(LUẬN án TIẾN sĩ) nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Khái quát chung v ề ngu ồ n Pin m ặ t tr ờ i

Pin Mặt trời (PV) ao gồm nhiều tế ào quang điện (solar cells) - là phần tử án dẫn có chứa trên ề mặt một số lƣợng lớn các cảm iến ánh sáng là điốt quang, thực hiện iến năng lƣợng của ánh sáng trực tiếp thành điện năng ằng hiệu ứng quang điện, là một hiện tƣợng vật lý và hóa học Nó là một dạng tế ào quang điện, các tế ào quang điện này có thể hoạt động được dưới cả ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên đƣợc định nghĩa là một thiết ị có các đặc tính điện, nhƣ dòng điện, điện áp hoặc điện trở, thay đổi khi tiếp xúc với ánh sáng Modul các thiết ị pin mặt trời riêng lẻ đƣợc kết nối với nhau thường là các khối tạo thành các modul quang điện, thông thường được gọi là các tấm pin mặt trời Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc ởi lƣợng ánh sáng chiếu lên chúng Cấu tạo một tấm pin mặt trờicơ ản gồm các thành phần nhƣ hình 1.1 [10], [17], [18]–[21].

Hình 1.1 Cấu tạo của pin mặt trời

Hình 1.2 Nguyên lý hoạt động của pin năng lƣợngmặt trời Khi ề mặt tấmpin mặt trờiđƣợc chiếu sáng, sẽ xuất hiện hiện tƣợng ức xạ mặt trời thẩm thấu vào tế ào quang điện, mang theo nguồn năng lƣợng proton Nguồnnăng lƣợng này đƣợc tích trữ ngày một nhiều, đến khi đạt giới hạn chúng sẽ gây nên hiện tƣợng các electron ị ức ra khỏi cấu tạo nguyên tử, hình thành các electron tự domang điện âm, các lỗ hổng mang điện dương Chúng kết hợp với từ trường của 2 hai lớpsilic P và N di chuyển thành một dòng, mà chúng ta hay vẫn gọi là dòng điện một chiều (hình 1.2).Mối quan hệ giữa dòng điện của Pin mặt trời (I PV ) và điện áp (VPV) phát ra từ các tấm Pin là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp P-N, công suất của ức xạ mặt trời (G) và công suất của phụ tải Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không ị ảnh hưởng ởi các yếu tố liên quan đến quán tính Một điểm quan trọng khác là: các tấm Pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị về nhiệt độ ề mặt tấm Pin mặt trời và cường độ ức xạ mặt trời Khai thác được trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục đƣợc nhƣợc điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh tải tiêu thụ tương ứng với công suất tại điểm công suất cực đại [22].

Đặ c tính c ủ a Pin m ặ t tr ờ i

Tại bức xạ mặt trời nhất định, tế ào quang điện cho ra giá trị các đại lƣợng điện áp

V (V), dòng điện I (A) và công suất P (W) tương ứng - hình 1.3 Các giá trị của V, I và

P giúp xác định các đặc tuyến của một tế ào quang điện đó là mối tương quan giữa I-

V (dòng điện - điện áp) và P-V (công suất - điện áp) Ở đây ISC là dòng điện ngắn mạch, V OC là điện áp hở mạch, MPP (Maximum Power Point) ở hình 1.3 là điểm có công suất cực đại, I MP và V MP là dòng điện và điện áp tương ứng tại MPP [2]

Hình 1.3 Các đường đặc tính cơ ản của một module PV

Một điểm quan trọng khác là: tại V OC thì giá trị của I SC bằng không và tương tự tại điểm của ISC giá trị của VOC bằng không Hiệu suất của tế ào quang điện phụ thuộc vào các yếu tố như vật liệu sản xuất, nhiệt độ môi trường, cường độ bức xạ

Dò ng điệ n (A) Điện áp (V)

C ôn g su ất ( W Điện áp (V) mặt trời, góc nghiêng đối với mặt trời và sự khác nhau của bức xạ giữa các tế bào Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến tế ào quang điện là: cường độ bức xạ và nhiệt độ, nơi mà ức xạ càng lớn thì giá trị đầu ra càng lớn (I và V) [24]–[28], nhƣng mặt khác, nhiệt độ của tế ào quang điện càng cao, điện áp đầu ra càng thấp

Thời tiết mùa đông và độcao cũng có thể dẫn đến bức xạ thấp và nhƣ ất kỳ thiết bị điện tử nào khác, Pin mặt trời hoạt động tốt hơn khi đƣợc làm mát [26] Đặc tính I-

