HỆ THỐNG điện mặt TRỜI độc lập, nối lưới tại TPHCM VIỆT NAM

Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời xét trên 1 cá thể pin mặt trời và xét trên toàn thể cách đồng pin năng lương mặt trời, khi xét điểm làm việc cực đại của hệ thống cánh đồng pin mặt trời có xét đến ảnh hưởng của bóng. Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại một điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin năng lượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cách đồng pin. Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phần không thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời nói riêng. Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển toàn bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đại của pin mặt trời.

CAO ĐẲNG LILAMA 2

LẠI MINH HỌC

HƯỚNG DẪN ĐỒ ÁN

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP, NỐI LƯỚI

TẠI TPHCM VIỆT NAM

Chương 1 TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố

Năng lượng mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nó phát

ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêuchuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một phần năng lượng rất nhỏ và bằng17,57 1016 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá

Hình 1.1 Quang phổ mặt trời ngoài khí quyển trái đất

Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Hình 1.1 Trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấyđược có bước sóng 0,4µm đến gần 0,8µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong phổsóng điện từ của bức xạ mặt trời

Bảng 1.1: Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng

Quang phổ Bước sóng Mật độ năng lượng (W/m 2

6,978.10 −56,978.10 77,864.10 62,122.10 18,073.10 1

0,571,555,90

Tia nhìn thấy 0,4 ÷ 0,52 µm

0,52 ÷ 0,62 µm 0,62 ÷ 0,78 µm

2,24.10 61,827.10 62,280.10 6

16,3913,3616,68

để đến được mặt đất thì năng lượng và phổ của nó bị thay đổi đáng kể

Ơ bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lượng bức xạ mặt trời là hằng số và

có giá trị 1353 W/m 2

Ở Việt Nam, Vị trí địa lý đã ưu ái cho chúng ta một nguồn năng lượng tái tạo

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, nănglượng bức xạ mặt trời trung bình đạt 4 đến 5kWh/m2 mỗi ngày.

Hình 1.3 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1,2,3 năm 2011

Hình 1.4 Bức xạ mặt trời tại ba thành phố tiêu biểu năm 2009

Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh

mẽ do bởi các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ranhững hậu quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt… Trong các nguồnnăng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang dần trở nên rất phổ biến bởi vì chúng

có nhiều ưu điểm trong phương pháp phát điện, chí phí bảo dưỡng thấp, an toàn chongười sử dụng và không gây ô nhiễm môi trường Nguồn năng lượng điện mặt trời

đã tăng 20% - 25% so với 20 năm qua do bởi các yếu tố sau:

- Hiệu suất phát điện của pin mặt trời ngày càng được cải thiện

- Cải tiến trong công nghệ sản xuất pin

- Giá thành giảm

Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại giá thành pin mặt trời còn khá cao Công suấtphát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, nhiệt độ và điều kiện thờitiết Đặc tính PV và VI của pin mặt trời lại không tuyến tính, trên đường đặc tuyến

đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP) mà ở đó công suất phát ra của pin mặttrời là lớn nhất Nhưng điểm này không phải là hằng số, chúng luôn thay đổi theonhiệt độ và bức xạ Vỳ vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT)phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng caohiệu suất của pin mặt trời

Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trờinối lưới Chủ yếu về các lĩnh vực như:

Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6]

Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểmcông suất cực đại [16-26]

Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thốngnăng lượng mặt trời [4-15]

Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng vàdòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13]

Comparative Study of Maximum Power Point TrackingAlgorithms [24].

Comparison Of Maximum Power Point Tracking Algorithms For PhotovoltaicSystem [7]

A study of a two stage maximum power point tracking control of aphotovoltaic system under partially shaded insolation conditions [28]

1.2 Mục đích của đề tài

Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm làm việc cực đại củapin mặt trời xét trên 1 cá thể pin mặt trời và xét trên toàn thể cách đồng pin nănglương mặt trời, khi xét điểm làm việc cực đại của hệ thống cánh đồng pin mặt trời

có xét đến ảnh hưởng của bóng Trên đặc các đặc tuyến của pin mặt trời, tồn tại mộtđiểm vận hành tối ưu nơi mà công suất nhận được từ pin mặt trời là cực đại Tuynhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo các điều kiệnmôi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin, đối với cán đồng pin nănglượng mặt trời điểm vận hành tối ưu này còn phụ thuộc vào vùng bóng của cáchđồng pin Vì vậy tìm điểm làm việc cực đại (MPP) của pin mặt trời là một phầnkhông thể thiếu của hệ thống pin mặt trời nói chung và là của bộ chuyển đổi nănglượng từ pin mặt trời nói riêng Bộ chuyển đổi năng lượng có nhiệm vụ chuyển toàn

bộ năng lượng của pin mặt trời ra tải, dưới sự điều khiển của bộ tìm điểm cực đạicủa pin mặt trời

