Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời. Nêu các vấn đề thiết kế điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời. Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập. Kết quả mô phỏng hệ thống bằng MatlabSimulink.
Trang 1BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
-
HOÀNG ĐỨC DŨNG
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành: ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
PGS TS VÕ MINH CHÍNH
Hà Nội - năm 2018
Trang 2Lời cam đoan
LỜI CAM ĐOAN
Em xin cam đoan luận văn thạc sỹ: “Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời” do em tự thiết kế dưới sự hướng dẫn của PGS TS Võ Minh Chính Các
số liệu và kết quả là hoàn toàn đúng với thực tế
Để hoàn thành luận văn này em chỉ sử dụng những tài liệu được ghi trong danh mục tài liệu tham khảo và không sao chép hay sử dụng bất kỳ tài liệu nào khác Nếu phát hiện có sự sao chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Học viên
Hoàng Đức Dũng
Trang 3Mục lục
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
MỤC LỤC i
DANH MỤC HÌNH VẼ iii
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU v
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT vi
LỜI NÓI ĐẦU 1
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2
ĐẶT VẤN ĐỀ 2
1.1 Giới thiệu về hệ thống năng lượng mặt trời 3
1.1.1 Năng lượng mặt trời 3
1.1.2 Điện mặt trời 3
1.1.3 Nhiệt điện mặt trời 4
1.2 Quang điện mặt trời 4
1.2.1 Khái niệm về pin quang điện 4
1.2.4 Hiệu ứng quang điện 5
1.2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 6
1.2.6 Các đặc trưng pin mặt trời 8
1.3 Ứng dụng pin mặt trời trong đời sống 13
1.3.1 Tích hợp vào thiết bị 13
1.3.2 Nguồn điện di động 13
1.3.3 Nguồn điện cho tòa nhà 14
1.3.4 Nhà máy điện mặt trời 15
1.4 Điện mặt trời tại Việt Nam 15
1.4.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam 15
1.4.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam 15
1.5 Kết luận chương 1 16
Chương 2 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ – ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 17
2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 17
2.2 Vấn đề tối ưu hóa hoạt động của pin mặt trời – Bám điểm công suất cực đại 18
Trang 4Mục lục
2.3 Thuật toán bám điểm công suất cực đại – Maximum power tracking point 20
2.3.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch 20
2.3.2 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer) 21
2.3.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 26
2.3.4 Hạn chế của MPPT 29
2.4 Bộ biến đổi nguồn dùng cho hệ thống 30
2.4.1 Các cấu hình biến đổi DC/DC 31
2.4.2 Các cấu hình biến đổi DC/AC 34
2.5 Ắc quy và phương pháp nạp ắc quy 41
2.5.1 Ắc quy 41
2.5.2 Phương pháp nạp ắc quy 42
2.5.3 Điều khiển sạc kết hợp MPTT 45
2.6 Kết luận chương 2 46
Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HOẠT ĐỘNG ĐỘC LẬP 47
3.1 Yêu cầu thiết kế 47
3.1.1 Tính toán kích cỡ pin mặt trời 47
3.1.2 Tính toán yêu cầu bộ DC/DC 50
3.1.3 Tính toán yêu cầu dung lượng ắc quy 51
3.2 Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi DC/DC 51
3.2.1 Tính toán tụ lọc đầu ra 54
3.2.2 Tính toán cuộn cảm 55
3.2.3 Tính toán tham số 55
3.3 Thiết kế bộ biến đổi DC/AC 56
3.3.1 Tính chọn van điều khiển 57
3.3.2 Mạch khuếch đại điều khiển Mosfet 57
3.3.3 Mạch lọc đầu ra của nghịch lưu 57
3.3.4 Biến áp AC/AC 58
3.4 Lựa chọn vi điều khiển và giải thuật 58
3.4.1 Vi điều khiển 58
3.4.2 Chọn phương pháp điều khiển MPPT 60
Trang 5Mục lục
3.5.3 Mạch đo nhiệt độ 62
3.6 Thiết kế mạch sạc ắc quy 62
3.7 Sơ đồ mạch tổng thể hệ thống 63
3.8 Thiết kế phần mềm hệ thống 65
3.8.1 Lưu đồ thuật toán chương trình chính - điều khiển sạc ắc quy bám MPPT 65
3.8.2 Lưu đồ thuật toán chương trình con bám điểm công suất cực đại 66
3.8.3 Lưu đồ thuật toán chương trình con điều khiển nghịch lưu 67
3.9 Kết luận chương 3 69
Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB/SIMULINK 70
4.1 Mô phỏng pin mặt trời 70
4.1.1 Khối I ph 70
4.1.2 Khối I rs 70
4.1.3 Mô hình pin mặt trời 71
4.2 Mô hình hóa giải thuật MPPT 71
4.2.1 Giải thuật P&O 71
4.2.2 Giải thuật INC 72
4.2.3 Khảo sát công suất của hệ khi có bộ điều khiển MPPT 72
4.2.4 Mô phỏng làm việc bộ nghịch lưu SPWM 74
4.3 Kết luận chương 4 76
KẾT LUẬN 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80
PHỤ LỤC 82
Trang 6Danh mục hình vẽ
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện mặt trời 4
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 5
Hình 1.3 Hiện tượng của hiệu ứng quang điện 5
Hình 1.4 Cấu tạo pin măt trời 6
Hình 1.5 Hoạt động của pin mặt trời 7
Hình 1.7 Đặc tính V-A và đặc tính P-V của pin mặt trời 9
Hình 1.8 Đặc tính V-A ở các nhiệt độ khác nhau 10
Hình 1.9 Điểm làm việc và điểm công suất cực đại 11
Hình 1.10 Trạm vũ trụ ISS và Robot tự hành trên sao hỏa 13
Hình 1.11 Nguồn sạc di động và hệ thống điện trên tàu biển 14
