Luận văn thạc sĩ thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi dc dc sử dụng thuật toán mppt lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời

Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lượng mặt trời và các số liệu, kết quả nghiên cứu t

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ANH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng, 03/2019

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ANH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO

HIỆU SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Người hướng dẫn khoa học: TS DƯƠNG MINH QUÂN

Đà Nẵng, 03/2019

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Trong luận văn có trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lượng mặt trời và các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tác giả luận văn

Trần Anh Tuấn

MỤC LỤC

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC BẢNG vi

DANH MỤC CÁC HÌNH vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT x

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do chọn đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

4 Nội dung nghiên cứu 2

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 2

6 Bố cục đề tài 3

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC 4

1.1 Tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo 4

1.2 Một số mô hình khai thác năng lượng mặt trời 8

1.3 Pin năng lượng mặt trời 9

1.3.1 Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời 10

1.3.2 Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời 11

1.4 Các bộ chuyển đổi DC/DC 15

1.4.1 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter) 15

1.4.2 Mạch giảm áp 18

1.5 Kết luận 20

CHƯƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING) 22

2.1 Giới thiệu chung 22

2.2 Đường đặc tính Vôn-Ampe và đặc tính công suất của tấm pin 22

2.3 Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại 24

2.3.1 Thuật toán P&O 24

2.3.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) 26

2.3.3 Thuật toán leo đồi (Hill Climbing) 27

2.4 Mô phỏng các thuật toán trên Matlab Simmulink 29

2.4.1 Giới thiệu 29

2.4.2 Giải thích các khối hàm trong mô hình Matlab simulink 31

2.4.3 Các kết quả mô phỏng 32

2.5 Kết luận 36

CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI 37

3.1 Giới thiệu 37

3.2 Thuật toán MPPT lai 37

3.2.1 Sơ đồ thuật toán MPPT lai 37

3.2.2 Chương trình thuật toán 38

3.2.3 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT lai 39

3.3 So sánh thuật toán MPPT lai với các thuật toán INC và P&O: 41

3.4 Kết luận: 41

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH TĂNG ÁP BOOST CONVERTER 42

4.1 Giới thiệu 42

4.2 Tính chọn thông số bộ biến đổi DC/DC 43

4.2.1 Tính toán thiết kế cuộn cảm L 44

4.2.2 Tính toán chọn mạch từ cho dây quấn: 45

4.2.3 Tính chọn tụ điện trong mạch 46

4.2.4 Chọn khóa S và diode 46

4.2.5 Thiết kế mạch Mosfet Driver: 46

4.3 Thiết kế mô hình mạch chuyển đổi DC/DC 47

4.3.1 Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC/DC tích hợp thuật toán MPPT lai: 47

a) Mạch chuyển đổi DC/DC: 47

b) Mạch lấy tín hiệu đo lường về vi điều khiển: 47

c) Mạch bảo vệ quá áp và quá dòng: 48

d) Mạch Mosfet Driver: 49

e) Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) và nguồn +12VDC 49

f) Mạch vi điều khiển STM32F103: 49

4.3.2 Thiết kế bảng mạch 50

a) Bảng thiết kế mạch (kích thước mạch in 125mm x 158mm) 50

b) Mô hình mạch lắp đặt thực tế: 52

4.4 Kiểm tra hiệu suất của mạch chuyển đổi DC/DC: 52

4.5 Kết quả thử nghiệm khi sử dụng thuật toán MPPT tích hợp trên bộ chuyển đổi DC/DC 54

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 56

5.1 Kết luận 56

5.2 Hạn chế và kiến nghị 56

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 57

PHỤ LỤC 59

DANH MỤC CÁC BẢNG

Số hiệu

1.2 Tổng lượng bức xạ ở một số địa phương miền Trung của nước ta 7 1.3 Số giờ năng trong năm ở một số địa phương miền Trung của nước 7

4.3 Kết quả tính toán hiệu suất bộ chuyển đổi 52

DANH MỤC CÁC HÌNH

Số hiệu

1.2 Bản đồ nhiệt độ trung bình trong năm tại Việt Nam 6 1.3 Năng lượng mặt trời dạng lắp mái tại trường Đại học Bách khoa

1.4 Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời 9

1.7 Sơ đồ mạch tương đương của một Solar Cell 11

1.9 Đặc tính I-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi

1.10 Đặc tính P-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi

1.11 Đặc tính I-V của tấm pin khi nhiệt độ môi trường thay đổi nhưng

1.18 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S đóng 18 1.19 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S mở 19 1.20 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu

2.1 Tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở với giá

2.2 Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị

2.3 Nguyên lý tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 23

2.5 Nguyên lý tìm điểm công suất cực đại của phương pháp INC 25

2.7 Giải thuật Hill Climbing dò tìm điểm công suất cực đại 27

2.10 Khối đầu vào bức xạ, nhiệt độ và pin quang điện 30

2.12 Mô hình bộ chuyển đổi tăng áp (Boost converter) 31

2.14 Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại P&O 32 2.15 Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại INC 33 3.1 Sơ đồ thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai 37 3.2 Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại lai 30 3.3 Công suất hệ thống PV thu được giữa các thuật toán 40 4.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời độc lập có sử dụng ắc quy

4.2 Sơ đồ khối bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT 42

4.8 Sơ đồ mạch Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) và nguồn

4.16 Kết quả trong trường hợp ngày nắng, bức xạ thay đổi nhiều 53 4.17 Kết quả trong trường hợp ngày nắng, bức xạ ít thay đổi 53

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT

DC/DC Chuyển đổi năng lượng một chiều/một chiều

P&O Thuật toán nhiễu loạn và quan sát INC Thuật toán điện dẫn gia tăng Hill Climbing Thuật toán leo đồi

