Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho hệ thống điện mặt trời

Để khắc phục điểm yếu này, đề tài đề xuất thuật toán cải tiến giải thuật p&o truyền thống bằng cách thêm vào sụ quan sát độ biến thiên của dòng điện trong mỗi chu kỳ lấy mẫu để tránh đuợ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TP HỒ CHÍ MINH - 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : Tiến sĩ Huỳnh Quang Minh

Cán bộ chấm nhận xét 1 :

Cán bộ chấm nhận xét 2 :

Luận vãn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày tháng

năm

Thành phần Hội đồng đánh giá luận vãn thạc sĩ gồm: 1

2

3

4

5

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận vãn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

Ngày, tháng, năm sinh: 28/04/1991

Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện

I TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MPPT CẢI TIẾN CHO HỆ THỐNG ĐIỆN

MẶT TRỜI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về pin mặt trời, hệ thống chuyển đổi năng luợng mặt trời

- Tìm hiểu về bộ biến đổi công suất (Boost converter, Buck converter)

- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ thống pin mặt trời độc lập

- Đề xuất các giải thuật cải tiến giải thuật MPPT p&o truyền thống

- Mô phỏng kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng MATLAB

III NGÀY GIAO NHIỆM vụ : 11/01/2016

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 04/12/2016

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ Huỳnh Quang Minh

Tp HCM, ngày 04 tháng 12 năm 2016

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: LÊ NI MSHV: 7140423

Nơi sinh: Bình Thuận

Mã số : 60520202

LỜI CẢM ƠN

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy Huỳnh Quang Minh, người đã hết

lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này Xin gởi lởi tri

ân nhất của tôi đối với những điều mà Thầy đã dành cho tôi Cảm ơn Thầy

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong bộ môn khoa Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này

Điện-Tp Hồ Chí Minh, ngày 04 tháng 12 năm 2016

Học viên

Lê Ni

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Hệ thống pin quang điện đang ngày càng trở nên quan trọng bởi tính bền vũng về kinh

tế và thân thiện với môi truờng, trái nguợc với nguồn năng luợng hóa thạch truyền thống Tuy nhiên, công suất phát ra bởi module PV phụ thuộc nhiều vào các yếu tố môi truờng nhu bức xạ mãt trời và nhiệt độ Những yếu tố này ảnh huởng đến cả đặc tính dòng điện

- điện áp và công suất - điện áp của hệ thống pin mặt trời Để giảm tác động của môi truờng, phuơng pháp sử dụng bộ điều khiển theo dõi điểm công suất cục đại (MPPT) là cần thiết để tận dụng tối đa công suất thu đuợc từ năng luợng mặt trời Các giải thuật MPPT đuợc đề xuất nhu giải thuật nhiễu loạn và quan sát (P&O), giải thuật điện dẫn gia tăng (INC) hoặc giải thuật thông minh nhu Fuzzy và mạng Neural Trong các giải thuật này, thì giải thuật p&o đuợc sử dụng rộng rãi bởi tính đơn giản dễ thục hiện và không đòi hỏi kỹ thuật tính toán cao Tuy nhiên, bất lợi lớn nhất của giải thuật này là nó có thể đua ra quyết định sai huớng tiến đến điểm MPP khi có sụ thay đổi nhanh chóng của bức

xạ mặt trời Điều này có thể xảy ra khi có sụ thay đổi bức xạ giữa 2 lần lấy mẫu, các thuật toán không thể nhận biết đuợc sụ thay đổi công suất là do nhiễu loạn hay do bức

xạ, vì vậy dẫn đến sụ nhầm lẫn trong buớc nhiễu loạn tiếp theo Để khắc phục điểm yếu này, đề tài đề xuất thuật toán cải tiến giải thuật p&o truyền thống bằng cách thêm vào

sụ quan sát độ biến thiên của dòng điện trong mỗi chu kỳ lấy mẫu để tránh đuợc sử nhầm lẫn khi có sụ thay đổi nhanh chóng của điều kiện bức xạ và sử dụng điều khiển thích nghi với buớc nhảy thay đổi để cải thiện tốc độ hội tụ của giải thuật Giải thuật đề xuất đuợc xác nhận bằng mạch mô phỏng trên công cụ MATLAB

Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu đuợc đặt ra, luận vãn đuợc chia thành 5 chuơng: Chuơng 1: Tìm hiểu tổng quan các nghiên cứu liên quan đến đề tài

Chương 2: Trình bày về năng lượng mặt trời và pin mặt trời

Chương 3: Tìm hiểu bộ biến đổi công suất và trình bày giải thuật MPPT Chương 4: Trình bày kết quả mô phỏng, kết quả thực nghiệm, phân tích Chương 5: Đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT

Photovoltaic systems are becoming more and more important due their economically sustainable and enviromentally reliable energy souorces, contrary to the conventional fossil fuel However, the power generated by PV modules depends on environmental factors, i.e solar radiation and atmospheric temperature These factor affect the both current-voltage and power-loltage characteristics of the PV system and hence the connected load In order to reduce the impact of environment variations, a maximum power point tracking (MPPT) controller is requird to optimally exploit the avable power Several techniques of MPPT algorithms have been proposed These techniques can be classified as either conventional such as perturb and observe, incremental conductance

or intelligent such as Fuzzy Logic and Neural networks A well-know limitation of the Perturb and Observe (P&O) MPPT method is that is can get confused and track in wrong direction during rapidly changing irradition This can happened when the change in insolation between two MPPT sampling instances causes larger power change than the one cause by the voltage increment of the MPPT In this case the algorithm is unable to decide whether the change in power is caused by its own voltage increment or by the change in irradiation This thesis work offers a simple and effective solution to this problem, by using an additional sample at k-2 and then track to information of change

in power and change in voltage and the seconds method additonal information in a change current MATLAB is used for simulation studies, and for experimental validation, a microcontroller is used as a digital platform to implement the proposed algorithm The simulation and experimental results showed that the proposed algorithm accurately tracks the maximum power and avoids the drift in fast changing wether conditions

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Nghiên cứu giải thuật MPPT cải tiến cho hệ thống điện mặt trời” là công trình nghiên cứu của chính bản thân tôi, duới sụ

huớng dẫn của Tiến Sĩ Huỳnh Quang Minh, các số liệu và kết quả thục nghiệm hoàn toàn trung thục Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

Học viên cao học

Lê Ni

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

LỜI CAM ĐOAN

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

CHUƠNG 1: MỞ ĐẦU 1

1.1 Giới thiệu: 1

1.2

Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu : 3

CHUƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỀN ĐỔI NĂNG LUỢNG MẶT TRỜI 4

2.1 Tế bào quang điện (Photovolatic Cell): 4

2.2 Tấm pin mặt trời: 9

2.3 Cấu hình hệ thống năng lượng mặt trời: 13

2.4 Bộ biến đổi công suất: 16

CHUƠNG 3: GIẢI THUẬT TÌM DIÊM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT 2

5 3.1 Các giải thuật MPPT 25

3.1.1 Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC): 25

3.1.2 Incremental Conductance (INC): 29

3.1.3 Fuzzy Logic Control (FLC): 31

3.1.4 Neural Network (NN): 33

3.1.5 Fractional Open-Circuit Voltage (VOC): 34

3.1.6 Fractional Short circuit current (Ise): 35

3.1.7 Ripple Correlation control (RCC): 36

3.1.8 So sánh các giải thuật MPPT: 36 3.2 Các nhân tố ảnh hưởng đến hiệu suất giải thuật MPPT

37

3.2.1 Thời gian nhiễu loạn và bước nhiễu loạn: 37

3.2.2 Hiện tượng trôi (Drift phenomena): 38

3.3 Giải thuật p&o cải tiến: 42

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN PHẦN MỀM MATLAB 54

4.1 Mô phỏng: 54

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng: 54

4.1.2 Kết quả mô phỏng: 62

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 75

5.1 Kết luận: 75

5.2 Hướng phát triển đề tài: 75

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Hệ thống điện mặt trời 2

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời 4

Hình 2.2 Tế bào quang điện 5

Hình 2.3 Tế bào quang điện 7

Hình 2.4 Cấu tạo tế bào quang điện 9

Hình 2.5 Tấm pin năng lượng mặt trời thực tế 9

Hình 2.6 Đặc tuyến I-V, P-V panel pin mặt trời 10

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương pin mặt trời 10

Hình 2.8 Sự thay đổi I-V và P-V tại nhiệt độ cố định và bức xạ thay đổi 12

Hình 2.9 Sự thay đổi I-V và P-V tại bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi 13

Hình 2.10 Cấu hình biến tần trung tâm 14

Hình 2.11 Cấu hình dãy biến tần 15

Hình 2.12 Cấu hình đa dãy biến tần 15

Hình 2.13 Cấu hình tích hợp biến tần 16

Hình 2.14 Cấu trúc bộ Boost 17

Hình 2.15 Dạng sóng trong bộ biến đổi Boost 18

Hình 2.16 Cấu hình bộ biến đổi Buck 18

Hình 2.17 Dạng sóng trong bộ biến đổi Buck 19

Hình 2.18 Dạng sóng trong bộ biến đổi SEPIC 20

Hình 2.19 Dạng sóng trong bộ biến đổi SEPIC 21

Hình 2.20 cấu trúc bộ biến đổi Buck - Boost 22

Hình 2.21 Dạng sóng trong bộ biến đổi Buck - Boost 23

Hình 2.22 cấu trúc bộ biến đổi Cuk 24

Hình 3.1 Khái niệm vận hành của giải thuật p&o 26

Hình 3.2 Lưu đồ giải thuật p&o 27

Hình 3.3 Lưu đồ giải thuật INC 30

Hình 3.4 Hàm thành viên 31

Hình 3.5 Mạng Neural cơ bản 34

Hình 3.6 Vận hành ổn định 3 mứcở giải thuật p&o 39

Hình 3.7 Hiệu ứng trôi 40

Hình 3.8 Vòng lặp tạo hiệu ứng trôi 41

Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống PV với điều khiển MPPT 42

