Mô phỏng và tìm điểm công suất cực đại cho pv array dưới điều kiện bóng che (shading) bằng mạng nơron

ảnh hưởng của hiện tượng chiếu sáng không đồng đều tác động lên công suấtđầu ra của các tấm PV.- Thứ hai, xây dựng một phương pháp mới, có thể dư báo và tìm điểm côngsuất cực đại cho PV

         

TRẦN ĐÌNH PHƯƠNG

MÔ PHỎNG VÀ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO PV ARRAY DƯỚI ĐIỀU KIỆN BÓNG CHE (SHADING) BẰNG MẠNG NƠRON

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2:

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa , ĐHQG Tp HCM ngày …… tháng 12 năm 2010 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm : (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ ) 1 ………

2 ………

3 ………

4 ………

5 ………

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có)

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV Bộ môn quản lý chuyên ngành

-

-Tp HCM, ngày tháng năm 2010 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRẦN ĐÌNH PHƯƠNG Phái: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 03/11/1982 Nơi sinh: Tỉnh Đồng Nai Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện MSHV: 01808314 Khóa (năm trúng tuyển): 2008 – 2010

I – TÊN ĐỀ TÀI: MÔ PHỎNG VÀ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤ T CỰC ĐẠI CHO PV ARRAY DƯỚI ĐIỀU KIỆN BÓNG CHE (SHADING) BẰNG MẠNG NƠRON II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Ý nghĩa và vai trò của điểm công suất cực đại (MPP) - Các phương pháp tìm điểm cô ng suất cực đại cho PV array - Phân tích và mô phỏng ảnh hưởng của hiện tượng b óng che (Shading) lên PV array - Tìm điểm công suất cực đại của PV array dưới điều kiện bóng che bằng kỹ thuật mạng nơron III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề tài): Tháng …… năm 2010

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2010

V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ NGUYỄN HỮU PHÚC

(Họ tên và chữ ký)

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học

Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM, phòng Qu ản lý và Đào tạo SĐH, chuyênngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện Xin cám ơn quí th ầy cô đã tạo điều kiệnthuận lợi để em thực hiện luận văn này

Xin chân thành cám ơn th ầy trực tiếp hướng dẫn, PGS TS Nguyễn Hữu Phúc đãtận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quí báu và hướng dẫn em hoàn thiện đề tàinày Em cũng xin gởi lời cám ơn đến thầy Chủ nhiệm phụ trách lớp CH Thiết bị,mạng và nhà máy điện K2008, TS Vũ Phan Tú đã khích lệ, đôn đốc và giám sáttiến độ trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Rất cảm kích trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp

CH Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2008, cám ơn vì sự đóng góp ý kiến hữu íchcùng những thảo luận thú vị

Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã luôn ủng hộ và động viên trongsuốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này

Kính chúc sức khỏe quí thầy cô và các bạn

Trong những năm gần đây, những mối nguy hiểm đe dọa môi trường ngày càng giatăng từ nhà máy sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng hạtnhân, vì vậy việc sử dụng năng lượng mặt trời trở nên ngày càng thông dụng Ưu điểm dễthấy nhất của năng lượng mặt trời là năng lượng sạch và có nguồn cung cấp vô hạn từnăng lượng ánh sáng ban ngày Khuy ết điểm lớn nhất của nó là vấn đề chi phí còn khácao Trong các hệ thống pin quang điện (PV) hiện nay, các vật liệu bán dẫn biến đổi ánhsáng mặt trời thành năng lượng điện Đặc tuyến V-A của các tế bào PV không tuyến tính,

vì vậy dẫn đến vấn đề điều khiển vận hành gặp rất nhiều khó khăn Đầu tiên đó là sự xấp

sĩ công suất đầu ra của một tấm pin mặt trời tuyến tính với sự bức xạ của ánh sáng mặttrời Tuy nhiên, trong nhiên ứng dụng ngày nay, như các nhà máy đi ện mặt trời, các máinhà, mai che bằng tấm PV tích hợp, các tấm PV mặt trời thường bị chiếu sáng khôngđồng đều Nguyên nhân của sự chiếu sáng không đồng đều là do hiện tượng bóng che(shadow) của các đám mấy, các cây xanh, các hàng rào, v ật chắn, các ngôi nhà hàng xóm,hoặc bóng che của một tấm mặt trời khác, … Điều này dẫn đến sự không tuyến tính trongcác đặc tuyến của tấm mặt trời

Bởi vì bản chất đặc tính của các tế bào PV, sự suy giảm công suất không tuyến tínhvới bóng che (shadow) Hơn n ữa, hiện tượng bóng che của PV array có thể gây ra nhữngtác động không mong muốn khác như:

- Công suất thực tế phát ra từ các PV array thường nhỏ hơn so với thiết kế Một số

hệ thống , tổn thất hằng năm do ảnh hưởng bóng che có thể lên đến 10% Vìvậy, xác suất ‘tổn hao phụ tải’ tăng lên

- Các vị trí điểm nóng trong phần bị bóng che của PV array có thể nguy hiểm đếncác tế bào PV Các tế bào PV bị bóng che sẽ làm việc ở vùng điện áp âm và trởthành một phụ tải điện trở và tiêu thụ công suất Các bypass-diode thường đượcnối song song với các tế bào PV để bảo vệ chúng không bị nguy hiểm Tuynhiên, hầu hết chỉ có một diode được nối song song với một nhóm tế bào PV

ảnh hưởng của hiện tượng chiếu sáng không đồng đều tác động lên công suấtđầu ra của các tấm PV.