DC/AC Chuyển đổi năng lượng một chiều/xoay chiều

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC

SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO HIỆU SUẤT

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Học viên: Trần Anh Tuấn Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K34ĐN Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN

Tóm tắt: Năng lượng tái tạo đang trở thành giải pháp thiết thực nhất để đáp ứng

vấn nạn về môi trường cũng như sự cạn kiệt của nguồn nhiên liệu hóa thạch Trong đó, năng lượng gió và năng lượng mặt trời là các loại hình được chú trọng nghiên cứu nhiều nhất trong thời gian qua và ngày càng được áp dụng rộng rãi Các loại hình năng lượng này vừa đáp ứng được các nhu cầu về điện năng, vừa giảm thiểu được các các động tiêu cực đến môi trường Tuy nhiên, những ảnh hưởng của các yếu tố tự nhiên: vận tốc gió, hiện tượng che khuất mặt trời,… gây ra nhiều tác động xấu đến nguồn năng lượng tái tạo và đặc biệt là với nguồn năng lượng mặt trời Sự thay đổi bất thường của nhiệt độ và bức xạ nhiệt trong ngày làm cho năng lượng đầu ra của pin quang điện luôn biến động

Các bộ chuyển đổi DC/DC kết hợp các phương pháp điều kiển đang được phát triển nghiên cứu để có thể đáp ứng được các yêu cầu ở đầu ra của hệ thống pin quang điện khi có sự thay đổi đột ngột các giá trị đầu vào Để nâng cao hiệu suất làm việc của tấm pin cũng như năng lượng đầu ra, các thuật toán “Bắt điểm công suất cực đại-MPPT” cũng phải được tích hợp vào

Hiện nay, hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observe) và Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance), song hai phương pháp này vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm: khả năng đáp ứng chậm, gây thất thoát một phần năng lượng,… Do đó, cần phải

có thêm các thuật toán cải tiến

Đề tài đề xuất một thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin quang điện, khắc phục được một số nhược điểm còn tồn tại của các thuật toán trước đây Dưa trên các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế, kết quả của thuật toán mới sẽ được so sánh và đánh giá cụ thể

Từ khóa: Bộ chuyển đổi DC/DC ; Bộ tăng áp; P&O; INC; Hill Climbing

DESIGN THE DC / DC CONVERTER WITH A HYBRID MPPT ALGORITHM TO IMPROVE THE PERFORMANCE OF

PHOTOVOLTAIC SYSTEM

Abstract: Renewable energy is becoming the most practical solution to environmental problems as well as the exhaustion of fossil fuels In particular, wind and solar energy are the most researched types in recent years and more and more applied widely These types of energy both meet electricity needs and minimize negative environmental impacts However, the effects of natural factors such as wind velocity, solar obscuration, cause many adverse impacts

on renewable energy sources and especially on solar energy Abnormal changes

in temperature and heat radiation during the day make the output power of solar panels fluctuating

DC / DC converters in combination with control methods are being developed to meet the output requirements of photovoltaic system when there is

a sudden change of input values To improve the performance of the cells as well as the output power, the algorithms "Maximum Power Point Tracking - MPPT" must also be integrated

Currently, two popularly used MPPT methods are: Perturbation and Observation Algorithm – P&O, Incremental Conductance Algorithm – INC, but these two methods still exist many weaknesses such as slow response, partial energy loss and so on Therefore, more advanced algorithms are needed

This project proposes a hybrid MPPT algorithm to improve the performance of photovoltaic system, overcome some disadvantages existed in previous algorithms Based on the methods of modeling, simulation and installation of actual converters, the results of the new algorithm will be compared and evaluated specifically

Keywords: DC / DC converters; boost converters; P&O; INC; Hill Climbing

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhu cầu điện năng ngày một tăng cao đòi hỏi phải có các giải pháp phát triển nguồn điện, đồng thời phải giảm thiểu các tác động tiêu cực đến môi trường do các nguồn điện truyền thống gây nên Để giải quyết vấn đề trên, năng lượng tái tạo là một trong những giải pháp hàng đầu, đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu phát triển mạnh mẽ, dần tích hợp vào lưới điện và trong tương lai gần sẽ trở thành bộ phận quan trọng hệ thống điện quốc gia Với các loại hình năng lượng tái tạo hiện nay, Năng lượng mặt trời ngày càng có xu hướng được chú trọng đầu tư cao, nhất là tại Việt Nam Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016, thông tư 16/2017/TT-BCT ban hành ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời cho thấy được sự quan tâm của chính phủ Việt Nam về loại hình năng lượng sạch này

Tuy nhiên, năng lượng mặt trời lại chịu sự ảnh hưởng quá nhiều từ các vấn đề thời tiết: nhiệt độ, bức xạ,… làm cho năng lượng thu được thiếu sự ổn định Các bộ chuyển được kết hợp sử dụng để giữ ổn định nhưng lại không thể thu được hiệu suất năng lượng cao nhất từ các hệ thống pin mặt trời nếu thiếu các phương pháp bắt điểm công suất cực đại-MPPT tích hợp trong đó Hiện nay, hai phương pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observe) và Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance), song hai phương pháp này vẫn còn tồn tại nhiều nhược điểm: khả năng đáp ứng chậm, gây thất thoát một phần năng lượng,… Do đó, các thuật toán cải tiến cần phải được nghiên cứu thêm

Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài:

“Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời”

Nội dung luận văn tập trung vào phân tích các thuật toán MPPT, đánh giá ưu nhược điểm các thuật toán đang sử dụng, từ đó đưa ra một thuật toán cải tiến với mục đích khắc phục các nhược điểm còn tồn tại Dưa trên các phương pháp mô hình hóa,

mô phỏng và lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế, kết quả của thuật toán mới sẽ được so sánh và đánh giá cụ thể