Hình 3.10 Phân tích hiện tuợng trôi 46

Hình 3.11 Luu đồ giải thuật MPPT cải tiến “Driff free” 48

Hình 3.12 Luu đồ giải thuật MPPT cải tiến “Adaptive” 49

Hình 3.13 Lưu đồ giải thuật MPPT cải tiến kết hợp 51

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng 54

Hình 4.2 Khối Panel PV 55

Hình 4.3 Khối mô phỏng thay đổi bức xạ 56

Hình 4.4 Bộ Boost 57

Hình 4.5 Khối điều khiển MPPT 57

Hình 4.6 Khối đo lường và hiển thị 58

Hình 4.7 Khảo sát sự thay đổi nhanh của bức xạ và đáp ứng công suất 61

Hình 4.8 So sánh đáp ứng D và p trong giải thuật cải tiến 1 63

Hình 4.9 Đáp ứng ở giây thứ 6 65

Hình 4.10 Đáp ứng D khi thay đổi tải ở giây thứ 10 66

Hình 4.11 Đáp ứng p khi thay đổi tải ở giây thứ 10 65

Hình 4.12 So sánh đáp ứng D giữa p&o truyền thống và Adaptive 67

Hình 4.13 Đáp ứng D giải thuật Adaptive ở giây thứ 6 68

Hình 4.14 Đáp ứng D, p, V, I trong giải thuật cải tiến 3 71

Hình 4.15 Đồ thị D khi quá độ và tăng bức xạ 72

Hình 4.16 So sánh đáp ứng công suất của 4 giải thuật và lý thuyết 73

DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU

Bảng 3.1 Bảng luật mờ 32 Bảng 3.2 So sánh các giải thuật MPPT 37

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

MOSFET Metal Oxide Silicone Field Effect Transsitor

CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu:

Trong những thập kỷ qua, hên toàn thế giới đang dần chuyển qua sử dụng nguồn năng lượng tái tạo ưong mạng lưới phân phối điện năng Điều này là tất yếu vì sự gia tăng liên tục nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu và sự suy giảm khả năng cung cấp năng lượng thông thường, bằng chứng là cuộc khủng hoảng dầu mỏ, cùng với vấn đề bảo vệ môi trường ngày càng đáng lo ngại

Trong các nguồn năng lượng thay thế, nguồn năng lượng mặt trời từ các tấm pin quang điện (PV) được coi là nguồn năng lượng tự nhiên hữu ích, vì năng lượng này miễn phí, vô tận, được phân phối hên toàn bộ trái đất, đã có rất nhiều quốc gia hên thế giới xem PV là nguồn năng lượng tương lai của toàn cầu

Để tăng hiệu suất truyền công suất pin mặt trời, thì bộ kết nối giữa pin mặt ười và tải đóng vai ưò quan ưọng Các nhân tố như bức xạ, nhiệt độ và góc sẽ ảnh hưởng đến điểm có công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) của pin mặt ười

Những năm gần đây, nhiều nghiên cứu tập trung vào các thuật toán MPPT khác nhau của mảng PV, một số giải thuật như thử nghiệm và sai số (Trial and Error), thuật toán leo đồi (Hill Climbing - HC), phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation and Observation

- P&O), điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance - InCond), mạng nơron (Neural Network), thuật toán mờ (Fuzzy)

Vấn đề bảo vệ môi trường và giá nhiên liệu tăng nhanh, vì vậy tìm kiếm nguồn năng lượng thay thế là mục tiêu chung của toàn thế giới Trong đó năng lượng mặt ười là nguồn năng lượng tái tạo, không gây ô nhiễm môi trường, điện tạo ra tới trực tiếp người sử dụng, chi phí bảo trì thấp, Do đó, nghiên cứu năng lượng mặt ười đã thu hút nhiều sự quan tâm

Mô hình hệ thống năng lượng mặt ười bao gồm các thành phần cơ bản như hình 1.1

2

Hình 1.1 Hệ thăng điện mặt trời

Các tấm pin quang điện được tạo thành từ các chất bán dẫn, thực hiên quá trình chuyển đỗi bức xạ năng lượng mặt trời thành điện DC nhờ hiệu ứng quang điện Với mỗi tấm pin quang điện đều cố một đặc tuyến p - V, trên đó tồn tại duy nhất một điểm cho công suất cực đại toàn cục Nghĩa là khi pin quang điện hoạt động ở nhiều điểm khác nhau thì ta sẽ thu được công suất ngõ ra khác nhau Công suất cực đại thu được khỉ pin quang điện hoạt động tạỉ điện áp nơi mà có công suất cực đại trên đặc tuyến p - V Do đó, chỉ tồn tại duy nhất một điểm có thể thu được công suất cực đại của pin quang điện Điểm hoạt động này trên đặc tuyến p - V được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) MPP thay đổi khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi hoặc khi pin quang điện bị che khuất

Vì vậy thiết bị tìm đỉểm công suất cực đại (MPPT) liên tục là thực sự cần thiết để đạt được hiệu suất chuyển đỗi năng lượng cao góp phần làm giảm giá thành sản phẩm Chính vì vậy, MPPT trờ thành một trong những chức năng quan trọng mà hệ thống điện mặt ười nên cố

Cố rất nhiều giải thuật đã được nghiên cứu và phát triển như phân đoạn điện ặp hở mạch [1], phân đoạn dòng điện ngắn mạch [1], Hỉll-Cỉimbing [2], P&o [3- 6], Incond [7], Incremental Resistance (INR) [8], Ripple Correlation Conưol [9], Fuzzy [10], Neural [11], Particle Swarm Optimization (PSO) [12], Sliding mode [13], [14] và một số kỹ thuật khác Trong đề tài này, tác giả tập trung giới thiệu, phân tích các giải thuật và đưa ra giải pháp