V và P-V tương ứng với từng bức xạ nhất định được mô tảnhư hình 1.4 và hình 1.5

Hình 1.4 Đặc tính I-V theo ức xạ Hình 1.5 Đặc tính P-V theo ức xạ

Hình 1.6 Đặc tính I-V theo nhiệt độ Hình 1.7 Đặc tính P-V theo nhiệt độ Nhận thấy rằng: ngoài việc thay đổi đường đặc tính I-V và P-V theo cường độ bức xạ thì đường đặc tính này cũng thay đổi theo nhiệt độ của pin Mối tương quan giữa nhiệt độ và đặc tính I-V và P-V đƣợc thể hiện bởi các hình 1.6 và 1.7 Nhƣ 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 đểdò điểm MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộđiều khiển MPPT.

Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến đặc tính của Pin mặt trời

Bóng che một phần (Partial Shading Condition - PSC) là điều kiện mà tại đó ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đồng đều trên tất cả các tấm Pin mặt trời Điều này dẫn đến hiện tƣợng bất ổn và các đặc tính I-V, P-V trở nên phức tạp hơn [3, 4] Bóng che một phần xảy ra trên một phần tấm pin mặt trời hoặc cả tấm bị che khuất khỏi ánh sáng mặt trời Hiện tƣợng bóng che một phần xảy ra do cây cối, mây, tòa nhà cao tầng, bụi, lá cây, nước,… và độ nghiêng của tấm pin mặt trời Bóng che hoàn toàn cũng tạo ra những vấn đề tương tự cho các hệ thống nguồn Pin mặt trời nhưng không được thảo luận nhiều nhƣ óng che một phần vì lƣợng bức xạ chiếu xuống các tấm Pin mặt trời là nhƣ nhau [27]

Hình 1.8 Minh họa hiện tƣợng óng che một phần Một số lý do khác cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống Pin mặt trời bao gồm: nhiệt độ, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly khác nhau Hình 1.9 cho biết cấu hình một mảng Pin mặt trời thực tế, trong đó có hai loại diode (đường vòng và chặn) đƣợc nối vào Do thực tế là điện áp và mức công suất của một tế bào PV khá thấp; các tế ào PV đƣợc mắc nối tiếp hoặc song song Mắc nối tiếp làm tăng điện áp của hệ thống trong khi mắc song song làm tăng dòng điện Bằng cách kết hợp mắc nối tiếp và song song, hệ thống nguồn Pin mặt trời có thể đáp ứng yêu cầu về mức điện áp và công suất định mức [28]

Hình 1.9 Vai trò diode ảo vệ trong dãy PV Thông thường, khối PV cơ ản được tạo thành từ module PV bao gồm các tế bào

PV mắc nối tiếp nhau Mắc nối tiếp các tế bào PV dễ gây ra tổn thất lớn nếu các đặc tính điện do các tế bào PV không giống nhau hoặc các tế bào không hoạt động trong điều kiện bức xạ giống nhau như trường hợp bóng che một phần Nếu mắc nối tiếp bị bóng che một phần, các tế bào PV nhận mức bức xạ thấp nhất là các tế bào có dòng điện ngắn mạch thấp nhất; khi dòng điện của PV khác cao hơn dòng ngắn mạch của các tế bào bị bóng che, thì tế ào đó sẽ hoạt động nhƣ một tải trong chuỗi nối tiếp Do đó một phần công suất tạo ra bởi các tế bào khác bị tiêu tán làm nóng module dẫn đến tổn thất công suất, tăng nhiệt độ tế bào và gây ra những thiệt hại đáng kể, hiện tƣợng này đƣợc gọi là điểm nóng Vấn đề này có thể hạn chếđƣợc bằng cách sử dụng diode mắc song song với các module PV Tuy nhiên, các diode này không cho phép mảng

PV tạo ra công suất tối đa dưới điều kiện bóng che một phần Ngoài ra, chúng còn làm tăng độ phức tạp của MPPT do đã tạo ra nhiều cực trị địa phương trong đặc tính P-V của mảng [29], [30]

Hình 1.9 (a) cho thấy rằng mảng PV nhận đƣợc một bức xạđồng đều, các diode bypass của mỗi chuỗi đều có xu hướng phân cực ngược Do đó, dòng điện trong PV chảy qua module PV và kết quảđường cong P-V biểu diễn một MPP duy nhất Tuy nhiên, trong điều kiện bóng che từng phần thể hiện trong hình 1.9 (b), chuỗi S1 nhận đƣợc mức bức xạ đồng đều, nhƣng chuỗi S2 có module bị bóng che Có sự khác biệt vềđiện áp giữa hai module của chuỗi S2, do đó dòng điện chạy qua diode bypass bỏ qua module bị bóng che của chuỗi S2 Kết quảlà đường cong P-V cho S2 được đặc trưng ởi hai điểm cực trị địa phương Có thể khẳng định rằng trong suốt quá trình bị bóng che một phần, việc kích hoạt các diode ypass đã iến đổi đường cong P-V thành đường cong phức tạp hơn - đặc trưng ởi nhiều cực trịđịa phương

