cung cấp nhiều tham số về PVg Tuy nhiên, cần chú ý rằng do đa số các PVg cho các đặc tính đầu ra rất khác nhau nên ANN sẽ phải được huấn luyện đặc biệt cho mỗi PVg đó rồi mới sử dụng được Các đặc tính của PVg cũng biến thiên theo thời gian

và điều này có ý nghĩa là mạng nơ ron phải được huấn luyện định kỳ để đảm bảo độ chính xác của việc bám theo MPP Để cài đặt chu kỳ huấn luyện, các dữ liệu mới phải được thu thập thông tin và điều này cũng làm mất khá nhiều thời gian

 Phương pháp logic mờ FL (Fuzzy logic): Hình 4.8 mô tả một hệ thống suy diễn mờ

Cơ sở kiến thức

Cơ sở dữ liệu Quy tắc cơ sở

Suy diễn không mờ

Suy diễn mờ

Phần tử đưa ra quyết định

Hình 2.7 Hệ thống suy diễn mờ

Hệ thống này cài đặt điều khiển logic mờ ở 3 giai đoạn: mờ hóa, ra quyết định

và không mờ hóa Trong quá trình làm mờ hóa, các biến đầu vào chưa biết được chuyển thành biến ngôn ngữ dựa trên hàm liên thuộc

Ở giai đoạn ra quyết định, các quy tắc được viết dạng if-then sẽ xác định phản ứng của bộ điều khiển Các quy tắc mô tả hoạt động của giai đoạn này được mô tả như các biến ngôn ngữ bởi các bộ mờ

ở giai đoạn không mờ hóa, đầu ra các bộ điều khiển logic mờ được biến đổi từ một biến ngôn ngữ thành 1 biến số học vẫn sử dụng hàm liên thuộc hàm nào cung cấp 1 tín hiệu analog để điều khiển bộ biến đổi và đưa điểm vận hành về MPP

Các đầu vào bộ điều khiển logic mờ thường là 1 sai lệch E và một sự thay đổi trong sai lệch Đặc biệt, để bám theo MPP, sai lệch được tính toán dựa trên cường độ bức xạ và nhiệt độ Hoặc các giá trị tức thời như công suất và điện áp Tín hiệu đầu

ra là cả độ rộng xung hoặc VMPP và IMPP từ giá trị mà độ rộng xung có thể tạo ra

Bộ điều khiển logic mờ có 1 số đặc điểm sau: Khả năng làm việc với các đầu váo không chính xác, thiếu các yêu cầu của mô hình toán học chính xác, khả năng giải quyết sự phi tuyến, hội tụ nhanh Tuy nhiên, khả năng học và độ chính xác đạt được bởi việc xấp xỉ phụ thuộc vào số mức mờ và dạng của các hàm liên thuộc Trong hầu hết các hệ thống mờ, hàm liên thuộc kết hợp với mờ hóa và không mờ hóa, cũng như lai lịch và các quy tắc mờ hệ quả được xác định dựa trên việc đánh giá thử nghiệm, sai lệch và tất nhiên cũng mất khá nhiều thời gian

2.3.9 Tìm MPP cho nguồn PV ở chế độ vận hành bị che khuất một phần

Ở chế độ vận hành không lý tưởng, đường đặc tính P-V của PVg là xuất hiện nhiều đỉnh công suất, trong đó có một MPP thực sự được gọi RP (Real Point) và nhiều MPP lân cận được gọi là GP (Global Point) Trong trường hợp này, các thuật toán thuông thường không giải quyết được vấn đề tìm RP vì dễ nhầm với GP Có thể phân tích vấn đề này như sau:

Trường hợp 1: Có một MPP khi vận hành ở chế độ lý tưởng

Trường hợp 2, 3, 4, 5: có nhiều GP lân cận nhau khi có những giá trị khác nhau về cường độ bức xạ rơi trên từng phần của PVg Càng nhiều giá trị khác nhau thì càng có nhiều GP