2 Mục tiêu nghiên cứu

Phân tích khả năng hoạt động, ưu nhược điểm của các thuật toán MPPT đang được sử dụng Đưa ra thuật toán MPPT cải tiến sử dụng phương pháp lai để khắc phục

các nhược điểm còn tồn tại của thuật toán trước đây Phân tích, đánh giá kết quả thu được thông qua mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu:

- Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại của hệ thống năng mặt trời;

- Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng thuật toán;

- Thiết kế và lắp mạch chuyển đổi thực tế

Phạm vi nghiên cứu:

- Nghiên cứu các thuật toán MPPT thường sử dụng trong hệ thống mặt trời;

- Nghiên cứu thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai;

- Thiết kế mạch chuyển đổi thực tế;

- Thời gian nghiên cứu: 06 tháng

4 Nội dung nghiên cứu

Đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời” tập trung nghiên cứu và mô phỏng mạch chuyển đổi năng lượng kết hợp với các thuật toán MPPT, đưa ra các nhược điểm còn tồn tại từ đó đề xuất giải phái cải tiến bằng cách sử dụng phương pháp lai Đề tài được xây dựng dựa trên ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời Phương pháp đề xuất được kiểm tra tính đúng đắn bằng phương pháp mô phỏng trên công cụ toán học Matlab/Simulink kết hợp với lắp đặt mạch chuyển đổi thực tế

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng trong các nghiên cứu về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng Mô hình hóa hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng các thuật toán bắt điểm công suất cực đại Thiết kế lắp đặt mạch tăng áp DC/DC (Boost Converter) có sử dụng các thuật toán điều khiển bắt điểm công suất cực đại Kiểm chứng giữa lí thuyết và thực tế

Tính thực tiễn: Xây dựng được thiết kế cơ sở cho bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC

sử dụng thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT lai Đề tài có khả năng phát triển tạo thành một bộ chuyển đổi hoàn thiện cho năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện phân phối ở cấp điện áp 0.4kV

6 Bố cục đề tài

Chương 1: Tổng quan hệ thống điện mặt trời và mô hình các bộ chuyển đổi

DC/DC

Chương 2: Một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT

Chương 3: Thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT sử dụng phương pháp

lai

Chương 4: Thiết kế mạch tăng áp Boost Converter ở mức công suất 1500W Chương 5: Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ

CHUYỂN ĐỔI DC/DC

1.1 Tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo

Ngày nay, ngành công nghiệp điện đang có những bước tiến đột phá và phát triển đồng bộ từ các khâu: sản xuất, truyền tải và phân phối, đưa ra các phương thức vận hành và sử dụng điện sao cho hiệu quả, tiết kiệm Đặc biệt với hiệu ứng nóng lên của trái đất, sự cạn kiệt của các nguồn năng lượng hóa thạch, sự bùng nổ tăng trưởng của các nước đang phát triển Bên cạnh đó dân số ngày càng tăng, ước tính đến năm 2050 khoảng 9.5 tỷ người, nhiệt độ trung bình của trái đất có thể tăng lên 600C Điều này dẫn đến yêu cầu bức thiết phải có những phương thức mới trong việc cung cấp và sử dụng nguồn năng lượng sao cho giảm thiểu sự phát thải khí CO2 Để có thể đạt được các mục tiêu trên, việc đưa vào sử dụng năng lượng thay thế, tái tạo (các nguồn năng lượng mặt trời, gió, sóng biển ….) là một giải pháp đã và đang được sử dụng rộng rãi trên thế giới Do vậy, việc tích hợp các nguồn này vào lưới điện truyền thống là vấn đề đang được quan tâm nghiên cứu và ứng dụng

Tốc độ tăng trưởng hàng năm năng lượng tái tạo đã đạt mức cao kỷ lục hơn 160

GW vào năm 2016 và dự kiến sẽ có những bước nhảy vọt vào năm 2017 và 2018 Châu Á, bao gồm cả Trung Quốc và Ấn Độ chiếm khoảng 60% tăng trưởng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo toàn cầu Năm 2015, sản lượng điện từ năng lượng tái tạo, không bao gồm thủy điện, chiếm 6,8% tổng sản lượng điện toàn cầu, trong đó bao gồm 3,5% điện gió, 1,9% điện sinh khối và 1,0% điện mặt trời (quang điện) Nếu tính

cả thủy điện (16,0%) thì sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái tạo đạt tới 22,8% Châu Âu đã tăng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo với tốc độ ổn định hàng năm là 20 GW, tương ứng khoảng 4% kể từ khi đạt mức tăng hơn 30 GW vào năm 2011 và dự kiến cũng sẽ đạt tốc độ tăng trưởng tương tự vào năm 2017 và 2018 Tuy nhiên, để thúc đẩy sự phát triển nguồn điện năng lượng tái tạo cần phải tiếp tục nỗ lực hơn nữa giải quyết nhiều thách thức như nâng cao tính ổn định và an toàn của hệ thống điện khi mở rộng công suất nguồn điện năng lượng tái tạo Để đạt được cần phải

có thời gian và sự đầu tư, nhất là đối với các nước đang phát triển

Việt Nam là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời nhờ vào đặc điểm địa lý thuận lợi gần xích đạo và khí hậu nhiệt đới Cường độ BXMT trung bình khoảng từ 4-5 kWh/m2 mỗi ngày Ở Việt Nam, BXMT trung bình 230-250 kcal/cm2 chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với ước tính tiềm năng lý thuyết

khoảng 43,9 tỷ TOE, lượng BXMT thu được càng cao khi di chuyển về hướng phía nam [1]

