TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Năng lượng mặt trời
Mặt trời phát ra một phổ năng lượng rộng lớn, nhưng chỉ những tia bức xạ có bước sóng nhất định mới có thể kích hoạt hiện tượng quang điện Để tạo ra quang điện, năng lượng của các tia bức xạ này phải lớn hơn mức năng lượng cần thiết để kích hoạt electron, điều này phụ thuộc vào từng loại chất bán dẫn.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon :
Hình 1.1: Quang phổ mặt trời với tỉ lệ không khí 1.5
Khái niệm về photovoltaic (pin mặt trời)
Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện
Pin quang điện (PV) hoạt động theo nguyên lý ngược lại so với diode quang Trong khi diode quang chuyển đổi năng lượng điện thành ánh sáng, pin PV lại chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng.
-Nhiệm vụ của photon đối với điện năng lượng mặt trời : kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng
Hình 1.2: Mô hình vật lý pin PV
RS :Series resistance, Rp: parallel resistance, Ip : dòng điện qua Rp , ISC : short circuit current dòng ngắn mạch
Vật liệu làm photovoltaic
Hình 1.3: Các loại vật liệu làm photovoltaic
Nguyên lý làm việc của photovoltaic
Dựa vào mô hình nguyên tử Boh, electron có khối lượng kg m e 9 1093897 10 31
Xoay xung quanh hạt nhân, ở quỹ đạo với bán kính rn và tần số góc n Sự di chuyển xung quanh quỹ đạo sinh ra lực ly tâm
Những electron này là những yếu tố mang điện e = 1.6 x 10 -19 A s
Nó được giữ ở vị trí quanh hạt nhân của nguyên tử với lực hấp dẫn Coulomb là :
Hằng số điện môi được xác định là 0 = 8.8 x 10 -12 (As/Vm) Lực ly tâm và lực Coulomb cân bằng nhau để giữ electron quanh quỹ đạo Theo thuyết Planck, electron có thể tồn tại ở những quỹ đạo mà mô men góc quỹ đạo được nhân lên.
Lượng tử hoá của mô men góc của quỹ đạo dẫn đến
Hình 1.4: Mức trượt của Electrons từ dãy hoá trị đến dãy dẫn gây nên bởi năng lượng ánh sáng trong bán dẫn ( Inner Photo Effect)
Dưới tác động của năng lượng ánh sáng, các electron trượt từ vùng hóa trị sang vùng dẫn, trong đó các nguyên tố thường được sử dụng là chất bán dẫn như Si, Ge và Sn, với Si là nguyên tố nổi bật nhất trong nhóm 4.
Hình 1.5: Nguyên lý tế bào mặt trời với mô hình dãy năng lượng
Đặc tuyến pin năng lượng điện mặt trời và phương trình của chúng
1.5.1 Phương trình mô tả đặc tính pin quang điện
I S tại 25 0 C (Ghi chú : I 0 : dòng điện bão hoà của diode PV I SC, R S , R P : xem ở mô hình thay thế pin PV )
1.5.2 Các đặc tuyến a) Các đặc tuyến I (A), P (W)
Để xác định điểm truy bắt công suất cực đại (MPP), ta cần vẽ hai đồ thị P-V và I-V trên cùng một hệ trục tọa độ Từ đồ thị P-V, ta có thể xác định điện áp MPP (V MPP) và vẽ đường thẳng P MPP, nơi đường thẳng này cắt đồ thị I-V.
Tại điểm MPP, khi kéo ngang từ điểm MPP vào trục tung I, ta xác định được điểm I MPP Đặc tính V-I và P-I của pin quang điện sẽ thay đổi dựa trên các giá trị khác nhau của dòng ngắn mạch.
Đặc tuyến V-I và P-I của pin năng lượng mặt trời (PV) phụ thuộc vào dòng ngắn mạch, mà giá trị này khác nhau giữa các loại pin PV Ngoài ra, dòng ngắn mạch còn chịu ảnh hưởng từ môi trường hoạt động, bao gồm nhiệt độ, độ rọi và góc đặt tấm PV so với mặt phẳng nằm ngang Trong trường hợp lý tưởng, đường đặc tính của pin PV thể hiện hiệu suất tối ưu, trong khi trong thực tế, các yếu tố môi trường có thể làm giảm hiệu suất này.