để giải quyết các vấn đề gặp phải ở giải thuật MPPT p&o trong điều kiện thay đổi nhanh chóng của bức xạ (không xét trường hợp bị che khuất do mây hoặc bóng râm)

1.2 Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu :

Battery Utility Power

Dựa trên các vấn đề đặt ra, nội dung nghiên cứu luận văn bao gồm:

- Nguyên cứu lý thuyết: Pin mặt trời, các bộ biến đổi công suất, giải thuật MPPT

- Mô phỏng giải thuật bằng phần mềm MATLAB

4

CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT

TRỜI

Hệ thống chuyển đối nằng lượng mặt trời cơ bản bao gồm các thành phần chính: pin mặt

trời, bộ biến đổi công suất, bộ lưu trữ điện và tải Trong đó pin mặt trời làm nhiệm vụ

chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng DC, điện năng DC này được bộ biến đổi

công suất điều khỉền, giám sát để công suất ngõ ra phù hợp vối tải và tận dụng được công

suất tối đa của pin mặt trời Khỉ năng lượng mặt trời phát ra lớn hơn nhu cầu của tải, bộ

chuyển đổi công suất có nhiệm vụ lưu trữ điện dư vào hệ thống acquy hoặc hòa vào hệ

thống lưới điện quốc gia Các thành phần này kết hợp chặt chẽ với nhau để cố thể vận hành

hiệu quả và đạt hiệu suất cao nhất

Hình 2,1, Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời

2.1 Tế bào quang điện (Photovolatic Cell):

Định nghĩa:

Pin năng lượng mặt trời hay Pin quang điện (Solar panel) bao gồm nhiều tế bào quang điện

(solar cells hình 2.2) - phần tử bán dẫn P-N có chứa trên bề mặt số lượng lớn các cảm biến

ánh sáng là đỉốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện Sự

chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện Khi bề mặt của một tấm kim loại được

chiếu bởi búc xạ điện tử cố tần số lớn hơn một tần số ngưỡng (tần số

IM.'

MPFT A L C

5

ngưỡng là giá trị đặc trưng cho chất làm nên tấm kỉm loại này), các điện tử sẽ hấp thụ năng lượng từ các photon và sinh ra dòng điện (gọi là dòng quang điện) Khi các điện tử bị bật ra khỏi bề mặt của tấm kim loại, ta có hiệu ứng quang điện ngoài (external photoelectric effect) Các điện tử không thể phát ra nếu tần số của bức xạ nhỏ hơn tần số ngưỡng bởi điện tử không được cung cấp đủ năng lượng cần thiết để vượt ra khỏi rào thế (gọi là công thoát) Điện tử phát xạ ra dưới tác dụng của bức xạ điện từ được gọi là quang điện tử Ổ một số chất khác, khỉ được chiếu sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt,

mà thoát ra khỏi liên kết với nguyên tử, trở thành điện tử tự do (điện tử dẫn) chuyển động trong lòng của khối vật dẫn, và ta có hiêu ứng quang điện trong (internal photoelectric effect) Hiệu ứng này dẫn đến sự thay đổi về tính chất dẫn điện của vật dẫn, do đó, người ta còn gọi hiệu ứng này là hiệu ứng quang dẫn

Hình 2.2 Tế bào quang điện

Các pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm pin năng lượng mặt ười có diện tích lớn Các tấm pin mặt ười lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để cố thể xoay theo hướng ánh sáng, giáng như cây xanh hướng về ánh sáng mặt ười Mặc dù các pin năng lượng mặt ười cố nhiều ứng dụng ưong thực tế, nhưng giá thành còn cao nên chì thích hợp cho các vùng điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xaO

6

Phân loại:

Có hai tiêu chuẩn đánh giá vật liệu chế tạo pin mặt trời, là hiệu suất và giá cả Hiệu suất là tỉ

số giữa năng lượng điện từ và năng lượng ánh sáng mặt trời Vào buổi trưa trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000W/m2, trong đó 10% hiệu suất của 1 module lm2 cung cấp năng lượng khoảng 100W, hiệu suất của pin Mặt trời thay đổi từ 6% từ pin mặt trời làm từ silic không thù hình, và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa Có nhiều cách để nói đến giá của hệ thống cung cấp điện (chính xác là phát điện), là tính toán cụ thể giá thành sản xuất trên từng kilo Watt giờ điện (kWh) Hiệu năng của pin mặt trời tạo dòng điện với sự bức xạ của mặt trời là 1 yếu tố quyết định trong giá thành Nói chung với toàn hệ thống, là tổ hợp các tấm pin mặt trời thì hiệu suất là rất quan trọng Và để tạo nên ứng dụng thực tế cho pin năng lượng, điện năng tạo nên có thể nối với mạng lưới điện sử dụng dạng chuyển đổi trung gian; trong các phương tiện di chuyển, thường sử dụng hệ thống ắc quy để lưu trữ nguồn năng lượng chưa sử dụng đến Các pin năng lượng thương mại và hệ thống công nghệ cho

nó có hiệu suất từ 5% đến 15% Giá của 1 đơn vị điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung Âu) giảm xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều

7

Markot offi<K«icy Llữitociystalin* 12 to 15 MultfCrystalJlrifr 11 to 14

Amorphous silicon s to 1 cxrre 7 to 10

CIS Ễ to 12

Hỉnh 23 Tế bào quang điện

Ngày nay, vật liệu chủ yếu chế tạo pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là silic dạng tinh thể Pin mặt ười từ tinh thể sỉlỉc chia ra thành 3 loại (hình 2.3):

- Một tinh thể hay tinh thể đơn (Mono-crystalline) sản xuất dựa ưên quá trình

Czochralski Đơn tỉnh thể cố hiệu suất tới 16%, chúng thường rất đắt tiền do được cắt từ các thỏi sỉlỉc hình ống, các tấm đơn thể này cỗ các mặt ưống ở gốc nối các module

- Đa tinh thể (Multi-crystalline) làm từ các thỏi đúc - đúc từ silic nung chảy được làm nguội và làm rắn Các pin này thường rẻ hơn các đơn tỉnh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp của nỗ

Dải silic (Amorphous silicon) tạo từ các miếng phim mỏng từ sỉlic nống chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon Nền tảng chế tạo dựa ưên công nghệ sản suất tấm mỏng, có độ dày 300pm và xếp lại để tạo nên các module tạo thành các loại pin trên

cấu tạo:

8

Pin mặt trời cấu tạo từ các nguyên tố Silic thuộc nhóm IVA trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học, tức là có 4 electron lớp ngoài cùng Silic nguyên tố không tìm thấy trong tự nhiên mà tồn tại dạng hợp chất phân tử ở thể rắn Cơ bản có 2 loại chất rắn silicon,

là đa thù hình (không có trật tự sắp xếp) và tinh thể (các nguyên tử sắp xếp theo thứ tự dãy không gian 3 chiều) Pin mặt trời phổ biến nhất là dạng đa tinh thể silicon Silic là vật liệu bán dẫn, nghĩa là trong thể rắn của silic tại một tầng năng luợng nhất định mà electron có thể đạt đuợc, và một số tầng năng luợng khác thì không đuợc, đơn giản hơn là có lúc dẫn điện và có lúc không dẫn điện Lý thuyết này căn cú theo thuyết cơ học luợng tử, ở nhiệt

độ phòng thí nghiệm (khoảng 28 °C), Silic nguyên chất có tính dẫn điện kém (cơ học luợng

tử giải thích múc năng luợng Fermi trong tầng trống) Trong thục tế để tạo ra các phân tử silic có tính dẫn điện tốt hơn, chúng đuợc thêm vào một luợng nhỏ các nguyên tử nhóm III hay nhóm V trong bảng tuần hoàn hóa học Các nguyên tử này chiếm vị trí của nguyên tử silic trong mạng tính thể, và liên kết với các nguyên tử silic bên cạnh tuơng tự tạo thành một mạng silic (mạng tính thể) Tuy nhiên các phân tử nhóm III có 3 electron ngoài cùng

và nguyên tử nhóm V có 5 electron ngoài cùng, vì thế nên có chỗ trong mạng tính thể có

du electron còn có chỗ thì thiếu electron Vì thế các electron thừa hay thiếu (gọi là lỗ trống) không tham gia vào các kết nối mạng tinh thể, chúng có thể tự do di chuyển trong khối tinh thể Silic kết hợp với nguyên tử nhóm III (nhôm hay gali) đuợc gọi là loại bán dẫn p bởi vì năng luợng chủ yếu mang điện tích duơng (positive), trong khi phần kết hợp với các nguyên

tử nhóm V (phot pho, asen) gọi là bán dẫn n vì mang năng luợng âm (negative) Luu ý rằng

cả hai loại n và p có năng luợng trung hòa, tức là chúng có cùng năng luợng duơng và âm, loại bán dẫn n - loại âm có thể di chuyển xung quanh, tương tự ngược lại với loại p

9

2.2 Tấm pin mặt tròi:

Hình 2.5 Tẩm pin năng lượng mặt trời thục té

Tấm pin mặt ười (hình 2.5) bao gồm nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp hoặc song song để đạt được mức dòng điện và điện áp mong muốn Quan hệ giữa dòng điện, công suất và điện áp của tấm pin mặt trời được thể hiện như đồ thị hình 2.6

Light Source

J

Hình 2.4 Cấu tạo tế bào quang điện

10

Đặc tuyến I-V, P-V của tấm pin mặt ười thay đổi theo nhiệt độ, bức xạ và điều kiện của tải Tùy vào điều kiện vận hành, điềm vận hành sẽ di chuyển trên cảc đường cong phỉ tuyến này, và bộ điều khiển cố chức năng giám sát để điểm vận hành đạt được công suất ngõ ra tối đa (MPP), gọi là tìm điểm công suất cực đại

Hình 2.6 Đặc tuyến I-V, P-V panel pin mặt trời

1EỠ 1ỂŨ 14Ơ

120 _

100 “

60 40 20 Ũ

11

Sư đồ tương đương:

Sơ đồ tương đương pin mặt ười được thể hiện ở hình 2.7

Hình 2.7 Sơ đồ tương đương pin mặt trời

Rp

12

Trong đó: I và V là dòng điện và điện áp đầu ra của pin mặt trời, Rs và Rp là điện trở nội nối tiếp và song song của tấm pin mặt trời, trong đó giá trị điện trở nối tiếp Rs thấp hơn nhiều so với điện trở song song Rp Mô hình toán học biểu diễn mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện và điện áp phát ra từ pin mặt trời nhu sau:

Iph: Dòng quang điện (A)

Isat: dòng bảo hòa (A)

ns: số luợng pin nối tiếp

ns: số luợng pin mắc song song

sẽ thay đổi theo sụ thay đổi của hai đại luợng này (hình 2.8 và 2.9)

Ảnh huởng của bức xạ lên đặc tuyến (I-V) và (P-V) đuợc mô tả nhu hình 2.8, trong đó các đại luợng dòng điện và điện áp đuợc chuẩn hóa về đơn vị cơ bản theo Voc và Isc để quan sát rõ hơn ảnh huởng của bức xạ lên đặc tuyến này Vì dòng quang điện tỉ lệ với bức xạ chiếu vào, nên ứng với sụ gia tăng bức xạ thì dòng điện phát ra từ pin mặt trời sẽ tăng Hình 2.8 cho thấy sụ thay đổi dòng điện lớn hơn so với điện áp Trong thục

(2.1)

ftp ph

13

tế, sự phụ thuộc của điện áp lên mức bức xạ thường bị bỏ quên Khỉ sự thay đổi của dòng điện và điện áp đều dương, thì công suất tạo ra cũng sẽ tăng theo

Hình 2.8 Sự thay đổi I-V và P-V tại nhiệt độ cé định và bức xạ thay đềỉ

Một đại lượng khác cũng ảnh hưởng đến đạc tuyến của pin mặt trời, đố là nhiệt độ môi trường, hay nhiệt độ tấm pin mặt trời Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến điện áp hở mạch, và điện áp này phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Ảnh hưởng của nhiệt độ lên các đặc tuyến được minh họa ở hình 2.9

14

Hình 2.9 Sự thay đổi Ĩ-V và P-Vtại bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi

Quan sát ở hình 2.9, rõ ràng sự biến đổi của dòng điện theo nhiệt độ là rất nhỏ thường được

bỏ qua so với sự thay đổi điện áp, đây là lý do tại sao dữ liệu cung cấp của nhà sản xuất phải kèm theo điều kiên nhiệt độ và bức xạ để xác định các giá trị điện ặp hở mạch và dòng điện ngắn mạch

Nhiệt độ và bức xạ phụ thuộc vào điều kiện môi trường, điều kiện môi trường thay đỏi theo năm và thay đổi theo ngày, vì vậy nhiệt độ và bức xạ có thể thay đối nhanh chóng theo thời tiết, ngay cả khi có mây che Điều này dẫn đến các điểm MPP thay đổi liên tục, nếu điểm vận hành không sát điểm MPP, sẽ gây ra tổn thất công suất lớn Vì vậy, vai ưò của bộ điều khiển để điểm vận hành đạt MPP là vô cùng quan trọng để thu được năng lượng tối đa có sẵn của pin mặt ười, điều này được thực hiện dựa vào các bộ biến đồi công suất sẽ được trình bày ở phần sau

2.3 Cấu hình hệ thống năng lượng mặt tròi:

Các dãy pin năng lượng mặt ười tạo ra dòng điện và điện áp DC, tuy nhiên ưong các ứng dụng nốỉ lưới, cần phải chuyển thành năng lượng ÁC và nhiệm vụ này được thực hiện bằng các bộ biến đổi công suất, cụ thể là các bộ biến tần (DC/AC) Ngoài ra, các bộ này sẽ thực hiện MPPT của hệ thống pin

1

□

ci

É

Cấu hình biến tần trung tâm:

Đây là cấu hình đơn giản nhất, bao gồm dãy pin nằng lượng mặt trời gồm các dãy nối tiếp được mắc song song để đạt thu công suất theo yêu cầu Các dãy PV này được nối vào một biến tần duy nhất (hình 2.10) Trong cấu hình này tất cả các dãy PV đều hoạt động ở cùng một điện áp nhưng không phải là điện áp cực đại cho tất cả các dãy PV Nhược điểm trong cấu hình này là khó đạt được công suất tối đa cho toàn bộ dãy pin năng lượng mặt ười

Hình 2.10 Cẩu hình biến tần trung tâm

16

cấu hình dãy biến tần:

Hình 2.11 Cẩu hình dãy biến tần

Trong cấu hình dãy biến tần, mỗi dãy PV được mắc nối tiếp vói một biến tần (hình 2.11) Điều này cải thiện được sự sai lệch trong tìm điềm công suất cực đại khi cố sự thay đổi điều kiện hoạt động ở các dãy PV, bởi vì các dãy sẽ hoạt động ở một điểm vận hành khác nhau Tuy nhiên giữa các tấm pin mặt trời trong dãy cũng bị tổn thất công suất do cùng điều kiện vận hành Tuy nhiên, cấu hình này cố chỉ phí lắp đặt cao hơn vì tăng số lượng biến tần cần

sử dụng

Cấu hình đa chuỗi biến tần:

Trong cấu hình này, mỗi dãy PV được kết nối vổi một bộ biến đổi DC/DC để làm nhiệm

vụ tìm điềm công suất cực đại, và các dãy được kết nối vối một biến tần trung tâm cấu hình này có nhược đỉểm giống như cấu hình dẩy biến tần là chỉ phí lắp đặt cao

17

cấu hình tấm pin mặt trời tích họp biến tần

Trong cấu hình này, mỗi tấm pin mặt ười được nối với một biến tần và được kết nối với nhau Biến tần thực hiện tìm điềm công suất cực đại cho mỗi tấm pin mặt ười đảm bảo thu được công suất tối đa cho mỗi tấm pin khỉ các tấm pin hoạt động ưong điều kiện khác nhau Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của cấu hình này là giá thành cao hơn so với các cấu hình khấc

Hình 2.13 Cấu hình tích hợp biến tần

2.4 Bộ biến đổi công suất:

Bộ biến đổi công suất được ví như bộ não của hệ thống pin mặt ười, ngoài nhiệm vụ thực hiện tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống, bộ biến đổi công suất còn có khả năng giám sảt dòng điện, điện áp đầu vào và đầu ra, bảo vệ quá tải, hoặc ngắn mạch, Trong phần này

sẽ trình bày các đặc điểm cơ bản của hai bộ biến đổi công suất đơn giản là bộ Boost và bộ Buck Ngoài ra còn các bộ biến đổi dạng khác như Buck- Boost, Cuk, Sepic, Half Bridge, được trình bày ở tài liệu tham khảo [15]

Bộ Boost: Bộ Boost cố cấu hình như hình 2.14

18

Hình 2.14 Cấu trúc bộ Boost

Bộ Boost có chức năng tăng điện áp, được sử dụng khi điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu

ra hệ thống pin mặt ười Khi khóa Q đóng, cuộn cảm L nối tiếp với nguồn Vi làm cuộn cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa Q ngắt, điện áp ưên cuộn cảm lúc này ngược dấu với hạng thái Q đóng và diode ở ưạng thái phân cực thuận nên điện áp ra Vo lúc này bằng điện

áp nguồn cộng với điện áp cảm ứng ưên cuộn cảm, dẫn đến dòng ưên cuộn cảm giảm dần theo thời gian Tụ điện ngõ ra c có giá trị đủ lớn để dao động điện áp tại ngõ ra nằm ưong giới hạn cho phép Vo cùng dấu với Vi

Ở hạng thái xác lập, dòng II Ở đầu chu kỳ bằng dòng ở cuối chu kỳ

(2.3) Vo: điện áp ngõ ra (V) Vi: điện áp ngõ vào (V) D: chu kỳ nhiệm vụ

Dạng sóng các thành phần ưong cấu trúc bộ biến đổi Boost được thể hiện như hình bên dưới:

(2.2)

+

Vị 1-0 1-0

19

PVVM

V IN -I vosmu !

Hình 2.15, Dạng sổng trong bộ biến đểỉ Boost

Bộ Buck: Bộ Buck có cấu hình như hình 2.16

Hình 2,16, Cấu hình bộ biến đổi Buck

Ngược lại với bộ Boost, bộ Buck cố chức năng giảm điện áp Khỉ khóa Q đóng, cuộn cảm L nối tiếp với nguồn Vỉ làm dòng điện trong cuộn cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa Q ngắt, cuộn cảm L cố khuynh hướng duy trì dòng điện qua nố sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Điện áp đặt vào cuộn cảm L lúc này ngược

Bộ SEPIC: bộ biến đổi SEPIC có điện áp ngõ ra có thể điều chỉnh lớn hơn hoặc nhỏ hơn

điện áp đầu vào, tùy thuộc vào việc điều chỉnh độ rộng xung D cấu hình bộ biến đổi SEPIC như hình 2.18

(2.4)

Hình 2.18 Dạng sóng trong bộ biến đổi SEPIC

Khi khóa Q1 đóng, cuộn càm LI nối tiếp với nguồn Vi, dòng qua L1 tăng dần theo thời

gian Khi khóa Q1 đóng, ngay lập tức áp Vc = Vi, lúc này diode phân cực nghịch nên cuộn

cảm L2 được nạp bởi c có chiều ngược với chiều áp VL2 và áp VL2 ~ -Vi Khi khóa Q1

ngắt, cuộn cảm Ll, tụ c và L2 nối tiêp với nguồn Vi, và tải được cấp năng lượng nguồn Vi,

LI và L2 (được nạp bởi tụ c khi khóa Q đóng), c được nạp trong giai đoạn này, và c sẽ nạp

cho L2 khi khóa Q1 đóng

Biểu thức liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra trong cấu hình SEPIC:

V 1-D

ĐỒ thị minh họa các dạng sóng trong cấu hình SEPIC được thể hiện ở hình 2.19

22

Hình 2.19 Dạng sóng trong bộ biến đổi SEPIC

Bộ Buck-Boost: Bộ Buck-Boost cố thể điều chỉnh điện áp ngõ ra cao hơn hoặc thấp hơn

điện áp ngõ vào giống như bộ SEPIC, tuy nhiên, cấu hình Buck-Boost có ít thành phần thụ động hơn nhưng lại cỏ độ giao động dòng ngõ vào bởi vì khóa công suất đặt ở đầu vào Cấu trúc bộ Buck-Boost như hình 2.20