Năng lượng mặt trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Theo khảo sát, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm Với tất cả những điều kiện thuận lợi đó, chính phủ Việt Nam ngày càng có nhiều hành động khuyến khích phát triển loại hình năng lượng này Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18 tháng 3 năm 2016 phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến 2030, cụ thể: tăng công suất lắp đặt điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020; khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và khoảng 12.000 MW vào năm 2030 Ngoài

ra, thông tư 16/2017/TT-BCT ban hành ngày 12/9/2017, Quyết định số TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Ngoài ra còn nhiều chính sách ưu tiên về sử dụng toàn bộ lượng công suất do các nhà máy năng mặt trời và gió phát ra kết hợp tăng giá bán điện của năng lượng mặt trời [2]

11/2017/QĐ-Bảng 1.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam

TRONG NĂM

CƯỜNG ĐỘ BXMT (kWh/m2, ngày) ỨNG DỤNG

dự án đang được khảo sát: ở các huyện Đức phổ, Mộ Đức, Bình Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi; Huyện Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa, … hay các dự án năng lượng mặt trời trên long hồ thủy điện: Hàm Thuận-Đa Mi, … Các điều kiện về đất đai, tài chính và chính sách cũng đã được phân tích nhằm giúp các nhà đầu tư có thêm tư liệu để tiến hành lập

dự án xây dựng nhà máy điện mặt trời ở khu vực này góp phần đưa công suất điện mặt trời tăng lên trong tương lai gần Tuy nhiên, suất đầu tư cho năng lượng mặt trời vẫn còn khá cao nên vẫn kén nhà đầu tư

Hình 1.1 Bản đồ bức xạ mặt trời Việt Nam

Hình 1.2 Bản đồ nhiệt độ trung bình trong năm tại Việt Nam

Bảng 1.2 Tổng lượng bức xạ ở một số địa phương miền Trung của nước ta [3-4]

Tiềm năng của NLMT hiện nay rất lớn, nhưng hầu như các quốc gia không thể khai thác hết Tỷ trọng năng lượng thu được từ NLMT vẫn còn khiêm tốn khi so với năng lượng tiêu thụ trên thế giới Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang đề xuất nhiều phương pháp để cố gắng tận dụng tối đa những nguồn lợi mà nguồn năng lượng này mang lại Theo đó, NLMT đang được ứng dụng rộng rãi dưới hai dạng chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời Năng lượng mặt trời được khai thác

sử dụng chủ yếu cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt Tuy nhiên, nước ta vẫn gặp phải rất nhiều vấn còn vướng phải rất nhiều khó khăn, vẫn còn bị hạn

chế trong việc xây dựng, công suất lắp đặt, sản lượng thu được Đa phần hiện nay mới chỉ lắp đặt dưới dạng thử nghiệm ở một số nơi chưa có lưới điện như vùng sâu, vùng

xa, hải đảo với công suất nhỏ Một số lắp đặt theo hình thức tự phát hộ gia đình mà không có quy hoạch

Dù các dự án đầu tư xây dựng và phát triển nguồn năng lượng mặt trời ngày càn được đẩy mạnh và thu hút các nhà đầu tư, nhưng theo tìm hiểu, đa phần các dự án vẫn còn đang ở mức độ khảo sát Những nguyên nhân chính dẫn đến điều này là do chi phí đầu tư xây dựng, lắp đặt các thiết bị công nghệ kèm theo cũng như hệ thống pin năng lượng mặt trời khá đắt đỏ Bên cạnh đó, trình tự, thủ tục xin cấp phép xây dựng, bổ sung dự án điện mặt trời vào quy hoạch điện lực của Quốc gia và từng địa phương còn nhiều vướng mắc rườm rà Do đó, muốn năng lượng mặt trời có thể phát triển mạnh

mẽ và đạt mục tiêu đề ra, đòi hỏi phải có nhiều sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền

1.2 Một số mô hình khai thác năng lượng mặt trời

Tiềm năng của NLMT hiện nay rất lớn, nhưng hầu như các quốc gia không thể khai thác hết Tỷ trong năng lượng thu được từ NLMT vẫn còn khiêm tốn khi so với năng lượng tiêu thụ trên thế giới Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang đề xuất nhiều phương pháp để cố gắn tận dụng tối đa những nguồn lợi mà nguồn năng lượng này mang lại Theo đó, NLMT đang được ứng dụng rộng rãi dưới hai dạng chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời

Hiện nay loại hình này ngày càng phát triển mạnh Dựa trên hiện tượng quang điện trong, năng lượng mặt trời dưới dạng bức xạ và nhiệt được hấp thu thông quá các tấm pin quang điện (PV) chuyển hóa thành điện năng và được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các bộ biến đổi Điện mặt trời phát triển với nhiều quy mô khác nhau Xét theo quy mô công suất ta có thể phân loại như sau:

Quy mô công suất lớn nối lưới thường là các nhà máy điện mặt trời (PV farm) kết nối với lưới điện với công suất pin quang điện lớn

Quy mô công suất nhỏ nối lưới thường là các dàn pin lắp mái (rooftop) của hộ tiêu thụ nhỏ: gia đình, công sở, …

Quy mô nhỏ không nối lưới thường là các tấm pin mặt trời công suất thấp, năng lượng điện sinh ra được sử dụng trực tiếp (như dùng trong đèn chiếu sáng, các thiết bị công suất thấp, viễn thông, …)