Khi có nhiều GP như trường hợp này, nếu áp dụng phương pháp P&O và xuất phát từ một giá trị bất kỳ của điện áp thì chương trình rất dễ vận hành ở 1 Gp bất kỳ,

có thể không phải là đỉnh cao nhất Tất cả các phương pháp cũng bị nhầm lẫn tương

tự như phương pháp P&O

Khi đã đạt được 1 điểm cực đại nào đó, thuật toán (flag = 1) để di chuyển sang trái điểm GP và đặt flag = -1 để di chuyển sang phải điểm GP đó Nếu dP/dV là âm thì nó chỉ ra rằng có một điểm đỉnh khác ở lân cận Nếu dP/dV dương thì nó cho thấy một điểm đỉnh đã đạt được

Để giải quyết được vấn đề này, thuật toán tìm GP được mô tả như trên hình 2.8

Đặc điểm của thuật toán này là vẫn dựa trên nền tảng của phương pháp P&O Phương pháp này rất phức tạp, tạo ra nhiễu lớn cho mạch điều khiển

Đ S

S

S

S

S

Hình 2.8 Thuật toán theo dõi MPP ở chế độ làm việc không lý tưởng

2.4 Bộ biến đổi năng lượng Buck converter

2.4.1 Nguyên lý làm việc:

Hình 2.9 Nguyên lý làm việc của bộ buck converter

Hình 2.10 Chế độ làm việc của bộ buck converter

Nguyên lý bộ buck converter khá đơn giản, với một cuộn dây, và 2 khóa (sử dụng 1 transistor và một diode) để điều khiển bộ biến đổi cuộn dây Trong bộ biến đổi lý tưởng, tất cả thành phần được tính toán hoàn chỉnh Đặc biệt khóa và diode có giá trị điện áp 0 giảm xuống và dòng zero khi tắt và cuộn dây ngắn mạch điện trở nối tiếp Tuy nhiên, điện áp đầu vào và đầu ra không thay đổi suốt chu kỳ

Hình 2.11 Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ biến đổi

buck lý tưởng trong chế độ liên tục

Một bộ chuyển đổi buck hoạt động trong chế độ liên tục có dòng điện chạy qua cuộn dây IL không bao giờ giảm về không trong suốt chu kì chuyển mạch Trong chế độ này, nguyên lý hoạt động mô tả trong hình 2.9

- Khi khóa ở trên đóng (chế độ On, phía trên hình 2.10), điện áp trên cuộn dây là

VL = Vi - Vo Dòng chạy trong cuộn dây tăng tuyến tính Khi diode có điện áp ngược bởi nguồn VD, không có dòng qua nó

- Khi khóa mở (chế độ off, phía dưới hình 2.10), diode bị phân cực ngược Điện

áp cuộn dây là VL = - Vo Dòng IL giảm

Năng lượng tích trữ trong cuộn dây L là:

2 L

1

2

  (2.13) Tuy nhiên, coi như năng lượng tích lũy trong L tăng suốt thời gian On (

IL tăng) và giảm khi trạng thái Off L được sử dụng để chuyển năng lượng từ đầu vào đến đầu ra

Tỉ lệ thay đổi IL có thể tính toán từ:

L L

DV

 

Từ công thức này, ta thấy đầu ra điện áp của bộ chuyển đổi biến thiên liên tục theo điện áp đầu vào Chu kỳ D gọi là tần số giữa ton và chu kỳ T, nó không thể lớn hơn 1 Vì vậy Vo ≤ Vi Đó là lý do tại sao bộ chuyển đổi được gọi là step-down converter

Hình 2.12 Sự biến thiên điện áp và dòng theo thời gian trong hoạt động bộ biến

đổi buck lý tưởng trong chế độ không liên tục

Chúng ta xét sự hoạt động bộ biến đổi trong chế độ ổn định Vì vậy, năng lượng trong cuộn dây giống lúc bắt đầu và kết thúc chu kỳ (trong trường hợp không liên tục, nó bằng không) Điều này có nghĩa giá trị trung bình của điện áp cuộn dây (VL) bằng không

 Vi  Vo  DT  Vo    T 0

(2.18) Giá trị của δ:

i o

o

D V



Dòng điện đầu ra nhận từ tải (I0) không đổi, chúng ta coi như tụ điện đầu ra rất lớn để ổn định điện áp đặt lên chu kỳ chuyển mạch Dẫn đến dòng qua tụ điện bằng giá trị không Vì vậy ta có: I̅L = Io