- Thứ hai, xây dựng một phương pháp mới, có thể dư báo và tìm điểm côngsuất cực đại cho PV array dưới các các điều kiện bóng che bằng kỹ thuật mạngnơron

MỤC LỤC

1.1 Tổng quan 1

1.2 Giải thích tên đề tài và các thuật ngữ 6

CHƯƠNG II: CÁC CÔNG TRÌNH NGHIÊN C ỨU CỦA CÁC TÁC GIẢ 8 CHƯƠNG III: CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN 14 3.1 Tình hình phát triển của năng lượng mặt trời 14

3.2 Năng lượng mặt trời 14

3.3 Pin quang điện PV 15

3.3.1 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV 16

3.3.2 Sơ đồ mạch PV khi có tính đến tổn hao 17

3.3.3 Môdun PV 18

3.3.4 PV array và các ảnh hưởng tác động 20

3.4 Điểm công suất cực đại (MPP) 26

3.4.1 Yêu cầu tìm điểm công suất cực đại MPP 26

3.4.2 Làm thế nào để thu được đ iểm công suất cực đại MPP 27

3.5 Các kỹ thuật tìm MPP 28

3.5.1 Giải thuật Perturb & Observe 30

3.5.2 Giải thuật Incremental Conductance 33

3.5.3 Kỹ thuật Parasitic capacitance 35

3.5.4 Voltage control maximum point tracker 36

3.5.5 Current control maximum point tracker 36

CHƯƠNG IV: TÌM HIỂU VỀ MẠNG NƠRON 37 4.1 Tổng quan 37

4.2 Khái niệm về mạng nơron nhân tạo 37

4.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo 38

4.4 Mô hình mạng nơron 43

4.5 Ứng dụng của mạng n ơron 48

4.6 Quá trình huấn luyện của mạng nơron 48

CHƯƠNG V: TÌM MPP CHO TẤM PV BẰNG KỸ THUẬT MẠNG NƠRON 50 5.1 Cấu trúc mạng nơron 50

5.2 Huấn luyện mạng nơron 52

CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 54 6.1 Mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên PV array 54

6.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ chiếu sáng lên các đặc tuyến của môdun PV 54

6.1.2 Ảnh hướng của bóng che (shading) lên các đặc tuyến của môdun PV 56

a Ảnh hưởng của điện trở shunt của PV cell 56

b Ảnh hưởng của phần trăm bó ng che 59

c Ảnh hưởng của số cell bị bóng che 61

d Ảnh hưởng của số cell bị bóng che lên PV array 67

6.1.3 Sử dụng Bypass-diode 69

a Sử dụng bypass-diode trong môdun PV 69

b Sử dụng bypass diode trong PV array 72

6.1.4 Ảnh hưởng của cường đ ộ chiếu sáng không đều lên PV array 76

6.2 Mô phỏng giải thuật P &O a Trường hợp cường độ chiếu sáng thay đổi chậm 79

b Trường hợp cường độ chiếu sáng thay đổi nhanh 79

c Trường hợp khi array bị bóng che 80 6.3 Mô phỏng giải thuật In cCond

a Mô phỏng trong trường hợp khi cường độ c hiếu sáng thay đổi nhanh 86

b Mô phỏng dự báo MPP trong trường hợp khi có bóng che 87

6.5 So sánh kỹ thuật P&O và mạng nơron 93

6.6 Kết luận và kiến nghị 100

6.6.1 Kết luận 100

6.6.2 Kiến nghị 100

Tài liệu tham khảo 101

Phụ lục 102

A.1 Hàm MATLAB mô phỏng môdun PV 102

A.2 Hàm MATLAB để tìm điểm MPP cho môdun PV 103

A.3 Chương trình MATLAB : Giải thuật P&O 104

A.4 Chương trình MATLAB : Giải thuật IncCond 106

A.5 Chương trình MATLAB : Kỹ thuật mạng nơron 109

CHƯƠNG I: PHẦN MỞ ĐẦU

1.1 Tổng quan

Trong những năm gần đây, các nguồn năng l ượng truyền thống như than đá, dầu

mỏ đang dần cạn kiệt, giá th ành cao, nguồn cung không ổn định, nhiều nguồn năng

lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là nguồn năng lượng

mặt trời Bởi vì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng rất phong phú và ít ônhiễm môi trường

Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đ ã tăng nhanh tốc độxây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời Tại Thái Lan, Malaysi a, Trung Quốc,Hàn Quốc từ nhiều năm nay đ ã coi hướng phát triển năng l ượng tái tạo như mộtquốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng tr ưởng rất mạnh và chiếm một

tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng Nếu so với một số n ước ở châu Phihay Nam Á có cùng hoàn c ảnh, Việt Nam vẫn c òn đi sau họ Tuy nhiên, Việt Nam

là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong

năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, rất thuận lợi cho việc tạo năng l ượngđiện từ năng lượng mặt trời, đặc biệt l à thông qua hệ thống Pin mặt trời (PV)