Điện trở trong mạch tương đương có thể được phân loại thành hai loại: nối tiếp và song song Khi điện trở song song (R P) có giá trị lớn hơn và điện trở nối tiếp (R S) có giá trị nhỏ hơn, hoạt động của mạch sẽ được cải thiện, giúp giảm điện áp và dòng điện phân phối.
- Trường hợp lý tưởng : R P = , R S = 0 (R P , R S là những phần tử ở mô hình thay thế pin PV) , lúc này V MPP V OC và I MPP I SC
Hình 1.9: Mô hình thay thế pin PV d) Đặc tuyến làm việc của pin PV
Mặt trời liên tục thay đổi cường độ chiếu sáng, dẫn đến sự biến đổi của các điểm MPP Khi giả sử tải là một điện trở với đặc tuyến I = V/R tuyến tính, ta có thể xác định đường đặc tính làm việc tương ứng.
Hình 1.10: Hiệu suất của module PV với tải là điện trở khi ánh sáng mặt trời yếu nhanh Điểm MPP có công suất lớn nhất.
Số liệu về Module PV của các hãng sản xuất khác nhau trên thế giới
Bảng1.1: Các số liệu về PV Module của các hãng khác nhau
Bảng thông số module điện mặt trời ( Sharp NE -80 EJEA)
No.of Cell and Connections 36 in series
Type of Output Terminal Junction Box
Example of PV Module Performance Data Under Standard Test Condition
Manufacturer Kyocera Sharp BP Uni- Solar Sheel
Model KC-120-1 NE-Q5E 2U 2150S US-64 ST40
Material Multicrystal Polycrystal Monocrys tal
CIS T h i n fi l m Number of cell
Cấu trúc bên trong của pin mặt trời: ( Thay mô hình vật lý bằng mô hình toán)
- Cấu trúc để tạo ra điện áp (N S số pin PV mắc nối tiếp trong một module PV)
-Cấu trúc bên trong để tạo ra dòng điện
Hình 1.11: Các khối bên trong pin mặt trời.
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP
Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
2.1.1 Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC là thiết bị quan trọng trong hệ thống nguồn điện một chiều, giúp chuyển đổi nguồn điện không ổn định thành nguồn điện có thể điều khiển Trong các hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi này hoạt động phối hợp với MPPT để điều chỉnh điện áp đầu vào từ pin mặt trời, nhằm cung cấp điện áp tối ưu cho tải Cấu trúc cơ bản của bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm một khoá điện tử, một cuộn cảm để lưu trữ năng lượng, và một điôt dẫn dòng.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia thành hai loại chính: có cách ly và không cách ly Loại có cách ly sử dụng máy biến áp cách ly điện tần số cao để tách biệt nguồn điện một chiều đầu vào và đầu ra, đồng thời điều chỉnh áp bằng cách thay đổi hệ số biến áp, thường được áp dụng trong các nguồn cấp một chiều với khoá điện tử Các mạch phổ biến trong loại này bao gồm mạch cầu, nửa cầu và flyback, và thường được sử dụng trong các thiết bị quang điện để đảm bảo an toàn khi làm việc với lưới điện Ngược lại, loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp và thường được sử dụng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Các bộ biến đổi DC/DC này đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV).
- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)
- Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk
Việc lựa chọn loại bộ chuyển đổi DC/DC cho hệ thống năng lượng mặt trời (PV) phụ thuộc vào yêu cầu điện áp đầu ra của ắc quy và tải từ dãy panel mặt trời.
Bộ giảm áp buck có khả năng xác định điểm làm việc tối ưu khi điện áp vào lớn hơn điện áp ra của bộ biến đổi Tuy nhiên, trường hợp này ít xảy ra khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm thấp.