Hình 1.13 Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời 15
Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời 17
Hình 2.2 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại 18
Hình 2.4 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu 20
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu Iref 21
Hình 2.6 Đường đặc tính quan hệ giữa công suất và dòng điện P – I của pin mặt trời 22
Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua dòng tham chiếu Iref 23
Hình 2.8 Sơ đồ khối của phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 24
Hình 2.9 Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch boost với chu kỳ nhiệm vụ D 24
Hình 2.9 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D 25
Hình 2.10 Độ dốc (dP/dV) của PV 26
Hình 2.11 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua chu kỳ nhiệm vụ D 28
Hình 2.12 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua dòng điện tham chiếu Iref 29
Hình 2.13 Mô hình và đặc tính I – V, P – V của hệ thống pin mặt trời 30
Hình 2.14 Mô hình hệ thống pin mặt trời 31
Trang 7Danh mục hình vẽ
Hình 2.17 Cấu hình bộ biến đổi Forward & Push-Pull 32
Hình 2.18 Cấu hình bộ biến đổi Flyback 33
Hình 2.19 Cấu hình Half-Bridge và Full-Bridge 34
Hình 2.20 Nghịch lưu cầu 1 pha 34
Hình 2.21 Nghịch lưu có điểm trung tính 34
Hình 2.22 Giản đồ xung của nghịch lưu cầu 1 pha 36
Hình 2.23 Sơ đồ nghịch lưu áp cầu 1 pha 37
Hình 2.24 a) Nghịch lưu cộng hưởng song song – b) Giản đồ xung 37
Hình 2.25 a) Nghịch lưu cộng hưởng nối tiếp – b) Sơ đồ thay thế 37
Hình 2.26 Luật điều khiển 38
Hình 2.27 Sơ đồ khối bộ điều khiển van của PWM 39
Hình 2.28 Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung đơn cực 40
Hình 2.29 Điện áp ra bộ nghịch lưu điều khiển bởi xung lưỡng cực 40
Hình 2.30 Sơ đồ nạp với dòng điện không đổi 42
Hình 2.31 Quan hệ nồng độ dung dịch điện phân và trạng thái điện của ắc quy 43
Hình 2.32 Bốn giai đoạn sạc ắc quy 45
Hình 2.33 Giải thuật sạc ắc quy hai giai đoạn kết hợp MPPT 46
Hình 3.1 Mô hình hệ thống pin mặt trời 47
Hình 3.2 Đồ thị đặc tính Kyocera KC130GHT-2 48
Hình 3.3 Đồ thị đặc tính IV và PV của hệ tại cường độ bức xạ 1kW/m2 49
Hình 3.4 Đồ thị đặc tính IV và PV của hệ tại các mức cường độ bức xạ khác nhau 50
Hình 3.5 Mô hình bộ biến đổi tăng áp 52
Hình 3.6 Sơ đồ thay thế a) Mosfet đóng, b) Mosfet cắt 52
Hình 3.7 a) Dạng sóng điện áp trên cuộn cảm, b) Dạng sóng dòng điện trên tụ điện 53
Hình 3.7 c) Dạng sóng điện áp và dòng điện ở chế độ dòng liên tục 53
Hình 3.8 Dạng sóng điện áp đầu ra 54
Hình 3.9 Dạng sóng dòng điện trên cuộn cảm 55
Hình 3.10 Nghịch lưu cầu H 57
Trang 8Danh mục hình vẽ
Hình 3.11 Sơ đồ kết nối IR2101 57
Hình 3.12a Vi điều khiển 18F2331 59
Hình 3.12b Vi điều khiển 18F2331 60
Hình 3.13 ACS 712 62
Hình 3.14 Mạch sạc ắc quy nạp/xả 63
Hình 3.15 Sơ đồ mạch hệ thống 64
Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán chương trình sạc ắc quy bám MPPT 66
Hình 3.17 Lưu đồ thuật toán chương trình bám điểm công suất cực đại MPPT 67
Hình 3.18 Lưu đồ thuật toán chương trình điều khiển nghịc lưu 68
Hình 4.1 Mô phỏng Iph 70
Hình 4.2 Mô phỏng Irs 70
Hình 4.3 Mô hình pin mặt trời với 4 thông số H, T, V, I 71
Hình 4.4 Sơ đồ giải thuật P&O 71
Hình 4.5 Sơ đồ giải thuật INC 72
Hình 4.6 Hệ pin mặt trời với bộ điều khiển MPPT 73
Hình 4.7 Đồ thị điện áp đầu vào của bộ Boost converter 73
Hình 4.8 Đồ thị điện áp đầu ra của bộ Boost converter 74
Hình 4.9 Sơ đồ mô phỏng bộ inverter 1 pha 74
Hình 4.10 Tín hiệu điều khiển PWM 75
Hình 4.11 Đặc tính I, V sau khi qua bộ nghịch lưu 75
Hình 4.12 Đặc tính I V trên tải 76
Trang 9Danh mục bảng số liệu
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1 Kyocera KC130GHT-2 47Bảng 3.2 Bảng thông số IXSH30N60AUI 56Bảng 3.3 Bảng thông số SW04PCN020 56
Trang 10Danh mục từ viết tắt
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
Trang 11Lời nói đầu
LỜI NÓI ĐẦU
Mục tiêu của luận văn là nghiên cứu thiết kế tối ưu hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập, hướng tới làm chủ công nghệ thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau Trong thời gian tiến hành làm luận văn, em đã thực hiện được các công việc với những kết quả như sau:
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
- Chương 2: Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
- Chương 3: Thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập
- Chương 4: Kết quả mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink
Do thời gian có hạn cũng như sự hạn chế về mặt kiến thức và thực nghiệm, luận văn chắc chắn không tránh khỏi những thiếu sót Vì vậy, em kính mong nhận được những lời nhận xét, đánh giá và góp ý của các thầy cô để em khắc phục và hoàn thiện các phần còn thiếu sót của bản luận văn, tạo tiền đề cho sự ra đời của một sản phẩm hoàn thiện hơn
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ngày tháng năm 2018