Việc áp dụng rộng rãi hệ thống PV phụ thuộc chủ yếu v ào vấn đề làm cách nào

để cải thiện được hiệu suất làm việc của các tấm Pin PV v à vấn đề giảm thiểu các

chi phí lắp đặt hệ thống PV Một trong những kỹ thuật được biết tới để cải thiệnhiệu suất được gọi là kỹ thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT) (Hussein et al.1995; Merwe và Merwe, 1998) V ề cơ bản, phương pháp điều khiển ngõ ra của hệthống PV để đạt được sự tương thích của nguồn và điện kháng phụ tải cho mọi điềukiện thời tiết, vì vậy hệ thống PV sẽ cung cấp công suất lớn nhất cho phụ tải

Hình 1.1.1: Bản đồ phân bố chiếu sáng ở các n ước Đông Nam Á.

Các kỹ thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT) hiện nay đ ược nghiên cứu và

áp dụng thực tế rất nhiều nhưng vẫn còn gặp phải một số khó khăn về vấn đề đáp

ứng nhanh với những thay đổi của điều kiện thời tiết (nhiệt độ, độ chiếu sáng) v àtrong trường hợp tấm PV bị bóng che Cụ thể nh ư sau:

a Kỹ thuật P&O:

Kỹ thuật P&O dựa trên sự thay đổi ΔP theo ΔV để đưa ra sự đóng cắt thích hợpsao cho công suất thu được là cực đại Kỹ thuật P & O l à một phương pháp “leo

đồi” như hình 1.1.2

Hình 1.1.2: Phương pháp tìm MPPT bằng kỹ thuật P&O.

Kỹ thuật P&O phụ thuộc rất lớn v ào thời gian lấy mẫu so sánh Trong trườnghợp cường độ chiếu sáng không đổi giải thuật P&O hoạt động rất tốt khi truy t ìm

điểm cực đại, tuy nhiên khi cường độ chiếu sáng thay đổi giải thuật n ày sẽ sai, ví dụ:Khi cường độ chiếu tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 san g P2

Hình 1.1.3: Việc tìm MPP bị sai lệch khi sử dụng giải thuật P&O.

Giả sử ở thời điểm k hệ MPPT đang điều khiển PV hoạt động ở điểm A, thời

Nếu hệ MPPT dùng giải thuật P&O thiết kế cho dao động xung quanh điểm cânbằng, thì sau một vài chu kỳ hoạt động sai, hệ sẽ đ ưa điểm làm việc về điểm MPPmới.

Nếu cường độ chiếu sáng tăng dần (hoặc giảm dần), giải thuật P&O vẫn có thểsai nếu chu kỳ lấy mẫu không ph ù hợp Do hệ MPPT không hiểu đ ược công suất

tăng do thay đổi cường độ chứ không phải do sự dao động điện áp khi l àm việc Kết

quả là giải thuật sẽ giảm điện áp li ên tục hoặc tăng điện áp li ên tục, do nhận thấycông suất đo lúc sau vẫn lớn h ơn lúc đầu

Ta nhận thấy nguyên nhân dẫn đến sự hoạt động sai của giải thuật P&O l à

không phân biệt được “sự thay đổi nhanh của điều kiện thời tiế t”.

b Kỹ thuật Incremental Conductance (Hiyama et al., 1995)

Hình 1.1.4: Đường đặc tính công suất của tấm PV.

Kỹ thuật Incremental Conductance (IncCond) dựa v ào độ dốc của đường đặctính công suất của tấm PV (hình 3), độ dốc bằng zero tại điểm MPP, d ương ở phía

bên trái điểm MPP, và âm ở phía bên phải:

dP/dV = 0, tại điểm MPP

dP/dV > 0, ở bên trái điểm MPP (1)

dP/dV < 0, ở bên phải điểm MPP

Khi đó:

V

I V I dV

dI V I dV

Có thể viết lại như sau:

ΔI/ΔV = −I/V, tại điểm MPP ΔI/ΔV > − I/V, ở bên trái điểm MPP ΔI/ΔV < − I/V, ở bên phải điểm MPP.

Vì vậy MPP được tìm bằng cách so sánh điện dẫn (I/V) với (ΔI/ΔV) V ref là

điện áp tham chiếu Tại điểm MPP th ì V ref bằng V MPP Khi MPP đạt được, tấm PV sẽ

làm việc ở điểm này trừ khi có sự thay đổi của ΔI đáng kể, (do sự thay đổi điều kiện thời tiết) Giải thuật tăng giảm V refđể tìm MPP mới

Tuy nhiên, để tìm nhanh MPP ta sẽ cho độ gia tăng lớn h ơn và kết quả là làm

cho hệ thống làm việc không còn chính xác tại MPP và bị dao động Giải thuậ tIncremental Conductance c ũng cải thiện hiệu quả điểm công suất cực đại, nh ưngcòn một số hạn chế như là trong trường hợp tấm PV bị bóng che Khi đó, đ ường

cong đặc tính công suất P-V sẽ xuất hiện nhiều điểm MPP khác nhau nh ư trong hình