Bộ tăng áp boost hoạt động hiệu quả ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu, giúp xác định điểm làm việc tối ưu Hệ thống này sử dụng bộ Boost để nâng cao điện áp cung cấp cho tải trước khi chuyển đổi sang DC/AC.
Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp
Các loại bộ biến đổi DC/DC a Mạch Buck
Khóa K trong mạch bao gồm các loại khóa điện tử như BJT, MOSFET và IGBT, có vai trò quan trọng trong việc điều khiển dòng điện Mạch Buck giúp giảm điện áp đầu vào xuống mức phù hợp để nạp ắc quy Các khóa transistor hoạt động bằng cách đóng mở với tần số cao, và hệ số làm việc D của khóa được tính toán theo công thức: D = t_on / T, trong đó t_on là thời gian khóa ở trạng thái bật và T là chu kỳ.
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Khi khóa K mở, dòng điện một chiều được nạp vào tụ C2 và cung cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Khi khóa K đóng lại, dòng điện ngừng chảy và năng lượng từ đầu vào trở về 0 Tuy nhiên, tải vẫn nhận đủ điện nhờ vào năng lượng lưu trữ trên cuộn kháng và tụ điện, do diod giữ mạch kín Điều này cho thấy cuộn kháng và tụ điện có khả năng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn, giúp duy trì hoạt động của mạch khi khóa K đóng.
Hình 2.2: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
Phân tích mạch dựa trên cân bằng năng lượng trong chu kỳ đóng cắt của khóa cho thấy rằng năng lượng cung cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng tổng năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở và năng lượng cấp cho tải trong thời gian khóa K, được lấy từ cuộn kháng và tụ điện.
Dưới điều kiện xác lập, năng lượng trên cuộn kháng được duy trì trong suốt thời gian khóa đóng mở, cho phép phân tích hiệu quả dựa trên phương pháp này.
dI L v L L (2-2) nên khi K mở (ton): on out in
(2-3) khi K khóa (toff): ton toff
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được tính như sau:
Trong đó: Io là dòng tải = Vout/Rtải = giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng
Từ các công thức trên suy ra:
Công thức (2 – 6) chỉ ra rằng điện áp ra có thể được điều chỉnh thông qua việc kiểm soát hệ số làm việc D, sử dụng một mạch hồi tiếp dựa trên dòng điện nạp ắc quy Hệ số làm việc này được điều chỉnh bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton, do đó, bộ biến đổi này thường được gọi là bộ điều chế xung PWM.
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời b Mạch Boost
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Bộ Boost hoạt động tương tự như bộ Buck, sử dụng cuộn kháng L để chuyển đổi năng lượng Khi công tắc K mở, dòng điện đi qua cuộn kháng và tích trữ năng lượng, và khi K đóng, cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt đến tải.
Mạch này nâng cao điện áp ra khi ắc quy phóng Khi khóa K mở, cuộn cảm kết nối với nguồn một chiều Khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chảy vào tải qua diod Điện áp ra được tính dựa trên hệ số làm việc D của khóa K.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tần số trong chế độ dẫn liên tục, nhằm tối ưu hóa điện áp vào V1 tại điểm công suất cực đại tương ứng với điện áp tải Vo.
Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost c Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Mạch Boost có khả năng tăng điện áp đầu ra luôn lớn hơn điện áp đầu vào do điều kiện D < 1, trong khi mạch Buck chỉ có thể giảm điện áp Khi kết hợp cả hai mạch này, ta tạo ra mạch Buck – Boost, cho phép điều chỉnh điện áp đầu vào theo cả hai hướng, vừa tăng vừa giảm.
Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT
Khi một tấm pin mặt trời (PV) được kết nối trực tiếp với một tải, điểm làm việc của tấm PV sẽ là giao điểm giữa đường đặc tính I-V của tấm và đường đặc tính I-V của tải Nếu tải là thuần trở, đường đặc tính tải sẽ là một đường thẳng với độ dốc bằng 1/Rtải.