Hình 1.10 Đồ thị mối tương quan P-V khi có hiện tượng óng che

Các hình 1.4 đến hình 1.6 của mô tảđặc tính P-V, I-V thể hiện trong điều kiện bức xạ đồng đều Tuy nhiên, trong hình 1.10 cho thấy các đặc tính P-V của mảng

PV trong điều kiện bị bóng che từng phần Đường cong P-V có nhiều đỉnh, do đó nó có nhiều điểm công suất cực đại (MPP) và trong trường hợp này có a điểm Chỉ có một điểm cực đại toàn cục và hai cực trị địa phương, trong đó điểm cực đại toàn cục có giá trị công suất cao nhất trong đường cong P-V.

C ấ u trúc c ủ a h ệ th ố ng Pin m ặ t tr ờ i

Hệ thống Pinmặt trời phát điện ao gồm một số các thành phần nhƣ: các tấm pin, các tải tiêu thụ, các thiết ị tích trữ năng lƣợng và các thiết ị điều khiển… Hình 1.11 trình ày sơ đồ nguyên lý hệ thống Pin mặt trời nối lưới Do các tấm pin năng lượng mặt trời tạo ra điện áp DC nên để có thể kết nối với lưới điện xoay chiều thì hệ thống phải có các ộ iến đổi DC-DC và DC-AC Từ DC us, thông qua ộ nghịch lưu điện áp DC chuyển thành AC tại AC us Năng lƣợng tại AC us cung cấp cho phụ tải AC và nối lưới thông qua máy iến áp

Trong hình này: nguồn DC là nguồn điện một chiều từ Pin mặt trời Điện áp một chiều từ các nguồn Pin mặt trời thường có điện áp thấp do đó cần các bộ biến đổi DC-DC tăng áp Năng lƣợng ở bộ biến đổi DC-DC (DC us) đƣợc cấp trực tiếp cho các tải một chiều cục bộ (DC load) Để đáp ứng yêu cầu phụ tải, việc có đƣợc một cấu trúc DC-DC mới có hiệu suất cao, hệ số tăng áp lớn để sử dụng trong hệ

PV là rất cần thiết và đây cũng là những hướng mà Luận án tập trung giải quyết

Hình 1.11 Cấu trúc hệ Pin mặt trời nối lưới

T ổ ng quan các nghiên c ứu trong và ngoài nướ c v ề Pin m ặ t tr ờ i

1.5.1 Về bài toán thiết kế cấu trúc bộ biến đổi DC-DC

Nhƣ đã đề cập, cấu thành phần cơ ản của một hệ thống điện mặt trời ao gồm: các tấm Pin mặt trời, ộ dữ trữ năng lƣợng (ắc quy), ộ iến đổi DC-DC và DC-AC

[49] Quá trình làm việc của ộ iến đổi DC-DC phụ thuộc vào phụ tải, cấp điện áp, và nhiều yếu tố khác Thông thường có 2 mô hình cơ ản được sử dụng phổ iến là mô hình một cấp chuyển đổi và mô hình hai cấp chuyển đổi [1], [31]

Với mô hình một cấp chuyển đổi hình 1.12a, công suất DC đƣợc tạo ra từ mỗi chuỗi pin mặt trời chạy theo dây dẫn đến các hộp đấu nối, nơi chúng đƣợc kết nối song song với các dây khác Từ đó, nguồn DC được chạy vào ộ nghịch lưu (Inverter) trung tâm chuyển đổi thành nguồn AC, mô hình này còn đƣợc gọi là mô hình Inverter trung tâm Hình 1.12b mô hình hai cấp chuyển đổi, ộ iến đổi DC-