Có rất nhiều bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời đã được nghiên cứu vàcông bố Các bộ chuyển đổi năng lượng này khác nhau ở nhiều khía cạnh như mức

độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi vàgiá thành Đề tài sẽ nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời Mụcđích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất bộ chuyển đổi năng lượng kết hợp vớiphương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường

như nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp, có khả năng dò được điểm làm việctối ưu của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời

1.3 Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

- Xây dựng mô hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng của bóng che, phân tích

các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trờidưới các điều kiện môi trường

- Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp

MPPT xét đến ảnh hưởng của bóng che

- Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời.

- Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che.

- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt

trời, bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại cho cánhđồng pin

1.4 Phương pháp nghiên cứu

- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu

- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời Đề nghị mô hình tính

toán cụ thể

- Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT kết hợp

với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC

- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.

- Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn Đề nghị hướng phát triển của đề

tài

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)

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất

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

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất

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

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)

IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cần thiết cho ứng dụng

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

IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cực đại cần thiết trong ứng dụng

2.3 Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời

Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời, trời tồn tại một điểmcông 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 bin 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

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:

Start

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)

Giảm D(giảm

độ rộng xung)

Tăng D(tăng độ rộng xung)

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 tâm pin có công suất khoảng 2W

và điện áp khoảng 0.5 V 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:

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 phầnNnhững 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

Vùng pin

bị bóng

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

Đặc tuyến P-V của nhánh pin không bị

bóng

Đặc tuyến P-V của nhánh pin bị bóng che

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

Chương 3

ĐỀ XUẤT BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐÁP

ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI

Khi xét đến đặc tuyến P-V hay I-V của 1 tấm pin mặt trời như hình 2.4 và 2.5,nhưng trong thực tế, để đáp ứng được công suất yêu cầu, các tấm pin này sẽ đượcghép với nhau theo một cấu hình nhất định, bao gồm việc ghép song song hoặc nốitiếp các tấm pin lại với nhau để có được công suất đủ lớn cần thiết cho phụ tải yêucầu Chính vì lý do lắp đặt này dẫn đến việc đặc tuyến của pin không còn 1 điểmcực trị và có nhiều điểm cực trị Số điểm cực trị phụ thuộc vào số nhánh ghép songsong, pin có bao nhiêu nhánh song song thì có tối đa bấy nhiêu điểm cực trị

Chương này đưa ra hai cấu hình với hai bộ chuyển đổi NL khác nhau Với cấuhình một (phần 3.2.1) cho công suất thu được là tổng công suất đỉnh của các dãy pinnối tiếp có trong cánh đồng pin, cấu hình hai (phần 3.2.2) cho công suất thu được làtổng công suất của từng pin trong hệ thống cácnh đồng pin, các pin này được ghépchung với nhau tại ngõ ra của bộ DC/DC trên bus DC

3.1 Xây dựng cấu hình chung cho bộ chuyển đổi năng lượng.

Có nhiều bộ chuyển đổi NL khác nhau, được nối vào cánh đồng pin khácnhau, một cấu hình thường được sử dụng là tất cả các tấm pin trong cánh đồng đượcghép nối tiếp và song song lại, sau đó sử dụng 1 bộ DC/DC để chuyển đổi NL Vớicấu hình này, khi cánh đồng bị bóng che sẽ dẫn đến trường hợp, có dãy pin làm việcbên phải điểm MPPT (chưa đạt cực đại), có dãy pin thì làm việc bên trái điểm cựcđại (quá điểm cực đại), có dãy pin thì làm việc đúng điểm MPP Các trường hợpnày xãy ra làm cho tổng công suất thu được là không đạt cực đại so với cấu hình sửdụng từng bộ DC/DC riêng cho từng pin (hình 3.2)

Hình 3.1 Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho 1 tấm pin

Hình 3.2 Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho toàn cánh đồng pin mặt trời

PV

DC/DC

Bus Voltage(Acqui)

MPPTcontrol

Duty

PV

DC/DC Boost converter

MPPT control

MPPT control

MPPT control

Duty

PV

DC/DC Boost converter

MPPT control

Duty

System n

3.2 Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời khi bị bóng 3.2.1 Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1)

Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hưởng của bóng che

Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin xem hình 2.14 Cấuhình này, các giải thuật tìm điểm MPPT nêu ở phần 2.4 là các phương pháp đơn