Hình 2.14: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 2.15: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được
Trở kháng của tải phụ thuộc vào điều kiện làm việc của pin, và điểm làm việc thường không đạt tại công suất lớn nhất, dẫn đến việc không phát huy tối đa công suất Trong mùa đông, mạng nguồn pin mặt trời thường bị quá tải do phải bù cho công suất thấp trong thời gian ánh sáng yếu Sự không đồng bộ giữa tải và các tấm pin mặt trời gây ra quá tải và tổn hao trong hệ thống Để khắc phục vấn đề này, phương pháp MPPT được áp dụng nhằm duy trì điểm làm việc của nguồn điện pin tại điểm có công suất lớn nhất (MPP), với khả năng xác định chính xác đến 97% điểm MPP.
Chương này trình bày đặc tính làm việc I-V của mô-đun pin mặt trời và tải, cùng với sự tương thích giữa chúng Ngoài ra, nó cũng đề cập đến phương pháp điều khiển MPPT và ứng dụng của thuật toán MPPT trong việc điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống, đồng thời nêu rõ những giới hạn của phương pháp MPPT.
2.2.2 Nguyên lý dung hợp tải
Khi PV được kết nối trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PV sẽ phụ thuộc vào đặc tính của tải Điện trở của tải được xác định theo công thức: o o tai I.
Trong đó: Vo là điện áp ra, Io là dòng điện ra
Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:
VMPP và IMPP đại diện cho điện áp và dòng điện cực đại trong hệ thống năng lượng mặt trời Khi tải đạt giá trị tối đa Ropt, công suất truyền từ PV đến tải sẽ đạt mức cao nhất Tuy nhiên, tình huống này thường không xảy ra trong thực tế Mục tiêu của MPPT là tối ưu hóa việc phối hợp giữa trở kháng của tải và trở kháng tối ưu của PV.
Dưới đây là ví dụ của việc dung hợp tải sử dụng mạch Boost Từ công thức (2 – 8): o in (1 D).V
Trong một hệ thống lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp cần phải tương đương với công suất trung bình mà tải hấp thụ.
Từ 2 công thức (2 – 22) và (2 – 24) ta có: o in I
Suy ra: tai 2 o o 2 in in in (1 D) R
Hình 2.16: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D
Hình vẽ 2.16 cho thấy trở kháng do PV tạo ra là trở kháng vào Rin cho bộ biến đổi Việc điều chỉnh tỉ lệ làm việc D cho phép giá trị Rin được điều chỉnh sao cho phù hợp với Ropt Do đó, trở kháng của tải không cần quá chú trọng miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng cách.
2.2.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT Điểm MPP định trên đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ Chẳng hạn, hình 2.17 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một nhiệt độ (25 0 C) và hình 2.18 các đặc tính làm việc ở cùng mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần
Hình 2.17: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2.18: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ
Hai hình vẽ cho thấy sự dịch chuyển điện áp tại vị trí điểm MPP, do đó cần sử dụng thuật toán để xác định điểm MPP Thuật toán này đóng vai trò trung tâm trong bộ điều khiển MPPT.
Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O
Phương pháp điện dẫn gia tăng INC
Các phương pháp dò tìm điểm MPP
2.3.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm 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 làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó
Hình 2.19: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Hình 2.20: Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O
Sự dao động điện áp gây tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt khi thời tiết thay đổi chậm hoặc ổn định Để khắc phục, có thể điều chỉnh thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một phương pháp khác là giảm bước tính biến thiên, tuy nhiên, khi thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ chậm trong việc theo dõi điểm MPP, dẫn đến hao hụt công suất nhiều hơn.
Phương pháp này có nhược điểm chính là không xác định chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Mặc dù có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện, nhưng trong trạng thái ổn định, điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, dẫn đến hao hụt năng lượng Do đó, phương pháp này không phù hợp với các điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
2.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC Đây là phương pháp khắc phục những nhược điểm của phương pháp P&O trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin mặt trời để dò tìm điểm công suất tối ưu Minh hoạ trên hình vẽ 2.21:
Hình 2.21: Phương pháp điện dẫn gia tăng
Phương pháp này dựa trên đặc điểm rằng độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP Cụ thể, độ dốc là dương khi nằm bên trái điểm MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP.