1.1.5 Dẫn đến việc tìm điểm MPP dựa và dP/dV = 0 sẽ không tìm được điểm công

suất cực đại thực sự

thời tiết thay đổi và ảnh hưởng của hiện tượng bóng che (shading) Trong những

năm gần đây, kỹ thuật mô h ình hóa dựa vào mạng nơron vừa được ứng dụng rộng

rãi trong ngành điện Ưu điểm chính của phương pháp này rất thích hợp để huấnluyện mô hình phi tuyến (hệ PV) thích ứng nhanh với những thay đổi của điều kiệnthời tiết và ảnh hưởng của hiện tượng bóng che (shading)

Luận văn này xây dựng một mô hình và giải thuật, có thể mô phỏng và phântích ảnh hưởng của hiện tượng chiếu sáng không đồng đều (bóng che) ảnh h ưởng

lên công suát đầu ra của các tâm PV V à xây dựng một phương pháp mới tìm MPP

bằng kỹ thuật Mạng Nơron nhân tạo cho hệ thống PV Đồng thời mô phỏng đặc tínhcủa PV array dưới tác động của hiện t ượng shading và so sánh tính hiệu quả của kỹthuật mạng nơron so với các kỹ thuật P&O v à kỹ thuật Incremental Conductance

1.2 Giải thích tên đề tài và các thuật ngữ

Tên đề tài: “Kỹ thuật tìm điểm công suất cực đại (MPP) cho tấm PV bằng lý

thuyết mạng nơron”

Giải thích các định nghĩa:

- PV : photovoltaic: pin quang đi ện, biến quang năng th ành điện năng

- MPP : maximum power point: đi ểm làm việc mà tại đó công suất thu được

cực đại

- MPPT : maximum power point tracking: đi ều khiển tại vị trí thu đ ược công

suất cực đại

- P&O : Perturb & Observe, còn g ọi là phương pháp “hill climbing”: quan sát

và biến đổi để đạt đến điểm cực đại

Tóm tắt đề tài:

Bài luận văn này cho ta thấy vai trò và tầm quan trọng của điểm công suất cực

đại (MPP) và các kỹ thuật tìm kiếm điểm công suất cực đại cho tấm PV Đối với hệ

MPPT có rất nhiều giải thuật khác nhau (P&O, INC, CV , …), mỗi giải thuật có ưu

điểm và khuyết điểm riêng

Giải thuật P&O là giải thuật cơ bản, đơn giản và được áp dụng tương đối rộngrãi đối với hệ MPPT Giải thuật P&O truyền thống có đáp ứng kém khi c ường độchiếu sáng của mặt trời thay đổi nhanh Do đó luận văn này đề nghị một phươngpháp mới dựa vào lý thuyết về Mạng Nơron để xây dựng mô hình và giải thuật tìm

điểm công suất cực đại (MPPT) cho Bảng PV thích ứng với sự thay đổi nhanh củađiều kiện thời tiết (độ chiếu sáng, nhiệt độ) v à hiện tượng bóng che (shading) Và so

sánh kết quả mô phỏng bằng các kỹ thuật tìm MPPT bằng kỹ thuật P&O;Incremental Conductance; và M ạng RBFNN cho Bảng Pin PV

CHƯƠNG II: CÁC CÔNG TR ÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC

TÁC GIẢ

2.1 Maximum power tracking for photovoltaic power systems, 2005, Joe -Air Jiang, et.al, Department of Bio industrial Mechatronics Enginnering, National Taiwan university

Tác giả đề xuất phương pháp so sánh 3 đi ểm Phương pháp này tương t ự như

phương pháp P&O có th ể xem như giải thuật P&O cải tiến, giải thuật P&O chỉ so

sánh 2 thời điểm Giải thuật 3 điểm của tác giả so sánh 3 thời điểm từ đó mới raquyết định tăng giảm hay giữ nguy ên điện áp

Giải thuật của phương pháp 3 điểm:

Hình 2.1.1: Giải thuật phương pháp 3 điểm.

Minh hoạ bằng hình ảnh

Hình 2.1.2

Hệ MPPT theo giải thuật này chỉ tăng điện áp hoạt động trong tr ường hợp (1),(4) và giảm điện áp trong trường hợp (3), (6)

Ưu điểm: Do đọc 3 điểm nên có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của

giải thuật P&O khi có sự thay đổi nhanh của môi tr ường (cường độ chiếu sáng)

Nhược điểm: Khi cường độ sáng thay đổi mạnh v à kéo dài so với chu kỳ lấy

mẫu, giải thuật 3 điểm tr ên có thể sai do luôn đọc thấy 3 điểm c ùng tăng (nếu cường

độ mặt trời tăng) hoặc 3 điểm c ùng giảm (nếu cường độ mặt trời giảm) do đó sẽ ra

quyết định sai làm thay đổi Vmpp

2.2 Improved MPPT algorithms for rapidly changing eviromental conditions,

2006, Dezso Sera et al

Khi môi trường thay đổi quá nhanh giải thuật P&O không theo kịp,

Hình 2.2.1: Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu

Tính toán dP:

Giải thuật:

Hình 2.2.2: Lưu đồ giải thuật dP-P&O

Thuyết minh giải thuật dP-P&O: Lấy mẫu trung gian ở thời điểm T/2 Khi môi

trường thay đổi dP = 0, sẽ không thay đổi V

Ưu điểm: Giải thuật này giúp bộ MPPT không bị nhẫm lẫn khi c ường độ sángthay đổi tuyến tính