DC đƣợc sử dụng để nâng điện áp đầu ra của hệ thống pin mặt trời đến điện áp cao hơn phù hợp với phụ tải một chiều và cấp điện áp xoay chiều của lưới kết nối, mô hình này còn đƣợc gọi là mô hình Inverter chuỗi Inverter chuỗi có nhiều ộ MPPT nên các chuỗi pin mặt trời có thể kết nối trực tiếp đến Inverter mà không cần sử dụng hộp đấu tổng cáp DC, khi đó sẽ cho phép việc thiết kế hệ thống trở nên linh hoạt ất chấp việc các chuỗi pin mặt trời có thể khác nhau về hướng, góc nghiêng và số lượng Khi một Inverter gặp sự cố thì cũng không ảnh hưởng lớn đến hoạt động chung của toàn nhà máy do công suất Inverter chuỗi là không lớn Hộp đấu tổng cáp AC đƣợc sử dụng để thu thập các đầu ra Inverter chuỗi khác nhau và dẫn vào iến áp trung thế. a) Mô hình một cấp chuyển đổi b) Mô hình hai cấp chuyển đổi Hình 1.12 Mô hình một cấp chuyển đổi và mô hình hai cấp chuyển đổi

Bảng 1.1 So sánh các ƣu nhƣợc điểm giữa mô hình một cấp chuyển đổi và mô hình hai cấp chuyển đổi Đặc tính Mô hình một cấp chuyển đổi

Mô hình hai cấp chuyển đổi

Công suất AC Tới 4MW 25-215kW

Phương pháp lắp đặt Dùng cần cẩu nâng đặt trên đế bê tông

2 người nâng đặt lên khung giá đỡ

Thiết kế Sử dụng máy biến áp cách li, thiết bị làm mát

Không cần máy biến áp, có thể làm mát kiểu tự nhiên Đảm bảo hiệu suất khi lắp đặt với các chuỗi PMT có hướng, góc nghiêng, số lƣợng khác nhau

Bảo dƣỡng/sửa chữa Bắt buộc cần sửa chữa, bảo dƣỡng thiết bị tại chỗ

Có thể thực hiện tại chỗ hoặc chuyển thiết bị đi sửa chữa tại đơn vị sản xuất

Bộ lấy dấu điểm công suất cực đại (MPPT) Một hoặc hai Nhiều

Suất đầu tƣ (nhà máy cùng gam công suất) Thấp hơn chút Cao hơn chút

Chi phí lắp đặt, bảo dƣỡng Cao hơn Thấp hơn

Mô hình một cấp chuyển đổi là phương án kỹ thuật được sử dụng phổ iến ở các dự án điện mặt trời từ trước tới nay Tuy nhiên, mô hình hai cấp chuyển đổi cũng có những ƣu, nhƣợc điểm riêng và đang đƣợc ứng dụng trong nhiều dự án điện mặt trời công suất lớn ên cạnh thị trường chính là điện mặt trời quy mô nhỏ và trung ình.Một vấn đề cần quan tâm với mô hình hai cấp chuyển đổi là việc sử dụng ộ iến đổi một chiều có thể làm tăng tổn thất công suất trong hệ thống [2] và có thể dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng của toàn hệ thống Pin mặt trời

Bài toán đặt ra là: cần phải tăng hiệu suất chuyển đổi ộ iến đổi DC-DC Thực tế cho thấy, hiệu suất của ộ iến đổi DC-DC không phải là hằng số mà phụ thuộc vào công suất truyền tải qua nó [34], [42] Thông thường hiệu suất của ộ iến đổi DC-DC đạt cực đại trong phạm vi 50%-60% công suất thiết kế và giảm nhanh nếu công suất qua nó càng nhỏ [1] Tuy nhiên, ở các tấm pin mặt trời, công suất của nó có thể không cố định, công suất đạt định mức ở khoảng thời gian gần trƣa và công suất đầu ra nhỏ vào lúc sáng và chiều [43], thời gian công suất é hơn 40% có thể đạt vài giờ trong ngày, chƣa kể đến hiện tƣợng óng che và ngày ít nắng Nhƣ vậy, trong trường hợp này, công suất chạy qua DC-DC sẽ khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên hiệu suất của ộ iến đổi DC-DC rất thấp

Vì vậy, việc thiết kế một ộ iến đổi DC-DC có hiệu suất cao là rất cần thiết Nhiều tác giả đã đƣa ra cấu trúc của ộ iến đổi DC-DC với hiệu suất cao [2], [7],