Học viên
Hoàng Đức Dũng
Trang 12Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Chương 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI
ĐẶT VẤN ĐỀ
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng, năng lượng càng thể hiện vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm Các nguồn năng lượng đang được sử dụng như nguồn nguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá ) cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp khác đang cho thấy những tác động xấu đến môi trường, gây biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính, cạn kiệt nguồn nước tại nhiều nơi do không có mưa Trước tình hình đó, vấn đề phát triển nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng là cần thiết, đòi hỏi sự quan tâm và đầu tư nghiên cứu
Hiện nay, việc khai thác các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng gió, năng lượng mặt trời đang được phát triển khuyến khích trên thế giới, đi đầu là các quốc gia: Đức, Đan Mạch, Nhật Bản, Hà Lan và Mỹ Việt Nam có vị trí địa lý nằm trong khu vực cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, trong đó nhiều nhất là thành phố Hồ Chí Minh tiếp đến là các vùng miền duyên hải miền Trung sau đấy là đến các vùng Tây Bắc (Sơn
La, Lai Châu, Lào Cai ) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh…) nên việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời đang được các nhà khoa học trong nước quan tâm
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượngsạch Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn
Trang 13Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc gia
1.1 Giới thiệu về hệ thống năng lượng mặt trời
1.1.1 Năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa
Con người đã biết sử dụng nguồn năng lượng này từ rất sớm, nhưng ứng dụng năng lượng mặt trời vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới chỉ thực sự vào thế kỷ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều năng lượng mặt trời, nhưng vùng sa mạc
Từ sau cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm 1968 và 1973, năng lượng mặt trời càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng năng lượng mặt trời Các ứng dụng năng lượng mặt trời phổ biến hiện nay là điện mặt trời và nhiệt mặt trời
1.1.2 Điện mặt trời
Điện mặt trời là lĩnh vực nghiên cứu để biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Hiện nay có hai phương thức sản xuất điện từ năng lượng mặt trời
Chuyển đổi trực tiếp ánh sang mặt trời thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm pin mặt trời (Photovoltaic (PV)) Phương pháp này được sử dụng nhiều trong
việc sản xuất điện quy mô lớn nhỏ khác nhau, cung cấp năng lượng cho tàu vũ
trụ hoặc chiếu sáng công cộng …vv
Chuyển đổi gián tiếp bằng cách tạo nhiệt độ cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ ánh sáng để gia nhiệt cho môi chất truyền động cho máy phát
điện Phương pháp này ứng dụng để sản xuất quy mô lớn
Trang 14Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.1.3 Nhiệt điện mặt trời
Năng lượng mặt trời còn được ứng dụng để đun nước nóng, làm ấm không gian bằng các tấm thu nhiệt, hoặc nấu nước bằng các chảo tập trung ánh sáng mặt trời
Hình 1.1 Nguyên lý hoạt động của nhà máy điện mặt trời
1.2 Quang điện mặt trời
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện vì vậy ta cần tìm hiểu dặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời
1.2.1 Khái niệm về pin quang điện
Pin quang điện (hay còn gọi là pin mặt trời, hình 1.2) là công nghệ sản xuất ra điện năng từ các chất bán dẫn dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời Khi ánh sáng chiếu tới các
tế bào quang điện, nó sẽ sản sinh ra điện năng Khi không có ánh sáng, các tế bào này ngưng sản xuất điện Quá trình chuyển đổi này còn được gọi là hiệu ứng quang điện
Trang 15Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
1.2.4 Hiệu ứng quang điện
Hiện tượng: khi bề mặt của một tấm kim loại được chiếu bởi bức xạ điện từ có tần
số thích hợp (lớn hơn một tần số ngưỡng đặc trưng cho mỗi kim loại), các điện tử sẽ hấp
thụ năng lượng từ các photon và chuyển lên vùng dẫn tạo thành các điện tử tự do e- đồng
thời để lại các lỗ trống mang điện dương, các hạt mang điện này di chuyển tạo 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), hình 1.3 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 Ở một số chất khác, khi được sáng với tần số vượt trên tần số ngưỡng, các điện tử không bật ra khỏi bề mặt, 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 tạo nên 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 1.3 Hiện tượng của hiệu ứng quang điện
Trang 16Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.2.5 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
a) Cấu tạo
Pin mặt trời có cấu tạo tương tự như một diode bán dẫn gồm có 2 lớp bán dẫn n và