Hình Error! No text of specified style in document 3: Năng lượng mặt trời dạng lắp

mái tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Hình Error! No text of specified style in document 4: Nguồn lưu trữ công suất thấp

dùng điện mặt trời

1.3 Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (Solar Panel) là thiết bị bán dẫn chứa lượng lớn các diode P-N dưới tác động của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được như hình 1.5 Hiện nay, loại vật liệu thông dụng nhất sử dụng tạo ra pin mặt trời

là silic tinh thể Khi bị ánh sáng hay nguồn nhiệt kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết: các điện tử nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống điện tích dương trong vùng hóa trị Lúc này, chất bán dẫn sẽ tạo nên đường dẫn cho các điện tử

tự do

Hình 1.5 Cấu tạo của một tế bào pin mặt trời

Khi chất bán dẫn silicon tiếp xúc với năng lượng, các electron tự do ở điện cực N

sẽ di chuyển sang để lấp đầy các lỗ trống bên điện cực P Sau đó, các electron từ điện cực N và điện cực P sẽ cùng nhau tạo ra điện trường Các tế bào năng lượng mặt trời

sẽ trở thành một diode, cho phép electron di chuyển từ điện cực P đến điện cực N, không cho phép di chuyển ngược lại Tất nhiên, để kích hoạt quá trình cần có năng lượng tiếp xúc với các tế bào silicon Ánh sáng mặt trời bản chất là các hạt photon, các hạt nhỏ mang năng lượng này có thể tiếp xúc với các tế bào năng lượng mặt trời và nới lỏng liên kết của các electron ở điện cực N Sự di chuyển của các elentron tự do từ điện cực N tới điện cực P tạo ra dòng điện

Để tạo thành một hệ thống PV có công suất lớn, các tấm PV có thể được liên kết với nhau theo các mắc liên tiếp, song song hay hỗn hợp hai kiểu nối, tùy theo nhu cầu

sử dụng (về điện áp, công suất) Để tạo thành một hệ thống PV có công suất lớn, các tấm PV có thể được liên kết với nhau theo các mắc liên tiếp, song song hay hỗn hợp hai kiểu nối, tùy theo nhu cầu sử dụng (về điện áp, công suất Tuy nhiên, những tấm pin mặt trời có công suất khá nhỏ nên thường được liên kết với nhau và đặt trên một diện tích lớn để đáp ứng được nguồn năng lượng đủ lớn, nhằm đáp ứng nhu cầu của các thiết bị sử dụng Các loại pin với công suất phổ biến hiện nay: 22Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp, 175Wp, 250Wp, 330Wp, … tuy nhiên không có loại nào vượt quá 400wp Điện áp phổ biến hiện nay của PV là 12V, 20V, 40V, tất cả là điện áp một chiều

1.3.1 Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời

Với công nghệ hiện đại ngày nay, công nghệ về PV ngày càng phổ biến và có sự phát triển mạnh Có 3 loại hình PV đang được sử dụng phổ biến: dạng momo (đơn tinh thể), dạng poly (đa tinh thể) và dạng phim mỏng

Pin mặt trời Mono đơn tinh thể (Monocrystalline) hình thành cắt ra từ những thỏi Silic hình ống, những tấm đơn tinh thể này có những mặt trống ngay góc nối Module

Cả tinh thể đơn hay 1 tinh thể đều được sản xuất dựa vào quá trình với tên gọi Czochralski Một quy trình điều chế những Silic đơn tinh thể Silic rất quan trọng khi chế tạo vi mạch bán dẫn và những đơn tinh thể loại này với hiệu suất cao khá đắt tiền Loại pin năng lượng mặt trời Mono hấp thu ánh sáng mặt trời nhanh, kể cả khi không

có nắng, chỉ cần có ánh sáng loại pin này đã tạo ra điện, tiến hành đo V hay A đều đầy

đủ hai chỉ số

Pin mặt trời Poly đa tinh thể (polycrystalline) được làm từ những thỏi đúc từ Silic

đã nung chảy, làm nguội và làm rắn Loại pin mặt trời Poly có giá cả thấp hơn loại pin mặt trời Mono đơn tinh thể và hiệu suất cũng khá thấp Loại pin Poly hấp thu ánh nắng mặt trời khá chậm và phải đạt đến mức độ ánh nắng mặt trời nhất định mới có thể hoạt động Pin ngưng hoàn toàn hoạt động khi thời tiết mây nhiều, âm u

Pin mặt trời dạng phim mỏng được tạo từ những miếng phim rất mỏng từ chất liệu Silic nóng chảy Pin có cấu trúc đa tinh thể và cho hiệu suất thấp nhất khi so sánh với hai dòng pin trên Bởi bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên loại pin mặt trời dạng phim mỏng được xem có giá cả mềm nhất so với hai loại pin Mono và Poly

Hình Error! No text of specified style in document 6 Pin mono và pin poly

1.3.2 Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời

Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một nguồn điện quang sinh Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm việc nhất định, dòng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc Do đó, trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định Iph Trên thực tế, trong

quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất định Vì vậy trong mạch điện tương đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải RL Như vậy, mạch điện tương đương của pin PV được thể hiện trên hình 1.7 dưới đây

Hình 1.7 Sơ đồ mạch tương đương của một Solar Cell

Phương trình đặc tính V-I của Solar Cell được biểu diễn như sau [5-8]:

Trong đó: là dòng phát quang hay là dòng quang điện, là dòng bão hòa, q

là điện tích của điện tử (C), q = 1,6.10-19 C, k là hằng số Boltzmann (1,38.10-23 J/K),

T là nhiệt độ làm việc, A là hệ số lý tưởng

Dòng quang điện chủ yếu phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc, được thể hiện trong phương trình sau:

= + ( − !")$.1000% (1.3) Trong đó: là dòng điện ngắn mạch, KI là hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch, Tref là nhiệt độ tham chiếu, Tref = 250C, % là cường độ bức xạ mặt trời W/m2