Nhược điểm: Khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính giải thuật n ày

giá đầy đủ các bước tăng, giảm của converter cho hệ thống MPPT Bài báo đề nghị

Step down converter có ch ức năng tốt nhất dùng cho hệ thống MPPT, nó cho hiệusuất cao hơn

2.4 Maximum Photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions, K.H Hussein,I Muta, I Hoshino & M Osakada

Các tác giả phát triển một giải thuật MPPT mới dựa v ào MPOP (maximum peakoperating point) của một PV generator có thể đ ược tìm một cách chính xác bằng so

sánh Điện dẫn gia tăng và điện dẫn tức thời của tấm PV Công việc đ ược thực thi

nhanh, và hiệu suất cao hơn so với các giải thuật thông th ường về tổng năng lượng

PV truyền cho phụ tải Giải thuật cụ thể được giải thích trong ch ương 3

2.5 High Efficiency maximum power tracker for solar arrays in a solar Powered Race Vehicle., Charles.R.Sullivan and M.J.Powers.

Phương pháp robust oscilation đư ợc sử dụng để thực hiện t ìm MPPT cho tấm PV.Phương pháp chỉ sử dụng một biến là dòng phụ tải (load current) để t ìm điểm công

suất cực đại Phương pháp này có thể áp dụng để sạc ắcquy sử dụng MPPT Giảithuật được thực thi bằng một mạch đ ơn giản Bài bào cho chúng ta nh ững bàn luậnthiết kết một bộ step up co nverter, được sử dụng cho MPPT

2.6 Microcomputer control of a residential photovoltaic power condictioning system B.K Bose, P.M Szczesny and R.L Steigerwald.

Các tác giả thảo luận về một hệ thống điều khiển của một hệ thống PV gia đ ình Bàibáo giải thích giải thuật P&O và nó thực thi như thế nào dùng một microprocessor.Bài báo này là một trong những bài báo cơ sở giải thích về giải thuật P&O Cũngthiết kế bộ điều khiển sử dụng s ơ đồ PI

2.7 An approved Perturbation and Observe Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV arrays Xuejun Liu and A.C Lopes,

Theo các tác giả đề nghị một loại mới giải thuật t ìm MPP dựa vào giải thuật P&O.Giải thuật phản ứng nhanh v à khử need of a large capacitor th ường được sử dụngtrong giải thuật P&O để khử độ nhấ p nhô của điện áp Điện áp v à dòng điện đượclấy cho xử lý không phải l à giá trị trung bình nhưng là tức thời tốc độ này tiến đếnMPP Bài báo cũng thực hiện một giải thuật mới tr ên thời gian thực Phần mềm sửdụng là dSPACE

2.8 Comparative Study of Max imum Power Point Tracking Algorithms Using an Experimental, Programmable, Maximum Power Point Tracking Test Bed D.P Hohm, M.E Ropp.

Các tác giả so sánh tất cả các loại giải thuật khác nhau d ùng để tìm MPPT Bài nàygiúp việc chọn giải thuật hợp lý Kết quả sơ bộ cho thấy giải thuật P&O rất tốt sovới Incremental Conductance and constant voltage Mặc d ù giải thuật IncCond cóthể cho thực thi tốt hơn trong trường hợp thay đổi thời tiết nhanh, tính phức tạp củagiải thuật tăng lên yêu cầu về phần cứng quá p hức tạp, và vì vậy có ưu điểm hơngiải thuật P&O là cho hệ thống PV lớn.

2.9 Theoretical and Experimental analyses of photovoltaic systems with Voltage and Current-based Maximum Power -Point Tracking Mohammad A.S Masoum, Hooman Dehbonei and Ewald F Fuc hs.

-Phân tích lý thuyết và những kinh nghiệm chi tiết của 2 kỹ thuật MPPT đ ơn giản,nhanh và tin cậy cho hệ thống PV Ph ương pháp VMPPT d ựa vào điện áp vàCMPPT dựa vào dòng điện Một bộ tìm được điều khiển bằng microprocessor cókhả năng đo dòng điện và điện áp trực tiếp và chạy chương trình với giải thuậtVMPPT và CMPPT Ph ụ tải của hệ thống cả máy b ơm nước và điện trở Bài báocho mô hình mô phỏng của bộ converter DC/DC v à môdun SPV

Xem xét các bài của cuộc khảo sát các b ài báo từ các tham khảo khác nha u Chonhững ý tưởng cơ bản về giải thuật MPPT v à cách tìm MPP như thế nào được đưa

ra Chi tiết các giải thuật khác nhau đ ược sử dụng cho kỹ thuật MPPT đ ược thảoluận trong bài báo Thiết kế converter DC/DC v à phương pháp điều khiển converter

khác nhau được bàn luận Loại converter DC/DC n ào cho hiệu suất tốt nhất và nó là

sự lựa chọn tốt nhất cho giải thuật đ ược thảo luận trong bài báo [2] Như bàn lu ậntrong [2] bộ step down converter cho hiệu suất cao h ơn step up converter M ột sốbài báo cũng có ý tưởng giao tiếp trực tuyến bằng PC với các phần cứng điều khiển.[1], [6] Giải thuật P&O cải tiến l à một đề nghị trong [1] Giải thuật n ày được chọntrong bài báo này và một số thay đổi được đưa ra trong giải thuật và thực hiện sửdụng giao diện thời gian thự c bằng dSPACE