p tiếp xúc nhau, nhưng có diện tích bề mặt rộng Mặt trên là lớp bán dẫn loại N (Chất bán dẫn Si pha tạp chất P) cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua, lớp bán dẫn này tiếp xúc với lớp bán dẫn loại P (Chất bán dẫn Si pha tạp chất B), hình 1.4 Ngoài ra, một pin mặt trời còn có một số thành phần khác như các điện cực, lớp phủ chống phản xạ và đế cách điện Hình bên dưới cho thấy cấu tạo cơ bản của một tấm pin mặt trời:
Hình 1.4 Cấu tạo pin măt trời
b) Nguyên lý hoạt động
Khi hai lớp bán dẫn p và n tiếp xúc nhau, do sự chênh lệch về mật độ các hạt dẫn (tức là do gradient hóa thế) nên các điện tử sẽ khuếch tán từ bán dẫn n sang p, lỗ trống khuếch tán ngược lại từ bán dẫn p sang n Sự khuếch tán này làm cho phần bán dẫn n sát lớp tiếp xúc tích điện dương, còn phần bán dẫn p ngay đối diện tích điện âm Trong miền tiếp xúc lúc này hình thành điện trường Utx hướng từ bán dẫn n sang p (Utx sẽ ngăn cản
sự khuếch tán tiếp tục của các hạt dẫn qua lớp tiếp xúc)
Trang 17Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 1.5 Hoạt động của pin mặt trời Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, bị tách ra dưới tác dụng của điện trường tiếp xúc Utx và bị gia tốc về các phía đối diện tạo thành một sức điện động quang điện (Hình 1.5) Sức điện động quang điện phụ thuộc vào bản chất chất bán dẫn, nhiệt độ lớp tiếp xúc, bước sóng và cường độ ánh sáng tới Lớp bán dẫn p-n có tính chỉnh lưu như một diode, chỉ cho điện tử dẫn và lỗ trống dẫn trong vùng tiếp xúc di chuyển về phía bán dẫn n và bán dẫn p tương ứng Nối các đầu bán dẫn bằng một dây dẫn thì trong dây xuất hiện dòng quang điện I đi theo chiều từ bán dẫn p qua tải
về bán dẫn n
c) Phân loại pin mặt trời
Cho tới nay vật liệu chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba loại chính:
- Đơn tinh thể: có hiệu suất tới 16% và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module
- Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc từ Silic nung chảy, sau đó làm nguội và làm rắn Loại này rẻ hơn pin đơn tinh thể nhưng hiệu suất lại thấp hơn Tuy nhiên chúng ta có thể tạo thành các tấm vuông che phủ bề mặt nhiều hơn loại đơn tinh thể bù cho hiệu suất thấp của nó
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể Loại này có hiệu suất thấp nhất nhưng giá rẻ nhất
Trang 18Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.2.6 Các đặc trưng pin mặt trời
a) Sơ đồ tương đương
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây dẫn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang điện Iph Vì vậy trước hết pin mặt Trời
có thể xem tương đương như một “nguồn dòng” Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode Tuy nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một dòng điện được gọi là dòng dò Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở Rsh (shun)
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực, các tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là một điện trở shun Rs nối tiếp trong mạch (có thể là điện trở trong của pin mặt Trời) Như vậy, một pin mặt trời được chiếu sáng có sơ đồ tương đương như sau:
Hình 1.6 Sơ đồ tương đương pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được những phương trình đặc trưng Volt
– Ampere của pin mặt trời như sau:
I 𝜭: dòng quang điện (A/m2)
Id : dòng qua diot (A/m2)
Ish : dòng dò (A/m2)
Trang 19Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
n : được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ
pin mặt trời Gần đúng có thể lấy n = 1
Rs : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt Trời (Ω/m2);
Rsh : điện trở shun (Ω/m2);
q : điện tích của điện tử (C);
Thông thường điện trở sơn Rsh rất lớn vì vậy có thể bỏ qua số hạng cuối trong biểu
thức (1.1)
b) Dòng ngắn mạch Isc
Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện trong mạch của pin mặt Trời khi làm ngắn mạch ngoài (chập các cực của pin) Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin bằng V = 0 Đặt giá trị V = 0 vào biểu thức (1.1) ta có:
α là một hệ số tỉ lệ Như vậy ở điều kiện bình thường, dòng ngắn mạch Isc của pin mặt trời
tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng Hình 1.7
Hình 1.7 Đặc tính V-A và đặc tính P-V của pin mặt trời
Trang 20Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
c) Điện áp hở mạch V oc
Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở (R=∞) Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 Đặt giá trị đó của dòng mạch ngoài vào (1.1) và giả thiết Rsh rất lớn ta được biểu thức xác định VOC như sau:
Trong biểu thức của VOC ta thấy nó phụ thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp (thừa
số T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão hòa IS (hình 1.8)
Hình 1.8 Đặc tính V-A ở các nhiệt độ khác nhau
d) Điểm làm việc cực đại