[18], [50]–[59] Hầu hết các nghiên cứu này đều nhằm giảm tổn thất trong ộ iến đổivà từ đó nâng cao hiệu suất của ộ iến đổi Hiệu suất của nó vẫn phụ thuộc vào công suất đi qua nó Điều đó có nghĩa rằng, trong khoảng thời gian công suất đầu ra của tấm Pin mặt trời rất thấp thì hiệu suất của ộ iến đổi DC-DC vẫn rất thấp Nhiều nghiên cứu đã thiết kế một ộ iến đổi DC-DC áp dụng vào hệ thống điện mặt trời nhằm cải thiện hiệu suất của cả hệ thệ thống điện mặt trời [32] Trong [2] đã thiết kế một ộ iến đổi DC-DC đƣợc cấu tạo từ nhiều ộ iến đổi DC-DC có công suất nhỏ để tạo ra công suất đủ lớn và một số trong các ộ iến đổi DC-DC nhỏ đó có thể đƣợc ngừng làm việc trong suốt thời gian công suất đầu ra của PV nhỏ Bộ iến đổi DC-DC này đã đƣợc chế tạo thực tế và đƣợc kiểm chứng Các ộ iến đổinhỏ này đƣợc nối song song ở đầu vào và nối nối tiếp ở đầu ra nhằm đạt đƣợc điện áp đầu ra mong muốn Kết quả cho thấy ộ iến đổi DC-DC làm việc tốt và hiệu suất của ộ iến đổi DC-DC đƣợc cải thiện trong giai đoạn cường độ ức xạ mặt trời thấp Tuy nhiên, do ộ iến đổi có MBA cách ly nên tổn thất còn cao, hiệu suất chỉ đạt tối đa 91,5%.

Trong [15], [16] sử dụng cấu hình mạch chuyển đổi điện áp DC-DC kiểu oost xen kẽ và đƣợc điều khiển ởi ộ điều khiển kỹ thuật số khả trình (vi điều khiển STM32F1) Kết quả triển khai cho thấy điện áp tại điểm công suất cực đại của hệ pin mặt trời đã đƣợc duy trì ổn định, công suất trích xuất đƣợc điều khiển ám theo công suất khả dụng tối đa của hệ các tấm pin Nghiên cứu này đã sử dụng giải thuật Ind Cond Điểm MPPT hoạt động ổn định và không rơi vào vùng thay đổi đặc tính truyền của ộ iến đổi DC-DC Tuy nhiên, với ộ DC-DC xen kẽ đề xuất ở nghiên cứu này có độ nhấp nhô dòng điện và điện áp khá lớn, thời gian đạt đƣợc ổn định sau khi tìm được MPPT khá lâu (180s) và chỉ hoạt động ổn định trong dải công suất dưới 300W

1.5.2 Về bài toán lựa chọn cấu trúc ghép nối bộtăng áp DC-DC

Có nhiều cấu trúc ghép nối bộ tăng áp DC-DC đã đƣợc nghiên cứu đề cập cả trong nước và nước ngoài Có rất nhiều cấu trúc ghép nối khác nhau được đề xuất [4], [26],

[36], [44], [60]–[65], [33] Trong nghiên cứu [4], [22], các tác giảđã đề cập đến việc so sánh hiệu suất phát điện của các cấu hình liên kết khác nhau nhƣ nối tiếp (SC), song song (PC), hỗn hợp (SPC) dưới ảnh hưởng của hiện tượng bóng che một phần, đồng thời nghiên cứu những ảnh hưởng khác nhau đối với các cấu hình khác nhau trong cùng điều kiện vận hành của Pin mặt trời và áp dụng thử nghiệm cho 6 mô đun PV loại

72 tế ào quang điện, sau đó mô phỏng tác động của bóng che lên các cấu hình khác nhau trong điều kiện ình thường và khi sự cố nhằm đưa ra đề xuất cấu hình phù hợp nhất trong mọi trường hợp vận hành

Kết quả nghiên cứu cũng chỉ ra rằng: Cấu hình PC thu đƣợc công suất lớn nhất khi điện áp đầu ra của hệ thống ổn định nhất Kiểu SC mặc dù có hiệu suất thấp hơn nhưng cho mức điện áp lớn nhất trong tất cả các trường hợp thử nghiệm Kiểu SPC cho thấy hiệu suất không cao (tương đương SC trong các trường hợp thử nghiệm), với điện áp và dòng điện cũng không mấy ổn định Tuy nhiên, nghiên cứu này cũng mới chỉ xét trên cấu hình DC-DC truyền thống, hơn nữa, thời gian quá độ trong quá trình tìm điểm MPPT còn cao (0,25s)