Vì dP/dV = d(IV)/dV = I + V dI/dV I + VI/Vnên ta cũng có thể viết lại là:
Thuật toán này so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (ΔI/ΔV) để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP, và hệ thống sẽ duy trì hoạt động ở điểm này trừ khi có sự thay đổi dòng điện ΔI, phản ánh điều kiện thời tiết và sự thay đổi của MPP Độ lớn của điện dẫn gia tăng ảnh hưởng đến tốc độ tìm ra MPP; tuy nhiên, nếu điện dẫn gia tăng quá lớn, hệ thống có thể hoạt động không chính xác và bị dao động Phương pháp này mang lại kết quả tối ưu khi thời tiết thay đổi nhanh và có dao động nhỏ hơn so với phương pháp P&O, nhưng nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp.
Hệ thống này sử dụng hai cảm biến để đo dòng điện và điện áp, dẫn đến chi phí lắp đặt tương đối cao Tuy nhiên, với sự phát triển của nhiều phần mềm và bộ xử lý hiện đại, giá thành của hệ thống đã giảm đáng kể.
Hình 2.22: Lưu đồ thuật toán của phương pháp điện dẫn gia tăng INC
Phương pháp điều khiển MPPT
Thuật toán MPPT hướng dẫn bộ điều khiển MPPT điều chỉnh điện áp làm việc của hệ thống pin mặt trời Nhiệm vụ của bộ điều khiển MPPT là tăng giảm điện áp để duy trì sự ổn định cho mức điện áp làm việc Hiện nay, có ba phương pháp phổ biến để điều khiển MPPT.
2.4.1 Phương pháp điều khiển PI
MPPT sẽ đo điện áp và dòng điện của hệ thống PV, sau đó sử dụng các thuật toán MPPT như P&O hoặc INC để tính toán giá trị điện áp quy chiếu Vref Nhiệm vụ chính của thuật toán MPPT là xác định giá trị Vref, và quá trình này được lặp lại định kỳ từ 1 đến 10 lần mỗi giây để điều chỉnh điện áp làm việc của hệ thống PV lên theo Vref.
Hình 2.23: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân PI quy định điện áp đưa vào bộ biến đổi DC/DC
Bộ điều khiển PI có chức năng điều chỉnh sai lệch giữa Vref và điện áp đo được bằng cách thay đổi hệ số đóng cắt D, mang lại tốc độ làm việc nhanh và đáp ứng ổn định Mặc dù cấu trúc của bộ PI tương tự như các thành phần Analog, nhưng nó hoạt động dựa trên nguyên tắc xử lý tín hiệu số DSP, cho phép thực hiện nhiều nhiệm vụ như xác định điểm làm việc tối ưu, từ đó giảm thiểu số lượng thành phần trong hệ thống.
2.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp
Phương pháp này đơn giản hơn, sử dụng chỉ một mạch vòng điều khiển để điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT Việc điều chỉnh hệ số làm việc hoàn toàn dựa trên nguyên lý dung hợp tải đã được trình bày ở mục 2.2.
Hình 2.24: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT
Tổng trở của PV được coi là tổng trở vào bộ biến đổi Nhắc lại công thức (2 – 6) tai 2 o o 2 in in in (1 D) R
Trong đó: D là hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost
Việc tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào Rin, dẫn đến điện áp làm việc PV dịch sang bên trái và giảm đi Ngược lại, khi giảm D, Rin sẽ tăng, làm cho điện áp làm việc dịch sang bên phải và tăng lên Các thuật toán MPPT như P&O, INC và các thuật toán khác sẽ xác định cách thức dịch chuyển điện áp này.