Lưu lại giá trị PK,

NO

YESXuất D làm việc ứng với D tại P cực đại

PMPPT – ΔIP> P Hoặc PMPPT + ΔIP<P

YES

NO

1)YES

P(k)>P(k-NO

giản để dò tìm điểm MPPT Tuy nhiên tất cả các giải thuật này có thể dễ dàng tìmsai điểm MPP khi pin mặt trời bị bóng che một phần Bởi vì cả hai giải thuật đượcxây dựng dựa trên đường đặc tuyến P-V chỉ có duy nhất 1 điểm cực đại (hay nóicách khác là bức xạ bằng nhau tại mổi phần tử pin) Nhưng thực tế, một tấm pin,một cách đồng pin các thể bị bóng che một phần (do mây, do cây, cao ốc che …)như hình 2.22, dẫn đến trên đường đặc tuyến P-V có nhiều điểm cực trị

Từ hình 2.24 ta thấy, nếu dùng các giải thuật bình thường như V không đổi,P&O hoặc I&C thì sẽ gặp trường hợp, bộ dò MPPT sẽ dò và làm việc tại điểmMPPT1 hoặc MPPT2 Cho nên các giải thuật nằy sẽ dò sai nếu xét đến ảnh hưởngcủa bóng

Từ đường đặc tuyến trên, có nhiều giải thuật được đưa ra để tìm điểm cực đạilới nhất khi bị bóng che Một giải thuật đơn giản nhất được đề xuất theo lưu đồ sau

3.2.2 Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2):

Với cấu hình này (hình 3.2) các giải thuật thông dụng như P&O hay I&C cóthể sử dụng để tìm điểm MP của từng tấm pin, nhưng các giải thuật này tốc độ đápứng với khả năng thay đổi của bức xạ hay nhiệt độ thấp

Với giải thuật P&O là việc so sánh dP và dV, còn giải thuật I&C xét dâu phân

số dP/dV để biết điểm làm việc đang ở đâ Cả hai việc làm này khi đã biết điểmMPP ở đâu thì sẽ giảm hoặc tăng Vref hay Duty 1 lượng nhất định nào đó, chính lý

do này sẽ mất nhiều thời gian để đến điểm MPP Giải thuật được đề xuất trongtrường hợp này là lấy Vref hay Duty của, cộng với một lượng –α(dP/dV) Trong đó αchính hằng số đặt trước để độ tăng hay giảm của Vref hoặc Duty là không quá lớn Lưu đồ của giải thuật

Hình 3.4 Lưu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất

3.3 Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật

Mô hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink, trong đó cácbiểu thức f(u) được xây dựng dựa trên các biểu thức I-V của pin mặt trời, cụ thểdòng quang điện IPH được xây dựng từ biểu thức (2.2), dòng bão hòa ngược IRS đượcxây dựng từ biểu thức (2.5), dòng bão hòa IS được xây dựng dựa theo biểu thức(2.3), dòng I được xây dựng trên cơ sở biểu thức (2.6) Mô hình một tấm pin đượcghép từ 108 cell đơn lẽ, được ghép thành 36 hàng nối tiếp và 3 cột song song

E = α.( ΔIP/ ΔIV)

D = D - E

Hình 3.5 Mô hình 1 cell pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink

Hình 3.6 Mô hình bên trong 1 tấm pin mặt trời được ghép từ 108 cell pin xây dựng

trong Matlab/Simulink

Hình 3.7 Mô hình pin mặt trời thu gọn

Để thực hiện mô phỏng, tác giả sử dụng pin mặt trời thương mại MSX 100, cóthông số như sau:

Bảng 3.1 Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 100 tại 1 kW/m2 , 25 oC

Công suất đỉnh (PP) 100 W Hệ số nhiệt độ của VOC 80-90 mV/oCĐiện áp đỉnh (VPP) 18 V Hệ số nhiệt độ của ISC (KI) 3 mA/oCDòng điện đỉnh (IPP) 5.15 A Ảnh hưởng nhiệt độ lên

oCDòng ngắn mạch (ISC ) 6.1 A Nhiệt độ vận hành bình

oCĐiện áp hở mạch (VOC) 21.6 V

Hình 3.8 Bảng thông số đầu vào của 1 cột gồm 36 cell nối tiếp trong pin mặt trờiĐặc tuyến I-V của pin mặt trời không tuyến tính và nó phụ thuộc vào nhiệt độvận hành của pin và bức xạ môi trường Khi bức xạ mặt trời tăng, dòng ngắn mạch