Xét một đường đặc tính V-A của pin mặt Trời đối với một cường độ bức xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định Nếu các cực của pin mặt trời được nối với tải tiêu thụ điện
R thì điểm cắt nhau của đường đăc tính V-A của pin mặt Trời và đường đặc trưng của tải trong tọa độ OIV là điểm làm việc của pin mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì đường đặc trưng tải là một đường thẳng đi qua gốc
tọa độ và có độ nghiêng α đối với trục OV và tgα = 1/R (trên hình 1.9), (theo định
Trang 21Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
thuộc vào giá trị điện trở R
Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R bằng diện tích hình chữ nhật giới hạn bởi hoành độ và tung độ của điểm làm việc Với các giá trị R khác nhau, các
điểm làm việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng khác nhau Tồn tại một giá trị R=ROPT mà tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại Điểm làm việc ứng với công suất cực đại, điểm A trên hình 1.9, là điểm tiếp xúc giữa đường đặc tính VA của pin mặt Trời và đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const là các đường
hypecbol)
Hình 1.9 Điểm làm việc và điểm công suất cực đại Giá trị điện trở tải tối ưu ROPT được xác định theo định luật Ohm:
OPT OPT OPT
V R
I
Ở điều kiện cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ cho trước ta thấy:
Nếu điện trở tải nhỏ, R << ROPT, pin mặt trời làm việc trong miền MN là miền
Trang 22Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
mà cường độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng dòng đoản mạch ISC
Nếu điện trở tải R lớn, R >> ROPT, pin mặt Trời làm việc trong miền PS với hiệu điện thế gần như không đổi và bằng thế hở mạch VOC
Ta thấy rằng pin mặt Trời chỉ làm việc có hiệu quả khi tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT Điều này không phải lúc nào cũng dễ dàng đạt được bởi vì điểm làm việc ngay đối với một máy tiêu thụ điện cũng thay đổi Ngoài ra bức xạ mặt Trời và nhiệt độ của môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc tính V-A của pin mặt Trời cũng thay đổi và do đó làm dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi điểm làm việc tối ưu Công suất đỉnh là công suất ra cực đại của pin mặt trời dưới điều kiện cường độ bức xạ
và nhiệt độ nhất định Thường được tính dưới điều kiện thử nghiệm chuẩn (STC : Standard Test Condition) là cường độ bức xạ 1000W/m2 và nhiệt độ 250C Công suất đỉnh thường được đo bằng Wp (Watt peak), để chỉ ra giá công suất đỉnh ở điều kiện phòng thí nghiệm, giá trị này rất khó đạt được dưới điều kiện hoạt động thực tế
e) Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
Hiệu suất chuyển đổi quang năng là tỉ lệ phần trăm năng lượng photon đã chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối với tải trên năng lượng photon thu vào
max
P
E A
Với: E (W/m2) : cường độ bức xạ tới
A (m²) : diện tích bề mặt của pin
Thừa số lấp đầy Kf (Fill factor)
Thừa số lấp đầy là tỉ số giữa công suất cực đại với tích của điện áp hở mạch Voc và dòng ngắn mạch Isc
V I
Các thông số quang điện hóa gồm dòng ngắn mạch ISC, thế mạch hở VOC, và công suất cực đại Pmax được xác định từ đường đặc trưng V-A
Trang 23Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Nhận xét: sau khi đã khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố bên trong (Rs,Rsh) và các
yếu tố bên ngoài (Bức xạ mặt trời, nhiệt độ) lên đặc tính của tấm pin mặt trời Cho thấy khi các yếu tố khí hậu bên ngoài thay đổi thì đường đặc tính sẽ thay đổi theo do đó điểm
có công suất lớn nhất cũng di chuyển theo và vị trí của điểm MPP đó không thể biết trước được nó đang nằm ở đâu Do đó, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm pin mặt trời là phải có một thuật toán để theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó
1.3 Ứng dụng pin mặt trời trong đời sống
1.3.1 Tích hợp vào thiết bị
Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp vào bất kì đâu có ánh sáng mặt trời, đặc biệt được ứng dụng rộng rãi trong lĩnh vực hàng không vũ trụ Những nơi mà các nguồn năng lượng thông dụng không thể cung cấp tới
Hình 1.10 Trạm vũ trụ ISS và Robot tự hành trên sao hỏa Pin mặt trời cũng được tích hợp vào các thiết bị sử dụng trong đời sống hàng ngày như: đồng hồ, máy tính, đèn đường … Nó là nguồn năng lượng xanh, sạch đang dần được ứng dụng vào các phương tiện giao thông thay thế cho các nguyên liệu truyền thống gây
ô nhiễm môi trường
1.3.2 Nguồn điện di động
Nguồn điện này sẽ cung cấp điện cho các thiết bị điện tại bất kì nơi đâu Đặc biệt những mơi không có nguồn điện lưới như vùng sâu vùng xa, hải đảo, trên biển …
Các ứng dụng nguồn điện di động phải kể tới bộ sạc năng lượng mặt trời, cặp năng lượng mặt trời, áo năng lượng mặt trời, trạm điện năng lượng mặt trời di động
Trang 24Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 1.11 Nguồn sạc di động và hệ thống điện trên tàu biển
1.3.3 Nguồn điện cho tòa nhà
Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tư của xã hội cho các công trình nhà máy điện khổng lồ bằng cách kết hợp sức mạnh của toàn dân trong việc tạo ra điện phục vụ đời sống sản xuất chung
Hình 1.12 Ngói năng lương mặt trời của công ty Tesla (Mỹ) Nguồn điện cho tòa nhà được chia thành 2 loại đó là nguồn điện mặt trời cục bộ và nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia Riêng nguồn điện mặt trời hòa lưới điện quốc gia có nhiều ưu điểm và mang lại lợi ích kinh tế cao Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình vừa giúp bảo vệ môi trường, vừa thể hiện phong cách sống hiện đại
Trang 25Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.3.4 Nhà máy điện mặt trời
Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với nhau có thể tạo ra được tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế một nhà máy phát điện
Hình 1.13 Nhà máy điện sử dụng pin mặt trời Nhà máy điện mặt trời có thể cung cấp cho một thành phố, một hòn đảo… Hiện nay số lượng nhà máy điện mặt trời trên thế giới còn hạn chế, tuy nhiên trong tương lai số lượng này sẽ tăng lên khi giá thành của pin mặt trời giảm xuống
1.4 Điện mặt trời tại Việt Nam
1.4.1 Tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam
Theo Đặng Đình Thống (2008), Việt Nam thuộc vùng có bức xạ mặt trời vào loại cao trên thế giới, với số giờ nắng dao động từ 1600-2600giờ/năm, (trung bình xấp xỉ 5kwh/m2/ngày), được đánh giá là khu vực có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt là tại khu vực miền Trung và miền Nam Theo các nhà chuyên môn thì trong tương lai, nhu cầu sử dụng các thiết bị chạy bằng năng lượng mặt trời ở nước ta là rất lớn,
kể cả khu vực thành thị cũng như khu vực nông thôn Pin mặt trời vừa có thể thay thế cho thuỷ điện nhỏ khi mùa hanh khô, vừa có thể là nguồn năng lượng dự trữ khi điện lưới quốc gia không đủ cung cấp cho người dân
1.4.2 Những dự án điện mặt trời ở Việt Nam
Tuy tiềm năng điện mặt trời ở Việt Nam là rất lớn nhưng do chi phí phát triển điện mặt trời trước còn khá cao nên các dự án điện mặt trời ở Việt Nam chủ yếu có quy mô nhỏ lẻ và mang tính chất thử nghiệm Các dự án điện mặt trời này thường là các hệ thống
Trang 26Chương 1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
điện mặt trời độc lập cung cấp điện cho các khu vực mà lưới điện quốc gia chưa thể vươn tới như các vùng núi, vùng xa vùng xôi, hải đảo Hiện này việc sử dụng các nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường đã và đang được chính phủ tạo điều kiện phát triển
Do đố hiện nay trên cả nước ta có rát nhiều dự án điện mặt trời đang được bàn thảo và lên
kế hoạch phát triển Ví dụ như:
Dự án điện mặt trời ở Ninh Thuận: 500 MW
Dự án điện mặt trời ở Khánh Hòa: 200 MW
1.5 Kết luận chương 1
Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn
Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:
- Cấu trúc của mặt trời và đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời
- Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay
Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh vấn đề sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời và hệ thống điện mặt trời độc lập là một phương thức sử dụng năng lượng mặt trời rất kinh tế, đặc biệt phù hợp với địa hình các vùng miền núi, xa xôi hải đảo, nơi mà lưới điện quốc gia chưa có điều kiện vươn tới Năng lượng là lĩnh vực đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi và cũng là vấn đề
mà luận văn nghiên cứu
Chương 2 sẽ trình bày các vấn đề thiết kế và điều khiển hệ thống năng
Trang 27Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Chương 2 CÁC VẤN ĐỀ THIẾT KẾ – ĐIỀU KHIỂN
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời
Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời
Hệ thống điện mặt trời được cơ bản chia làm hai loại:
- Hệ PV làm việc độc lập
- Hệ PV làm việc nối lưới
Trong đó hệ PV độc lập thường được sử dụng tại các vùng cao, vùng miền núi, vũng xa xôi hải đảo, nơi gặp khó khăn trong việc kéo điện lưới quốc gia Bên cạnh đó, hệ
PV làm việc độc lập còn được sử dụng như là một nguồn điện dự phòng cho các hộ gia đình Trong khi đó hệ thống PV làm việc nối lưới có mạng lưới PMT được thiết kế cung cấp công suất để hòa lưới điện quốc gia
Một hệ thống năng lượng mặt trời cơ bản gồm những thành phần sau:
Dãy pin mặt trời
Bộ điều khiển sạc cho ắc quy
Ắc quy đóng vai trò dự trữ năng lượng để đảm bảo hệ thống hoạt động ngay cả khi không có ánh sáng mặt trời
Trang 28Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Inverter biến đổi dòng điện một chiều thành xoay chiều để có thể sử dụng cho các thiết bị gia đình hoặc hòa lưới điện
2.2 Vấn đề tối ưu hóa hoạt động của pin mặt trời – Bám điểm công suất cực đại