Hình 2.25: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D 2.4.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
Phương pháp cải tiến từ điều khiển trực tiếp chỉ cần hai cảm biến đo điện áp và dòng điện ra khỏi bộ biến đổi, giúp giảm chi phí lắp đặt Trong khi đó, phương pháp điều khiển bằng PI cho phép điều chỉnh chính xác điểm làm việc của pin mặt trời, nhưng lại yêu cầu thêm cảm biến đo tín hiệu ra để ngăn ngừa tình trạng quá điện áp và quá dòng điện Do đó, cả hai phương pháp này đều cần tới bốn cảm biến để hoạt động hiệu quả, dẫn đến chi phí lắp đặt cao hơn.
Phương pháp điều khiển đo trực tiếp này sử dụng sự thay đổi công suất của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) ở đầu ra của bộ biến đổi, với hệ số làm việc D được coi là biến điều khiển Thuật toán P&O được áp dụng để xác định điểm công suất tối đa (MPP).
Thuật toán P&O được cải tiến để điều khiển biến D trong phương pháp đo trực tiếp tín hiệu ra Thuật toán mới này điều chỉnh D dựa trên công suất ra của bộ biến đổi DC/DC Khi công suất ra tăng, hệ số D cũng tăng theo, và ngược lại, nếu công suất ra giảm, D cũng sẽ giảm Khi công suất ra đạt giá trị cực đại, hệ thống PV hoạt động tại điểm MPP.
Phương pháp mô phỏng này dễ thực hiện với bộ biến đổi lý tưởng, nhưng trong thực tế, với bộ biến đổi không lý tưởng, không đảm bảo rằng giá trị cực đại của công suất đầu ra tương ứng với điểm MPP Hơn nữa, nhược điểm của phương pháp này là chỉ áp dụng cho các tham số của thuật toán P&O, không phù hợp với thuật toán INC.
Giới hạn của MPPT
Giới hạn của MPPT là không thể tác động đến tín hiệu ra trong quá trình xác định điểm công suất tối đa Điều này có nghĩa là nó không thể đồng thời điều chỉnh cả tín hiệu vào và tín hiệu ra Do đó, để duy trì điện áp ra ổn định, hệ thống cần sử dụng ắc quy.
Một nhược điểm của MPPT là khả năng xác định điểm công suất tối ưu sẽ bị giới hạn nếu tải không tiêu thụ hết công suất sinh ra Trong hệ thống PV độc lập, nếu tải bị giới hạn bởi dòng và áp lớn nhất, MPPT sẽ dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi MPP, dẫn đến tổn hao công suất Do đó, việc xác định chính xác dung lượng tải là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của pin mặt trời Ngược lại, trong hệ thống PV kết nối lưới, MPPT luôn xác định điểm công suất lớn nhất, vì khi thừa công suất, hệ thống có thể bơm vào lưới điện để gia tăng lợi nhuận.
Hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống MPPT không bao giờ đạt 100%, mặc dù phương pháp MPPT mang lại sự gia tăng hiệu suất đáng kể Hệ thống pin mặt trời cần xem xét tổn hao công suất do bộ biến đổi DC/DC gây ra, đồng thời cần cân nhắc giữa hiệu suất và giá thành Việc phân tích tính kinh tế của hệ thống pin mặt trời so với các nguồn cung cấp điện khác, cũng như tìm kiếm các giải pháp nâng cao hiệu suất như sử dụng máy theo dõi mặt trời, là rất cần thiết.
Sơ đồ khối của bộ biến đổi điện tử công suất và chức năng của từng khối
Hình 2.27: Các khối chính trong hệ điện mặt trời
Khối DC-DC chuyển đổi điện áp đầu vào DC thành điện áp đầu ra cũng là DC, với giá trị điện áp đầu ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn điện áp đầu vào, tùy thuộc vào việc có sử dụng biến áp hay không Để đảm bảo điện áp tại tải luôn ổn định, khối DC-DC thường được kết hợp với bộ điều chỉnh điện áp (Regulator Voltage).