CHƯƠNG III: CƠ S Ở LÝ THUYẾT LI ÊN QUAN

3.1 Tình hình phát triển của năng lượng mặt trời

Kể từ năm 2003, giá dầu thô tr ên thế giới bắt đầu tăng dần từ khoảng 25 Mỹ

kim/thùng đến 70 Mỹ kim/thùng vào tháng 6, 2006 Hi ện tại giá dầu đang giao động

khoảng 60 Mỹ kim (1/2007) T ình trạng hiện nay đã đánh dấu một thời đại vàng sontrong việc xử dụng nguồn năng l ượng dầu thô nầy Các nh à khoa học trên thế giới từnhiều năm nay đã bắt đầu nghiên cứu những nguồn tạo ra năng l ượng khác trong đóviệc khai thác năng lượng mặt trời và gió đang được phát triển rộng ở nhiều quốcgia trên thế giới Đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời

Tương tự như nguồn năng lượng đến từ gió, công nghệ từ ánh sáng (solar

technologies) xử dụng nguồn năng lượng mặt trời để biến cải thành nhiệt năng, điện

năng, và ngay cả việc cung cấp năng l ượng cho hệ thống làm lạnh nữa Hàng năm,

các tiểu bang ở miền Đông ở Hoa Kỳ đều có mở hội nghị Th ượng đỉnh về Năng

lượng Xanh (Green Power Summit) với mục đích giới thiệu các công nghệ mớ i về

thiết bị áp dụng năng l ượng mặt trời dùng cho đơn vị gia cư, hay các cơ sở nhỏ

Đây cũng thể hiện một quan niệm khác biệt giữa Hoa Kỳ v à Âu Châu trong

việc ứng dụng năng lượng mặt trời Kể từ thập ni ên 60, người Pháp đặc biệt chútrọng đến việc giải quyết sự thiếu hụt năng l ượng cho các quốc gia đang phát triển

Họ đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến năng l ượng mặttrời thành điện năng cung ứng cho những l àng xã có độ 1000 đơn vị gia cư Cácquốc gia vùng Trung Mỹ đã thừa hưởng thành tựu nầy nhiều nhất vì dễ lấp ráp và

chi phí tương đối rẻ

Đối với các quốc gia có bờ biển d ài, hay thuộc vùng nhiệt đới trong đó có Việt

Nam, hệ thống thiết bị năng l ượng nầy sẽ có tiềm năng lớn để giải quyết nhu cầuthiếu hụt năng lượng cho tương lai

3.2 Năng lượng mặt trời

Mặt trời bức xạ năng l ượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia bức

xạ nào cũng có thể tạo ra hiện t ượng quang điện Chỉ có những tia bức xạ (ứng với

bước sóng ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ từng

chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện t ượng quang điện

Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động l ên pin quang

điện silicon:

Hình 3.2.1: Phổ năng lượng mặt trời.

Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt trời tổnhao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap (hiểu nh ưmức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các e ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng) củasilicon (hv < Eg) 30,2 % khác c ũng bị mất đi ở các v ùng năng lượng (hv > Eg) Chỉ

có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang điện” (Grilbert, 2004,

p 454)

3.3 Pin quang điện (PV)

Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng th ành điện năng Kỹ

thuật tạo pin PV rất giống với kỹ thuật tạo ra cá c linh kiện bán dẫn như transistor,

Mô hình đơn giản của pin PV

Hình 3.3.1: Sự phát sinh dòng điện khi chiếu sáng vào mối nối p-n.

3.3.1 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV

Hình 3.3.2: sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời.

Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Iscvà điện áp hở mạch V0

Hình 3.3.3: Hai thông số quan trọng của tế bào quang điện Isc và Voc.

Các công thức của pin PV:

(3.3.1)

(3.3.2)Với: I0: dòng điện ngược của Diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10-12A/cm2

q : điện tích electron = 1.602 x 10-19C

k : hằng số Boltzman = 1.381 x 10-23J/K

T : nhiệt độ tuyệt đối (K)

Trong điều kiện 25°C ta có công thức:

(3.3.3)

(3.3.4)

3.3.2 Sơ đồ mạch PV khi có tính đến các tổn hao.

Cũng như diode pin PV trong th ực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn haonày là các thông số Rsvà Rp

Mô hình pin PV thực tế:

Đồ thị đặc tính của pin PV, bỏ qua ảnh hưởng của Rp:

Hình 3.3.5: Đặc tính PV ảnh hưởng bởi Rs

Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rsvà Rp

Hình 3.3.6: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rsvà RpCác công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rsvà Rp

(3.3.5)

3.3.3 Module PV

Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ Một pin PV

có điện áp làm việc khoảng 0.5 V Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải

mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song

Một mô hình thông thường để có điện áp 12 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin

PV Một số mô hình 12 Vdc chỉ cần 33 pin PV

Hình 3.3.7: Tế bào PV, Môdun PV, và Array PV.