Dòng điện bão hòa thay đổi theo nhiệt độ làm việc của cell và được thể hiện theo phương trình:

= '

!"() *+ -./, 0, (1.4) Trong đó: IRs là dòng điện bão hòa ngược tại nhiệt độ tham chiếu và cường độ bức xạ tiêu chuẩn, Eg là năng lượng kích hoạt electron của vật liệu bán dẫn được sử dụng trong pin mặt trời

Dòng điện qua diode được tính theo phương trình:

Một tấm pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh bảo gồm nhiều Solar Cell kết nối

với nhau nối tiếp hoặc song song để tạo ra nguồn công suất lớn hơn, vì vậy sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời gồm Np Solar Cell kết nối song song và Ns Solar Cell nối nối tiếp được thể hiện trong hình 1.8:

Hình 1.8 Sơ đồ mạch tương đương của pin mặt trời

Dựa vào các phương trình trên, ta tiến hành mô hình hóa hệ thống pin mặt trời đề tài sử dụng trong Matlab/simulink ở điều khiện chuẩn cường độ bức xạ mặt trời 1000w/m2, nhiệt độ 25oC như sau:

- Pmpp = 44 (W) (gồm 2 tấm pin PV SV-22W mắc song song)

- Umpp = 18 (V)

- Impp = 2.25 (A)

- Uoc = 21.46 (V)

Isc = 2.7 (A)

Kết quả mô phỏng được thể hiện trong các hình bên dưới

Hình 1.9 Đặc tính I-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi trường

được giữ nguyên

Hình 1.10 Đặc tính P-V của tấm pin khi BXMT thay đổi nhưng nhiệt độ môi trường

được giữ nguyên

Hình 1.11 Đặc tính I-V của tấm pin khi nhiệt độ môi trường thay đổi nhưng BXMT

giữ nguyên

Hình 1.12 Đặc tính P-V của tấm pin khi nhiệt độ môi trường thay đổi nhưng BXMT

giữ nguyên

Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là không biết trước và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ Do đó, cần có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là trọng tâm của bộ điều khiển MPPTThuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT

1.4 Các bộ chuyển đổi DC/DC

Để thực hiện thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại của tấm pin quang điện

Ở đây thường dùng các mạch chuyển đổi DC/DC và chương trình thuật toán bắt điểm công suất cực đại tích hợp trong bộ điều khiển Có 2 loại bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC:

Loại cách ly: Có máy biến áp để cách ly giữa hai nguồn điện đầu vào và đầu ra,

sử dụng đồng tỉ số biến áp và phương pháp điều chế thay đổi độ rộng xung điều khiển

để tăng hoặc giảm áp Ưu điểm của bộ chuyển đổi có sử dụng máy biến áp cách ly là

có độ an toàn cao, tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi thấp nên ít được sử dụng

Loại không cách ly không sử dụng máy biến áp Ưu điểm của loại này là cho hiệu suất chuyển đổi cao nên được sử dụng phổ biến Các bộ biến đổi thường dùng:

- Bộ biến đổi giảm áp (Buck): Biến đổi điện áp đầu ra thấp hơn điện áp đầu vào

- Bộ biến đổi tăng áp (Boost): Biến đổi nâng điện áp đầu ra cao hơn điện áp đầu vào

- Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (Buck – Boost): lại này là sự kết hợp của hai bộ biến đổi trên, có thể tăng hoặc giảm điện áp dựa trên cách điều khiển van bán dẫn

1.4.1 Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter)

Mạch tăng áp [9-13] được sử dụng phổ biến với khả năng điều chỉnh điện áp đầu

ra lớn hơn điện áp đầu vào (Vo>Vin) Nguồn áp một chiều được mắc nối tiếp với một cuộn cảm có vai trò như một nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song được đóng mở theo chu kỳ và tụ điện dùng để lọc điện áp đầu ra như hình 1.13 dưới đây [6-8]:

L

S

D C

-+ +

-LOAD

Hình 1.13 Sơ đồ nguyên lý của mạch DC/DC tăng áp Boost

Mạch tăng áp làm việc luân phiên ở 2 trạng thái: khóa S đóng và khóa S mở Hai

trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ đóng cắt TS [10-11]:

= 12+ 1"" (1.6) Trong đó: Ton là thời gian khóa S đóng, Toff là thời gian khóa S mở

L

C

-+ +

Hình 1.14 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng

Khi khóa S đóng (Ton) thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện chạy vòng qua cuộn cảm về nguồn, đây là thời gian nạp năng lượng cho cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm tăng lên Trong khi đó, dòng điện không qua diode do phân cực ngược lúc này điện áp cung cấp cho tải được tạo ra từ năng lượng tích trữ ở tụ Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện Ở chu kỳ đầu, có thể nói chỉ có nguồn và cuộn cảm là việc ở trạng thái này, tụ điện chưa tích điện do đó tải chưa được cung cấp năng lượng làm việc Ở trạng thái làm việc của những chu kỳ tiếp theo, khi tụ điện được nạp năng lượng ở những giai đoạn Toff của khóa thì điện áp của đầu ra sẽ được duy trì và có trạng thái làm việc của các phần tử được mô tả như hình 1.15

L

C

-+ Off

+ -

LOAD

I L

Hình 1.15: Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở

Hình 1.15 mô tả trạng thái làm việc của tải và chiều dòng điện chạy trong mạch Khi khóa S mở (Toff), lúc này ở cuối cuộn cảm xuất hiện một suất điện động được tạo nên từ việc thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn cảm Điện áp được tạo ra có xu hướng làm giảm sự thay đổi của dòng điện, lúc này cuộn cảm làm việc giống như một nguồn điện nối tiếp với nguồn điện ban đầu Điện áp tại đầu ra lúc này bằng tổng điện