+Khối DC-DC converter có 2 nhiệm vụ chính :
- Giảm độ nhấp nhô của dòng điện và điện áp ( nhờ vào tụ Cpv và cuộn dây L)
- Điều khiển tần suất đóng cắt mạch điện đến khối DC-AC
+ Tụ điện C tích xả năng lượng, làm cho điện áp phẳng trước khi đưa vào bộ DC-AC
* Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thực tế của mạch đóng cắt DC-DC
Mosfet kết hợp với diode để đóng cắt mạch điện ( chức năng như công tắc lý tưởng )
2.6.2 Khối MPPT: thu bắt công suất lớn nhất, xem thêm ở phần các thuật toán điều khiển hệ MPPT, khối MPPT tác động đến bộ điều chế độ rộng xung, từ đó có thể điều khiển bộ DC-DC
Hình 2.29: Vai trò của MPPT trong hệ PV
2.6.3 Khối nghịch lưu DC-AC: biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều
Hình 2.30: Cấu trúc bộ nghịch lưu Inverter
Có thể dùng bộ nghịch lưu 2 bậc hoặc 3 bậc , trong bộ nghịch lưu ta thấy linh kiện IGBT đóng vai trò quan trọng nhất
Hình 2.31: Bộ nghịch lưu 2 bậc
Ngoài nguồn DC ( thay thế bằng nguồn xoay chiều và bộ phận chỉnh lưu ), ta còn có:
- Nguồn ở phía tay trái bên dưới ( chứa sóng điều chế v a )
- Nguồn ở dưới cùng chứa sóng mang v p ( sin hoặc tam giác)
Trong mạch điện, các bộ phận so sánh (op-amp) được sử dụng để so sánh giữa v_a và v_p Qua việc so sánh hai đại lượng này, chúng ta có thể xác định được IGBT nào đang ở trạng thái on và IGBT nào đang ở trạng thái off, diễn ra luân phiên nhau.
- Cổng Not và đệm (buffer) cũng đóng vai trò quan trọng trong mạch điện này
2.6.4 Khối điều khiển bộ nghịch lưu (inverter controller): gồm có
- Multipler : Bộ nhân Nhân hai tín hiệu từ khối PLL và MPPT
-Error Amp.+ PI : Bộ so sánh lỗi và bộ tích phân (loại bớt lỗi)
PWM (Điều chế độ rộng xung) là công nghệ quan trọng trong bộ nghịch lưu đa bậc, giúp điều chỉnh giá trị áp điều khiển và tỉ số điều chế Nó cũng cho phép thêm hàm offset, đảm bảo rằng điện áp đầu ra của khối nghịch lưu có dạng sine mà không bị méo.
Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện tử công suất
-Cài đặt điểm làm việc (V PV, IPV ) đến MPP
-Cân bằng công suất trung bình ở mảng PV nối đến lưới để V PV > VDC
- Phát ra dòng điện Iac để kết nối với lưới điện xoay chiều và thoả điều kiện:
Pac = PDC * ηDC-DC* ηDC-AC
-Tụ điện C: Cân bằng công suất giữa công suất tức thời và công suất trung bình.
CÁC THUẬT TOÁN VỀ HỆ MPPT VÀ MÔ PHỎNG PHẦN MỀM MATLAB 3.1 Liệt kê các thuật toán
Nội dung 3 thuật toán có sẳn trong Psim 9.0
3.2.1 Thuật toán Hill-Climbing/ Peturb and Observe (P&O)
Thuật toán P&O là phương pháp dò tìm Pmax theo sự biến thiên của điện áp trên module PV
Bảng 3.1: Bảng tổng kết giải thuật P & O
Perturbation Change in Power Next Perturbation
3.2.1.1 Thuyết minh bảng giải thuật Đặt:
* Perturbation ( Điện áp ở chu kỳ đầu) = A
* Change in Power ( công suất thu được) / chuyển đổi công suất) = B ,
* C= Next Perturbation ( điện áp ở chu kỳ kế tiếp)
Xét về dấu C = A x B, nếu A và B cùng dấu thì C> 0 (positive : dương- tăng ) Nếu A khác dấu với B thì C