Đường đặc tính của Module PV

Hình 3.3.8: Đặc tính của một môdun PV với 36 PV cell đ ược mắc nối tiếp.

3.3.4 Array PV và các ảnh hưởng tác động

Kết nối nhiều Module PV sẽ đ ược Array PV

Nối nối tiếp nhiều module PV để tăng điện áp:

Hình 3.3.9: Đặc tuyến V-A của các môdun mắc nối tiếp.

Nối song song nhiều module PV để tăng d òng điện

Hình 3.3.10: Đặc tuyến V-A của các môdun được mắc song song.

Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp v à dòng.

Hình 3.3.11: Đặc tuyến V-A của các môdun được mắc nối tiếp và song song.

Ngoài ra đặc tính của pin PV còn bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố nh ư cường độ

chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng che …

Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công suất thu được của pin PV càng lớn

(dòng Isccàng lớn), nhiệt độ càng cao thì V0càng thấp Như hình minh họa 3.3.12

Hình 3.3.12: Đặc tuyến V-A dưới sự thay đổi của nhiệt độ và độ chiếu sáng.

Hiện tượng bóng che (pin PV bi che phủ một phần) gây ảnh h ưởng nghiêmtrọng đến hiệu suất của pin PV Giả sử một pin PV trong một Array bi che

Hình 3.3.13: Một modun gồm n cell có 1 cell bị bóng che h ình (b).

Đặc tính của toàn bộ Array (PV) sẽ bị thay đổi nghi êm trọng nếu không có

biện pháp bảo vệ:

Hình 3.3.14: Ảnh hưởng của một cell bị bóng che.

Với:

(3.3.7)Nhiều pin PV bị che:

Hình 3.3.15: Ảnh hưởng của bóng che lên đặc tuyến I-V của môdun PV.

Để bảo vệ pin PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng che, người ta sử dụng

Diode bypass

Hình 3.3.18

Giải thích hình 3.3.18 Bình thường các pin PV là các nguồn phát điện năng, do

bộ ắcqui có điện áp là 65 V, do đó dòng điện sẽ là giao điểm của đường điện áp 65

V và đường đặc tính (V,I) của pin PV l à 3,3 A Khi có hiện tượng bóng che mộtmodule PV, lúc đó module này không c òn là nguồn phát nữa, dòng điện sẽ chạy quađiện trở song song Rpcủa module này tạo một áp rơi ΔV = I x Rp , áp rơi ΔV này

cộng với 65 V của ắcqui sẽ bằng điện áp đặt tr ên các module PV còn lại, theo đường

đặc tính PV dòng điện sẽ giảm xuống Khi có Diode bypass, d òng điện sẽ chạy

xuyên qua Diode nên s ẽ ít ảnh hưởng hơn

3.4 Điểm công suất cực đại MPP

3.4.1 Yêu cầu tìm điểm công suất cực đại MPP :

Công suất đầu ra của một modun SPV phụ t huộc vào thay đổi hướng của mặttrời (direction of sun), thay đổi c ường độ chiếu sáng của mặt trời (insolation level)

và sự thay đổi của nhiệt độ nh ư trong hình 3.4.1 và 3.4.2.

Hình 3.4.1: Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng đến đặc tuyến của mô dun PV.

Theo như các đường cong PV của một môdun có một điểm công suất cực đại

Đó là điểm công suất đỉnh ứng với điện áp v à dòng điện cụ thể Như chúng ta đã

biết hiệu suất của môdun SPV rất thấp khoảng 13% Khi hiệu suất modun thấp,among muốn môdun làm việc ở công suất cực đại để công suất cực đại có thể cấpcho phụ tải dưới điều kiện nhiệt độ v à độ chiếu sáng khác nhau V ì vậy, sự cực đạicông suất sử dụng cho modun PV ng ày càng nhiều Tìm điểm công suất cựa đại

(MPPT) được dùng để cho công suất cực đại từ môdun PV và truyền công suất đóđến phụ tải Một bộ biến đổi DC/DC (step up/step down) đ ược sử dùng cho mụcđích truyền công suất cực đại từ môdun PV đến phụ tải Một bộ biến đổi DC/DC

làm nhiệm vụ như là bộ giao tiếp giữa phụ tải v à môdun PV như hình 3.4.2 Bằng

các thay đổi chu kỳ làm việc tổng trở phụ tải nh ìn từ nguồn thay đổi và phù hợp với

tại điểm công suất cực đại với nguồn để truyền công suất lớn nhất

Hình 3.4.2: Sơ đồ khối của một hệ thống MPPT

3.4.2 Làm thế nào để thu được điểm công suất cực đại:

Như đã thảo luận trong chương trước MPP được tìm bằng bộ DC/DC giữa

môdun PV và phụ tải Chu kỳ làm việc của bộ converter đ ược thay đổi cho đến khi

thu được điểm công suất đỉnh

Theo bộ step down converter đ ược sử dụng:

Vì vậy điện trở đầu ra Ro giữ không đổi v à bằng sự thay đổi chu kỳ l àm việc

điện trở đầu vào Ri nhìn từ nguồn thay đổi N ên điện trở ứng với điểm công suất cực

đại tìm được bằng sự thay đổi chu kỳ l àm việc Giống như trong hình 3.4.3.