Hiện tại, pin mặt trời vẫn được xem là nguồn năng lượng đắt đỏ Vì vậy, cần phải khai thác công suất lớn nhất có thể từ pin mặt trời Để đạt được điều đó, pin mặt trời cần được lắp đặt tại các vị trí thuận lợi ví dụ như hướng nam, thậm chí được điều khiển xoay theo hướng mặt trời để thu được nguồn năng lượng cực đại Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời tồn tại một điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện
áp tương ứng
Hình 2.2 Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại
Theo Riza M (2003), điểm cực đại này lại không cố định, chúng luôn thay đổi theo các điều kiện môi trường (Hình 2.3) Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặc dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay đổi
sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại như vậy gọi là bộ dò tìm công suất cực đại MPPT( Maximum Power Tracking Point )
MPPT là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống PMT qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khóa điện tử dùng trong bộ DC/DC
Trang 29Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 2.3 Đặc tính I – V khi bức xạ thay đổi và vị trí các điểm MPP
Hầu hết các bộ MPPT hiện nay gồm có ba phần cơ bản: bộ chuyển đổi DC-DC, bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển Khi pin mặt trời được nối trực tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trời được điều khiển bởi tải Tổng trở của tải được miêu tả như sau:
D
p LOA
p
V R
I
Trong đó, Vp, Ip 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:
MPP OPT
MPP
V R
I
Trong đó, VMPP, IMPP là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời tại điểm tối ưu Khi giá trị RLOAD bằng với ROPT, công suất cực đại sẽ được truyền từ pin mặt trời đến tải Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau Mục đích của bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với tổng trở tối ưu của pin mặt trời
Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) được phục vụ cho việc truyền công suất từ pin mặt trời tới tải Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp giữa tải và pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất cực đại được
Trang 30Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 2.4 Sơ đồ khối của hệ thống MPPT tiêu biểu Ví dụ đối với mạch tăng áp (Boost converter), mối quan hệ giữa điện áp đầu ra và đầu vào 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
2.3 Thuật toán bám điểm công suất cực đại – Maximum power tracking point
Thuật toán điển hình thường được sử dụng để bám điểm công suất cực đại là:
- Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch (Open Circuit Voltage method)
- Thuật toán điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance method)
- Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe method)
2.3.1 Thuật toán điều khiển tỉ lệ điện áp hở mạch
Trang 31Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Với giá trị k là một hàm logarith của cường độ chiếu sáng, giá trị này thường khoảng từ 0.7 đến 0.8
Ưu điểm: chi phí thực hiện thấp, thuật toán đơn giản và dễ thực hiện
Nhược điểm: không hoạt động chính xác tại điểm công suất cực đại
2.3.2 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observer)
a Phương pháp điều khiển gián tiếp thông qua dòng điện tham chiếu Iref
Thuật toán P&O, còn được gọi là phương pháp “leo đồi” được sử dụng rất phổ biến nhất trong thực tế bởi tính đơn giản của thuật toán và dễ dàng thực hiện hình 2.6 cho thấy công suất ra của PMT là một hàm của dòng điện Trong thuật toán này dòng điện hoạt động của pin mặt trời PMT bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔI và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát (observer) Hình 2.5 trình bày cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu
Hình 2.5 Sơ đồ hệ thống MPPT điều khiển theo dòng điện tham chiếu Iref
Trang 32Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 2.6 Đường đặc tính quan hệ giữa công suất và dòng điện P – I của pin mặt trời Hình 2.6 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra phương thức hoạt động của thuật toán như sau:
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 tức ΔP < 0 và ΔI <
0 thì cần tăng dòng điện hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 tức ΔP > 0 và ΔI >
0 thì cần tăng dòng điện hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 tức ΔP > 0 và ΔI <
0 thì cần giảm dòng điện hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Trang 33Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 tức ΔP < 0 và ΔI >
0 thì cần giảm dòng điện hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Hình 2.7 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua dòng tham chiếu Iref Thuyết minh thuật toán: Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện
áp V sau đó tính toán độ sai lệch ΔP và ΔI sau đó kiểm tra:
- Nếu ΔP ΔI > 0 thì tăng giá trị dòng điện tham chiếu Iref
- Nếu ΔP ΔI < 0 thì giảm giá trị dòng điện tham chiếu Iref
Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của I, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo
Trang 34Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
b Phương pháp điều khiển trực tiếp chu kỳ D
Phương pháp điều khiển này đơn giản hơn và chỉ sử dụng một mạch vòng điều khiển và nó thực hiện nhiệm vụ điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ D trong thuật toán MPPT Hình 2.12 trình bày cấu trúc điều khiển của thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D Nó đo các tín hiệu điện áp và dòng điện của pin mặt trời sau đó qua thuật toán MPPT để điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ D, nhằm thay đổi trở kháng đầu vào Rei của pin mặt trời sao cho phù hợp với trở kháng tối ưu Ropt Khi trở kháng Rei = Ropt thì công suất ra của hệ thống pin mặt trời sẽ là lớn nhất
Hình 2.8 Sơ đồ khối của phương pháp MPPT điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Trang 35Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Theo hình 2.9 có:
- Khi điểm hoạt động của hệ thống PMT nằm bên trái điểm MPP thì phải giảm góc nghiêng của đặc tính tải 𝜭Rei(D,R) ⇒ Phải giảm chu kỳ nhiệm vụ D xuống tăng điện áp làm việc
- Khi điểm hoạt động của hệ thống PMT nằm bên phải điểm MPP thì phải tăng góc nghiêng của đặc tính tải 𝜭Rei(D,R) ⇒ Tăng chu kỳ nhiệm vụ D lên, dẫn tới giảm điện áp làm việc
Từ phân tích nêu trên dễ dàng suy ra được lưu đồ thuật toán như được trình bày trong hình 2.10 và thuyết minh lưu đồ thuật toán tương tự như lưu đồ hình 2.7
Trang 36Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
2.3.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)
a Phương pháp điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Hình 2.10 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 trên hình 2.10
Lưu đồ thuật toán hình 2.10 giải thích sự hoạt động của thuật toán INC điều khiển
Trang 37Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính toán các giá trị gia tăng của ΔI và ΔV Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình trong (2.8):
- Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng dòng điện của PMT
- Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm dòng điện PMT
Vào chu kỳ cuối, nó sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sẽ sử dụng chúng như là các giá trị trước đó cho chu kỳ tiếp theo
Trang 38Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 2.11 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua chu kỳ nhiệm vụ D
b Phương pháp điều khiển thông qua dòng điện tham chiếu I ref
Tương tự thuật toán điều khiển thông qua dòng điện tham chiếu Iref được thuyết minh tương tự lưu đồ hình 2.11
Trang 39Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
Hình 2.12 Lưu đồ thuật toán INC điều khiển thông qua dòng điện tham chiếu Iref
2.3.4 Hạn chế của MPPT
Giới hạn chính của MPPT là không tác động gì đến tín hiệu ra trong khi xác định điểm làm việc có công suất cực đại Nó không thể cùng một lúc tác động lên tín hiệu vào
và tín hiệu ra Vì vậy, nếu hệ thống cần điện áp ra ổn định thì phải sử dụng đến ắc quy để duy trì điện áp ổn định
Một nhược điểm khác của MPPT nữa là: việc xác định điểm làm việc có công suất cực đại sẽ dừng lại nếu như tải không thể tiêu thụ hết lượng công suất sinh ra Đối với hệ
PV làm việc độc lập có tải bị giới hạn bởi dòng và áp lớn nhất thì phương pháp MPPT sẽ dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi MPP và gây tổn công suất Với hệ này, việc xác định
Trang 40Chương 2 Các vấn đề thiết kế – điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời
mặt trời Ngược lại, hệ PV làm việc với lưới luôn xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất vì nếu thừa công suất hệ thống có thể bơm vào lưới điện để tăng lợi nhuận
Xét một ví dụ cụ thể như hình 2.13 để thấy được mặt hạn chế của thuật toán bám công suất cực đại MPPT Hình 2.13a mô tả mô hình hệ thống pin mặt trời khi bị che khuất đi một phần thì sẽ thu được đặc tính I – V và P – V như hình 2.13b
Từ đặc tính hình 2.13b cho thấy trên đường đặc tính công suất P – V xuất hiện hai điểm rất dễ khiến bộ điều khiển MPPT hiểu nhầm đấy là điểm có công suất cực đại Trong quá trình hoạt động rất có thể thuật toán MPPT sẽ bám theo điểm “MPP địa phương” là điểm không cho ra được công suất cực đại của pin mà phải là điểm “MPP chính” mới là điểm làm cho hệ thống PMT có công suất cực đại
Vậy các thuật toán trên chỉ chạy tốt và ổn định trên đường đặc tính P – V như hình 2.13c, còn đối với đặc tính như hình 2.13b thì MPPT hoạt động kém hiệu quả có thể gây
ra lãng phí năng lượng Do đó, trong luận văn này chỉ xét hệ thống pin mặt trời có dạng đặc tính như hình 2.13c mà thôi
Hình 2.13 Mô hình và đặc tính I – V, P – V của hệ thống pin mặt trời
2.4 Bộ biến đổi nguồn dùng cho hệ thống
Cấu hình chung của bộ nguồn sử dụng cho hệ thống bao gồm khối DC/DC và khối DC/AC