áp nguồn cấp và điện áp ở cuộn cảm, thông qua diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho

tụ điện

Dạng sóng của điện áp và dòng điện trong thời gian một chu kỳ được thể hiện ở hình 1.16 bên dưới đây:

Hình 1.16 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch tăng áp trong một chu kỳ Dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng sóng của điện áp và dòng điện ta có thể thiết lập được mối liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra như sau:

Do:

Trong đó:

I9= I:+ I; là dòng điện qua cuộn cảm,

IC là dòng điện qua tụ điện

- Vo (V) là điện áp đầu ra,

- Vin (V) là điện áp đầu vào

- F = EC

G là hệ số làm việc của khóa S

- Io (A) là dòng điện đầu ra,

- ∆4(A) là độ lớn dao động dòng điện qua cuộn cảm L

1.4.2 Mạch giảm áp

Hình 1.17 Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp Mạch giảm áp [9-13] có vai trò biến điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào (Vo<Vin) Theo sơ đồ nguyên lý hình 1.17 mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ dùng hai khóa đóng cắt IGBT và đi-ốt, cuộn cảm và tụ điện để lọc điện áp đầu ra Khóa S thường có tần số đóng cắt lớn

Mạch giảm áp làm việc luân phiên ở 2 trạng thái: khóa S đóng và khóa S mở Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ TS:

= 12+ 1"" (1.11) Trong đó:

- Ton: Thời gian khóa S đóng

- Toff: thời gian khóa S mở

Theo như hình 1.18, khi khóa S đóng (Ton) nghĩa là khép mạch, nguồn (Vin) cung cấp dòng điện đi qua cuộn cảm, cuộn cảm tích trữ năng lượng, dòng điện trong cuộn cảm tăng lên, đồng thời cung cấp dòng điện cho tải và nạp điện cho tụ điện

Hình 1.18 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S đóng

Khi khóa S mở (Toff) tức là ngắt nguồn ra khỏi mạch Khi đó năng lượng trong

cuộn cảm được tích lũy trước đó sẽ giải phóng cung cấp dòng điện cho tải Khi đột ngột mất nguồn, dòng điện đi qua cuộn cảm bắt đầu giảm xuống, lúc này cuộn cảm có

xu hướng giữ cho dòng điện không đổi Do đó, ta có thể thấy điện thế giữa hai đầu cuộc cảm ở hình 1.18 và 1.19 ngược nhau Ở chế độ làm việc này, cuộn cảm bắt đầu giải phóng năng lượng để duy trì dòng điện chạy trong mạch, năng lượng của cuộn cảm giảm dần Quá trình đóng cắt liên tục tạo tải một điện áp trung bình theo luật băm xung PWM Dòng điện qua tải sẽ ở dạng xung tam giác đảm bảo cho dòng liên tục qua tải Tần số đóng cắt khá cao để đảm bảo triệt nhiễu công suất cho mạch

Hình 1.19 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S mở

Hình 1.20 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu kỳ

Vin - VC

Ở trạng thái xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian đóng mở khóa được duy trì Nghĩa là năng lượng tích lũy trong cuộn cảm trong thời gian khóa S đóng bằng năng lượng cấp cho tải trong thời gian khóa S mở Do đó dạng sóng điện áp và dòng điện trong một chu kỳ của mạch giảm áp thể hiện ở hình 1.20 Dựa vào nguyên lý hoạt động cũng như dạng sóng điện áp và dòng điện trong một chu kỳ ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra như sau:

Ta có:

Trong đó:

I9= I:+ I;: dòng điện qua cuộn cảm

IC: dòng điện qua tụ điện

G: hệ số làm việc của khóa S

- Io (A): dòng điện đầu ra

- ∆4(A): dao động của dòng điện qua cuộn cảm L

1.5 Kết luận

Chương này đã trình bày khái quát về năng lượng mặt trời cũng như sự phát triển của loại hình năng lượng này Các bộ chuyển đổi năng lượng một chiều DC/DC

thường được sử duụn cũng đã được đề cập đến về: nguyên lý hoạt động, cách tính toán các phần tử, Làm cơ sở khai triển cho các chương tiếp theo của đề tài

CHƯƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT

(MAXIMUM POWER POINT TRACKING)

2.1 Giới thiệu chung

Thuật toán bắt điểm công suất cực đại - MPPT (Maximum Power Point Tracker)

là phương pháp dò tìm họ điểm làm việc tối ưu của các hệ thống PV Thông qua việc

đo lường tín hiệu dòng điện và điện áp của hệ tấm pin quang điện, từ đó đưa ra kết quả

là giá trị góc mở D (độ rộng xung điều khiển) để đóng cắt các linh kiện bán dẫn trong các bộ chuyển đổi theo thời gian từ đó nâng cao lượng công suất thu được từ các PV Điểm làm việc với công suất tối ưu được gọi là điểm công suất cực đại-MPP (Maximum Power Point)

Ngày nay, để nâng cao công suất thu được từ PV hay tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng, phương pháp MPPT đang được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời PV, trong đó hai phương pháp phổ biến nhất: Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observe) và thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) [14-18]

2.2 Đường đặc tính Vôn-Ampe và đặc tính công suất của tấm pin

+

_ V

I

R PV

Hình 2.1: Tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở với giá trị có thể thay đổiThành lập đường đặc tính của tấm pin quang điện để ta hiểu rõ điểm công suất cực đại của tấm pin quang điện Ta chiếu vào tấm pin một bức xạ có giá trị không đổi, cho giá trị R biến thiên, ta có đường đặc tính Vôn-Ampe và công suất của tấm pin quang điện ứng với giá trị bức xạ và nhiệt độ không đổi như sau:

Hình 2.2: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở

có giá trị điện trở thay đổi được

Từ đặc tính ta có nhận xét như sau: Khi cho R thay đổi từ ∞ (tương ứng với trường hợp hở mạch) đến 0 (tương ứng với trường hợp ngắn mạch) thì điện áp tấm pin thay đổi từ VOC đến 0, dòng điện của tấm pin thay đổi từ 0 đến ISC, công suất thay đổi theo đường cong P

VOC: điện áp hở mạch của tấm pin

ISC: Dòng điện ngắn mạch của tấm pin

Khi R=Rm nào đó thì công suất tấm pin đạt giá trị cực đại Pm

R>Rm tương ứng với điểm làm việc bên phải điểm công suất cực đại

R<Rm tương ứng với điểm làm việc bên trái điểm công suất cực đại

Trong thực tế điểm làm việc có thể không ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất

vì vậy công suất thu được không phải lớn nhất Do đó, ta phải xây dựng các bộ chuyển đổi DC/DC tích hợp thuật toán bắt điểm công suất cực đại để duy trì điểm làm của PV tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPP

Như đã trình bày ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP xác định trên đường đặc tính I – V hay P - V luôn thay đổi dưới các điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ biến thiên Chẳng hạn, Đường đặc tính làm việc I – V và P - V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25oC) như hình 1.10 hay hình 1.11 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ thống PV, được

áp dụng với mong muốn nâng cao năng lượng thu được cũng như nâng cao hiệu suất của hệ thống pin mặt trời Nó được đặt trong tích hợp trong các bộ điều khiển của bộ biến đổi DC/DC Các thuật toán MPPT điều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC

Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như hiệu quả định điểm

làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi…

2.3 Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại

2.3.1 Thuật toán P&O

Đây là một phương pháp đơn giản và thông dụng nhất nhờ sự giản đơn trong thuật toán và có thể dễ dàng thực hiện Thuật toán này theo dõi sự biến thiên điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm MPP được xác định trên đường cong đặc tính thì điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đã tìm được [15-17]

Hình 2.3.Nguyên lý tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PV) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát Hình 2.3 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔV>0 và ΔP>0) thì cần tăng điện áp 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 (ΔV<0 và ΔP<0) thì cần tăng điện áp 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 (ΔV<0 và ΔP>0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔV>0 và ΔP<0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

Từ mô hình hoạt động của bộ biến đổi DC/DC tăng áp BOOST ta thấy để tăng điện áp của đầu ra của tấm pin PV như trong thuật toán nêu trên có nghĩa là tăng điện

áp đầu vào của Vin và công thức (3.4) ta thấy là cần phải giảm D và ngược lại thì tăng

D

V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k)

Đo V(k), I(K) Bắt đầu P&O

P(k)=V(k)I(k)ΔP=P(k)-P(k-1)ΔV=V(k)-V(k-1)

S

Đ S

Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán P&O [15-18]

 Giải thích 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 ∆P, ∆V và kiểm tra:

- Nếu ∆V.∆P > 0 thì giảm D để tăng giá trị điện áp đầu ra tấm pin

- Nếu ∆V.∆P < 0 thì tăng D để giảm giá trị điện áp điện áp đầu ra tấm pin

Sau đó thuật toán cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo

2.3.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)

Hình 2.5Nguyên lý tìm điểm công suất cực đại của phương pháp INC

Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP Thể hiện như sau:

Vì dP/dV = d(IV)/dV = I + V dI/dV  I + VΔI/ΔV nên ta có thể viết lại như sau:

Hình 2.6 Sơ đồ thuật toán INC [15-18]

 Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V tại thời điểm k-1

và tại thời điểm k, sau đó tính toán độ sai lệch ∆I, ∆V rồi so sánh:

- Trong trường hợp ∆V = 0, nếu ∆I>0 thì tăng Vref, ∆I<0 thì sẽ giảm Vref và sẽ giữ nguyên Vref nếu ∆I = 0

- Nếu ∆V ≠ 0, bộ điều khiển sẽ tăng điện áp Vref khi ∆I/∆V > -I/V và giảm Vref khi ∆I/∆V < -I/V Vref sẽ được giữ nguyên nếu ∆I/∆V = -I/V

Sau khi các thuật bước so sánh trên đã hoàn thành, bộ điều khiển sẽ cập nhật các giá trị mới của I và V rồi tiến hành tiếp tục vòng lặp

2.3.3 Thuật toán leo đồi (Hill Climbing)

Giải thuật Hill Climbing là một kỹ thuật tối ưu toán học để tìm kiếm các giá trị cực đại hoặc cực tiểu trong một vùng lân cận đang xét Ta nhận xét đường đặc tính công suất của tấm pin chỉ có một giá trị cực đại nên ta có thể áp dụng giải thuật này để

dò tìm điểm công suất cực đại

DP=0

No

Đo I(k-1), V(k-1) P(k-1)=I(k-1)*V(k-1)

Hình 2.7 Giải thuật Hill Climbing dò tìm điểm công suất cực đại

 Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển sử dụng hai thông số là ∆P, ∆D để kiểm tra

- Nếu công suất tăng (∆P>0) khi độ rộng xung điều khiển tăng (∆D>=0) thì tiếp tục tăng độ rộng xung điều khiển D

- Nếu công suất tăng (∆P>0) khi độ rộng xung điều khiển giảm (∆D<0) thì giảm độ rộng xung điều khiển D

- Nếu công suất giảm (∆P<0) khi độ rộng xung điều khiển tăng (∆D>0) thì giảm độ rộng xung điều khiển D

- Nếu công suất giảm (∆P<0) khi độ rộng xung điều khiển giảm (∆D<0) thì tăng độ rộng xung điều khiển D