Trong [26], [28], [35] đề xuất ứng dụng thuật toán PSO điều khiển ám điểm công suất cực đại khi pin mặt trời làm việc trong điều kiện có bóng che Ứng dụng thuật toán PSO trong MPPT hệ thống điện năng lƣợng mặt trời cho mỗi phần tử trong quần thể đƣợc xác định bởi hai tham số là điện áp làm việc và ƣớc nhảy điện áp Trong mỗi một lần lặp, điện áp làm việc và ƣớc nhảy điện áp của phần tử có một giá trị tối ưu hơn lần trước đó và chỉ có một phần tử đến thời điểm hiện tại tìm được giá trị điện áp làm việc tối ƣu, gọi là giá trị tối ƣu riêng Upi Tất cả các phần tử đến thời điểm hiện tại đều tìm đƣợc một giá trịđiện áp làm việc tối ƣu, gọi là giá tối ƣu quần thể U g Nhƣ vậy, quá trình tìm kiếm bằng cách trao đổi và học tập lẫn nhau trong quá trình tìm kiếm thông tin điện áp làm việc của phần tử liên tục đƣợc cập nhật lặp đi lặp lại, từ đó mà có thể tìm đƣợc điện áp tại điểm công suất cực đại Tuy nhiên, thời gian quá độ của đáp ứng dòng điện, điện áp trong nghiên cứu này còn lớn, chƣa xét đến cấu hình DC-DC đểđảm bảo hiệu suất biến đổi cao nhất

1.5.3 Về bài toán tìm điểm công suất cực đại

Với hướng nghiên cứu này, có 2 ài toán đang được đề cập:

- Bài toán vận hành PV trong điều kiện có cường độ ức xạ đồng nhất trên ề mặt tấm Pin

- Bài toán vận hành PV trong điều kiện có óng che không đồng đều

Với ài toán thứ nhất, các kỹ thuật dò điểm công suất cực đại đã đƣợc nghiên cứu để xác định điểm công suất cực đại ao gồm [9], [34], [35]–[37]:

Cách tiếp cận

Bài toán vận hành PV tại MPP chỉ đƣợc sử dụng trong những hệ thống có khả năng hấp thụ công suất không giới hạn như kho điện hoặc lưới điện Bản chất của bài toán này là sự hợp nhất của hai ài toán: đƣa ra nhận định về MPP và sử dụng các kỹ thuật điều khiển để đƣa PV về vận hành ở MPP Với mục tiêu nâng cao hiệu quả khai thác PV, cụ thể là xây dựng đƣợc cấu trúc liên kết giữa các Boost DC-DC, phương pháp luận cụ thể để cải tiến MPPT và thiết lập các giải pháp điều khiển Phân tích các hạn chế của nghiên cứu trước đây cho thấy:

- Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời bị phụ thuộc vào phụ tải, cấp điện áp, và nhiều yếu tốkhác Để đạt mục tiêu nâng cao hiệu suất bộ biến đổi, chúng ta cần phải tăng hiệu suất chuyển đổi bộ biến đổi DC-DC Thực tế cho thấy, hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC không phải là hằng số mà phụ thuộc nhiều vào công suất truyền tải qua nó

[56] Thông thường hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC đạt cực đại trong phạm vi 50%- 60% công suất thiết kế và giảm nhanh nếu công suất qua nó càng nhỏ [56] Tuy nhiên, ở các tấm pin mặt trời, công suất đầu ra không cốđịnh, công suất đạt định mức ở khoảng thời gian gần trƣa và công suất đầu ra nhỏ vào lúc sáng và chiều [57], thời gian công suất é hơn 40% có thể đạt vài giờ trong ngày, chƣa kể đến hiện tƣợng bóng che và ngày ít nắng Như vậy, trong trường hợp này, công suất chạy qua DC-

DC converter sẽ khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC rất thấp và phần lớn công suất bị tiêu hao trong bộ biến đổi Vì vậy, việc thiết kế một bộ biến đổi DC-DC có hiệu suất cao là cực kỳ cần thiết

- Việc xác định điểm phát công suất cực đại luôn là nhiệm vụ đặt ra đối với hệ

PV, đặc biệt là trong trường hợp cường độ bức xạ mặt trời không đồng nhất trên bề mặt Trên thực tế, có thể dễ dàng tìm ra công suất lớn nhất trong đường cong phi tuyến P-V dưới bức xạ liên tục bằng các phương pháp MPPT phổ biến Tuy nhiên, MPPT có thể rất khó để theo dõi MPP thực tế trong điều kiện bóng mờ một phần do có nhiều các điểm công suất cực đại địa phương, có thể thấy được trên đường cong đặc trƣng P-V

- Chất lƣợng dạng sóng đầu ra của bộ DC-AC là vấn đề mang tính thời sự, trong đó, chất lƣợng bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò rất quan trọng, bởi chất lƣợng làm việc của nó ảnh hưởng đến chất lượng chung của cả hệ thống Do đó, việc thiết kế cấu trúc bộ DC-DC đảm bảo đƣợc các tiêu chí về hiệu suất, tỷ số biến đổi điện áp, chất lƣợng dạng sóng, của bộ DC-DC này luôn cần đƣợc tiếp tục hoàn thiện, phát triển, cũng là vấn đề cấp thiết mà nhiều nghiên cứu luôn đề cập trong suốt thời gian qua.