-TLTLn

23

Hình 2.20 cấu trúc bộ biến đổi Buck - Boost

Khi khóa công suất Q1 đóng, cuộn cảm được nối tiếp với nguồn và được nạp năng lượng,

dòng cuộn cảm tăng lên theo thời gian, lúc này diode D1 phân cực ngược Khi khóa Q1

ngắt, điện áp trên cuộn cảm điện áp trên cuộn cảm ngược dấu và dòng qua cuộn cảm giảm

dần, diode phân cực thuận, lúc này điện áp ra ngược dấu với điện áp đầu vào

Biểu thức liên hệ giữa điện áp ngõ vào và ngõ ra giống với quan hệ trong mạch SEPIC

V out D

V in Ỉ-D

Đồ thị dạng sóng các thành phần trong cấu hình Buck-Boost được thể hiện ở hình bên dưới:

(2.7)

24

Hình 2,21 Dạng sống trong bộ biến đổi Buck - Boost

Bộ Cuk: Bộ biến đồi này cỗ điện áp đầu ra âm so với điện áp đầu vào giống bộ biến đổi

Buck-Boost Cấu hình như hình 2.22

25

Hình 2.22 cấu trúc bộ biến đổi Cuk

Khi khóa Q ngắt, LI nối tiếp với Vi và Cl, sự chênh lệch áp đặc lên LI, diode D phân cực thuận, làm dòng ILI tăng lên theo thời gian, điện áp trên LI là V L1 = Vị — V C1 L2 nối trực

tiếp với tụ ngõ ra C2 và có dấu ngược với dấu và dòng trên L2 được nạp bằng tụ C1 ở thời điểm Q đóng, suy ra VL2 = Vo

Trạng khóa Q đóng, cuộn kháng L1 kết nối tiếp với nguồn vào Vi do đó VLI = Vi Cuộn L2 nối tiếp với C1 và C2 và được nạp bởi Cl, do đó công thức của VL2 = Vo + Vci Điện áp trung bình của VL1 và VL2:

V L1 = D Vi + (1 - D) (Vị - V C1 ) = (Vi - (1 - D) V C1 ) (2.8)

V L2 = D (V o + V C1 ) + (1 - D) v o = (V o + D V C1 ) (2.9)

Ở trạng thái xác lập, điện áp trung bình trên cuộn cảm Llvà L2 phải bằng 0 Tử công công

thức cuối và yêu cầu áp trên cuộn kháng ở trạng thái xác lập; Vc = -^ (2.10)

Điện áp trung bình qua cuộn cảm LI:

Tìm điểm công suất cục đại là một trong những chúc năng quan trọng của hệ thống pin mặt trời Các thuật toán tìm điểm công suất cục đại nhu phân đoạn điện áp hở mạch, phân đoạn dòng điện ngắn mạch, p&o, Fuzzy Logic, đã đuợc đề xuất và áp dụng Trong phần này của luận văn sẽ phân tích các giải thuật MPPT đuợc sủ dụng phổ biến và đề xuất giải thuật

V, một số giải thuật MPPT đuợc phát triển và sủ dụng trong nhiều úng dụng năng luợng mặt trời Gần 20 giải thuật MPPT khác nhau và đuợc nghiên cứu, trong đó có 7 giải thuật đuợc sử dụng phổ biến sẽ đuợc thảo luận trong phần này

3.1.1 Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC):

Trong số các giải thuật MPPT, giải thuật p&o và HC đuợc sử dụng phổ biến nhất [16] ưu điểm của giải thuật này là đơn giản hơn so với các giải thuật nhân tạo, có thể thục hiện trong ứng dụng thục tế vì giải thuật có thể áp dụng tốt cho vi điều khiển hoặc hệ thống sử

lý số tín hiệu (Digital Signal Processing System), có thể thục hiện đuợc giải thuật mà không

cần biết truớc đặc tính của tấm pin năng luợng mặt trời Trong một số tài liệu tham khảo, p&o còn đuợc gọi nhu phuơng pháp leo đồi (Hill climbing method) bởi vì nó sử dụng cùng khái niệm trong nhiễu loạn điểm MPP Thục tế, sụ khác biệt duy nhất giữa hai tên gọi này

là ở biến điều khiển đầu ra, trong đỏ p&o với đầu ra là đỉện áp tham chiếu còn HC có đầu

ra là Độ rộng xung PWM của khóa công suất So sánh giữa 2 giải thuật này được thực hiện

ở [17], kết luận đáp ứng quá độ của p&o tốt hơn so với HC Bên cạnh đỏ, so sánh phương pháp p&o với các phương pháp khác được thực hiện ở [18-19]

về nguyên tắc hoạt động, giải thuật p&o hoặc HC hoàn toàn dựa vào sự nhiễu loạn hoặc dịch chuyển điểm vận hành của tấm pin mặt trời theo dấu của sự biến thiên công suất phát

ra từ pin mặt ười Hình 3.1, sự nhiễu loạn về phía bên phải là cần thiết khỉ điểm vận hành

ờ phía bên trái điểm MPP và ngược lại Ví dụ, nếu sự nhiễu loạn làm tăng giá trị của công suất, thì hướng của nhiễu loạn sẽ được gỉữ như cũ Ngược lại, nếu hướng thay đổỉ sẽ làm giảm dần giá trị công suất phát ra