Hình 3.4.3: Bộ biến đổi DC/DC giúp cho việc tìm MPP

3.5 Các kỹ thuật tìm MPP.

Vị trí của điểm MPP trong mặt phẳng I -V ta không biết trước và luôn luôn thay

đổi phụ thuộc vào độ chiếu sáng, nhiệt độ v à hiện tượng bóng che Ví dụ, hình 3.5.1

cho thấy một tập các đường cong I-V của PV dưới độ tăng cường độ chiếu sáng ởtại nhiệt độ không đổi (250C), và hình 3.5.2 cho ta các đường cong I-V ở cùng độ

chiếu sáng nhưng ở nhiệt độ cao hơn (500C) Điện áp của PV dịch chuyển khỏi MPPtrước đó Do đó, MPP cần đ ược xác định bằng một giải thuật t ìm kiếm, nó là bộ

phận quan trọng nhất của bộ điều khiển M PPT

Hình 3.5.1.

Hình 3.5.2: Đặc tuyến I-V khi cường độ chiếu sáng thay đổi

Có một số phương pháp được đề nghị để giải quyết b ài toán này Một phương

pháp đo điện áp mạch hở (Voc) của modun PV mỗi lần l à 30 giây bằng cách ngắtkết nối môdun ra khỏi mạch một lúc Rồi sau đó nối lien kết lại, điện áp môdun

được điều chỉnh 76% giá trị điện áp mạch hở đo đ ược Vocnó tương ứng với điện áp

tại điểm MPP (lưu ý: phần trăm này phụ thuộc vào mỗi loại tế bào PV sử dụng).Việc thực hiện áp dụng ph ương pháp điều khiển vòng lặp hở này rất đơn giản và chiphí thực hiện thấp mặc dù hiệu suất MPPT tương đối thấp ( khoảng 73 91%) Việctính toán mô hình có th ể được dự báo vị trí MPP; tuy nhi ên trong thực tế nó khônglàm việc tốt bởi vì do sự thay đổi của đặc tính vật lý và sự lão hóa của môdun và do

ảnh hưởng khác như hiện tượng bóng che Hơn nữa, thiết bị đo độ chiếu sáng rất đắt

tiền Việc nghiên cứu giải thuật sử dụng điều khiển v òng lặp kín có thể thu đượchiệu suất cao hơn, vì vậy nó là sự lựa chọn của khách hàng cho MPPT Sau đây làmột số các giải thuật khác nhau đ ược nghiên cứu như sau:

a Giải thuật Perturb and Observe

3.5.1 Giải thuật Perturb and Observe

Giải thuật Perturb and Observe (P&O), c òn được gọi là phương pháp “hill

climbing”, giải thuật này rất phổ biến và được áp dụng thực tế nhiều nhất bởi v ì giải

thuật của nó đơn giản và rất dễ thực hiện Dạng c ơ bản nhất của giải thuật P&O hoạt

động như sau Hình 3.5.3 biểu diễn đường công suất đầu ra của một môdun PV l à

một hàm của điện áp (đường cong P-V), tại độ chiếu sáng và nhiệt độ môdun không

đổi, giả sử môdun PV đang hoạt động tại điểm cách xa điểm MPP Trong giải thuậtnày điện áp làm việc của môdun PV được thay đổi tăng lên một khoảng , và kết quả

là làm thay đổi công suất,P, thu được Nếu sự thay đổi công suất P là dương, thì

có nghĩa là nó đã dịch chuyển điểm làm việc đến gần điểm MPP V ì vậy ta sẽ tiếptục thay đổi điện áp theo cùng một hướng đó để chuyển điểm l àm việc lại gần với

điệm MPP Nếu P là âm, thì điểm làm việc vừa di chuyển xa so với điểm MPP, v à

hướng điều chỉnh nên được thực hiện ngược lại để di chuyển điểm l àm việc về điểm

MPP Hình 3.5.4 biểu diễn lưu đồ của giải thuật này.

Hình 3.5.3: Đồ thị công suất và điện áp cho môdun PV (1KW/m2, 250C)

Hình 3.5.4: Lưu đồ của giải thuật P&O.

Có một số giới hạn đó làm giảm hiệu suất MPPT của nó Thứ nhất, nó khôngthể xác định khi nó thực sự tiến đến điểm MPP Thay v ì, nó dao động điểm làm việc

xung quanh điểm MPP sau mỗi chu kỳ v à làm giảm một phần hiệu suất của môdun

PV dưới điều kiện độ chiếu sáng không đổi Thứ hai, giải thuật P&O cho thấy rằng

nó không thể đáp ứng đúng trong tr ường hợp các điều kiện môi tr ường thay đổi

nhanh như khi có một đám mây bay qua Nguy ên nhân của vấn đề này có thể được

giải thích như hình 3.5.5 với một họ các đường cong P-V với các điều kiện chiếu

sáng khác nhau Giải sử điểm làm việc ban đầu tại điểm A v à nó dao động quanh

điểm MPP tại độ bức xạ 250W/m2 Rồi độ bức xạ tăng nhanh l ên thành 500W/m2

từ phải sang trái quanh MPP, th ì điểm làm việc sẽ dịch chuyển từ điểm A đến điểm