Đề xu ất hướ ng gi ả i quy ế t

Tên cơ sở cách tiếp cận đã nêu, Luận án sẽ tập trung vào một số vấn đề sau:

- Đề xuất thiết kế cấu trúc bộ biến đổi DC-DC cho hệ PV một pha mới có hiệu suất cao, dễđiều khiển, hoạt động ổn định và đáp ứng đƣợc những yêu cầu vận hành

- Xây dựng một giải thuật MPPT cải tiến cho bài toán kết nối các bộtăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất theo mục tiêu: xác định nhanh đƣợc điểm tối ƣu toàn cục trên đƣợc đặc tính V-I và P-I của Pin mặt trời

- Xây dựng mô hình mô phỏng và mô hình thực nghiệm cho bộ DC-DC để cải thiện chất lƣợng điện năng cho hệ thống nguồn Pin mặt trời.

ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM

Mô hình h ệ th ố ng ngu ồ n Pin m ặ t tr ờ i

Hệ thống nguồn điện mặt trời nối lưới cần đảm bảo 2 mục đích: Khai thác tối ưu công suất phát của pin mặt trời và đưa tối đa dòng công suất vào lưới Trong hình 2.1, một tấm Pin mặt trời đƣợc mắc trực tiếp vào một tải thông qua bộ biến đổi DC-

DC, điểm làm việc của tấm Pin mặt trời đó sẽlà giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I –V và đường đặc tính I – V của tải Nếu tải là thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường thẳng với hệ số góc là 1/R Khi điện trở không thay đổi, điểm làm việc cũng sẽ thay đổi khi điều kiện môi trường khác đi Vì vậy, nó sẽ không sinh ra công suất lớn nhất Do đó, để đảm bảo hệ thống luôn làm việc ở điểm MPP hoặc ở lân cận điểm MPP thì người ta sử dụng một mạch đặc biệt gọi là MPPT để bám theo điểm có công suất cực đại Thuật toán dò tìm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) hoạt động thông qua việc đóng mởkhóa điện tử của bộ biến đổi DC - DC Nhƣ vậy, MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao đƣợc hiệu suất làm việc của hệ MPPT đƣợc ghép với bộ biến đổi DC-DC và một bộđiều khiển [67]–[71]

Hình 2.1 Sơ đồ khối hệ thống

2.1.1 Mô hình Pin mặt trời

Mạch tương đương của một tế ào PV được thể hiện trong hình 2.2, bao gồm một nguồn dòng (I ph ), một diode, một điện trở nối tiếp (R S ) và một điện trở shunt (R sh )

Hình 2.2 Mô hình toán của tế ào quang điện [72], [73]

Theo quan điểm năng lƣợng điện tử, pin mặt trời có thểđƣợc coi là những nguồn dòng biểu diễn mối quan hệ phi tuyến I-V nhƣ đã cho ở hình 1.3 Sử dụng định luật Kirchhoff cho nguồn dòng (I ph ), dòng điện qua diode (I D ) và dòng điện qua điện trở shunt (I sh ), dòng điện đến tải (I) có thểđƣợc biểu diễn nhƣ sau [32], [74]: ph D sh

    (2.2) Nhƣ vậy, có thểxác định đƣợc dòng điện trên tải là:

I rsc là dòng điện ão hòa ngƣợc của diode (A/m 2 )

V là điện áp trên tải (V)

A là hệ sốlý tưởng của diode (tức là hệ số phát xạ)

V T là điện áp nhiệt (k.T/q) q là điện tích e = 1,6 x 10-19 Coulomb; k là hằng số Boltzman, k = 1.38065x10 -23 J/K

T là nhiệt độ tế bào ( 0 K) Đối với một Pin mặt trời lý tưởng, không có tổn thất thì R S = 0 và R sh = ∞, do đóphương trình (2.3) có thểđược đơn giản hóa như sau:

Hình 2.3 Mô hình pin mặt trời lý tưởng [72], [73]

Theo công thức (2.3) thì dòng quang điện phụ thuộc vào năng lƣợng mặt trời và nhiệt độ làm việc của Pin mặt trời do đó:

I sc : là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 25 0 C, (A)

K I : hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn mạch

T ref : nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), 0 C

H: bức xạ của mặt trời, W/m 2 Ởđây, giá trịdòng điện bão hòa của Pin với nhiệt độ của Pin đƣợc tính nhƣ sau:

C sh rsc ref ref C qE T T

I rsc : là dòng ão hòa ngƣợc ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời

E G : năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm Pin

Do pin mặt trời có điện áp ra khá thấp, nếu muốn có điện áp làm việc cao thì ta mắc nối tiếp các Pin lại, muốn có dòng điện lớn thì mắc song song Nhƣ vậy, dòng điện một modul tấm pin sẽ là:

Hình 2.4 Dòng điện trên một modul tấm pin [75]

Nhƣ vậy có thể thấy, trạng thái vật lý hoàn chỉnh của module PV liên quan đến

I ph , I D , R s và R sh trên một phía và với hai tham số môi trường như nhiệt độ module quang điện (T) và bức xạ mặt trời (H)

2.1.2 Mô hình bộtăng áp DC-DC

Bộ tăng áp DC-DC ứng dụng cho hệ thống nguồn Pin mặt trời rất đặc thù và phổ biến hiện nay, hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC tăng áp đƣợc khẳng định hơn hẳn so với các bộ Buck- Boost, Cu’k và SEPIC [76], [77] Đầu vào của các bộ biến đổi này là điện áp một chiều không điều chỉnh, thu đƣợc từ PV và do đó nó sẽ bị dao động theo sự thay đổi của bức xạ và nhiệt độ Đầu ra với yêu cầu là điện áp trung ình đƣợc điều chỉnh tới giá trị mong muốn, không đổi mặc dù điện áp đầu vào thay đổi liên tục Trên quan điểm năng lƣợng, việc điều chỉnh điện áp đầu ra trong bộ biến đổi DC-DC tăng áp đạt đƣợc bằng cách điều chỉnh liên tục lƣợng năng lƣợng đƣợc hấp thụ từ nguồn và năng lƣợng đƣợc đƣa vào tải, trong các khoảng thời gian của một quá trình Quá trình hấp thụ và ơm năng lƣợng cơ ản này tạo thành một chu trình chuyển mạch [78]

Hình 2.5 Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC truyền thống

Dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng sóng của điện áp và dòng điện ta có thể thiết lập đƣợc mối liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra nhƣ sau [79]:

V out là điện áp đầu ra, (V)

V in là điện áp đầu vào, (V)

D là độ rộng xung điều khiển

Từ đó xác định đƣợc trở kháng đầu vào tối ƣu:

Từ (2.10) nhận thấy: R ei (D,R) phụ thuộc vào D và giá trị của tải R Do đó, ta có thể thay đổi Rei bằng cách thay đổi D hoặc tải R hoặc thay đổi cả hai Nếu tải R cố định thì người ta thường thay đổi giá trị của D

Mạch tăng áp DC-DC làm việc với khảnăng điều chỉnh điện áp đầu ra (V o ) lớn hơn điện áp đầu vào (Vi) Nguồn áp một chiều đƣợc mắc nối tiếp với một cuộn cảm có vai trò nhƣ một nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song đƣợc đóng mở theo chu kỳ và tụ điện dùng để lọc điện áp đầu ra, làm việc luân phiên ở 2 trạng thái khóa S đóng và khóa S mở Bộ biến đổi DC-DC tăng áp hoạt động ở hai chếđộ, chếđộ dẫn không liên tục và chếđộ liên tục [79]

Chếđộ 1 bắt đầu khi IGBT đƣợc đóng ở t = 0 và kết thúc ở t = t on Dòng điện dẫn i L (t) lớn hơn 0 và tăng tuyến tính Điện áp cuộn cảm là V i

Chế độ 2 bắt đầu khi IGBT mở ở t = t on và kết thúc ở t = T s Dòng điện dẫn giảm cho đến khi IGBT đƣợc bật lại trong chu kỳ tiếp theo Điện áp trên cuộn cảm trong giai đoạn này là V i -V o Khi ở trạng thái ổn định, tích phân thời gian của điện áp cuộn cảm trong một khoảng thời gian phải bằng không

V in t on + (V in – Vout)t off = 0 (2.11) Trong đó:

V in : Điện áp đầu vào (V)

V out : Điện áp đầu ra trung bình (V) t on : Thời gian đóng của IGBT (s) t off : Thời gian mở của IGBT (s)

Chia cả vế của phương trình (2.11) cho Ts sẽ thu được:

D: Độ rộng xung điều khiển (Duty cycle)

Nhƣ vậy, Vout tỷ lệ nghịch với (1-D) Rõ ràng là D không thể bằng 1, nếu không sẽkhông có năng lƣợng truyền đến đầu ra Nếu mạch không có tổn thất, tức là P in P out , thì:

I out : Dòng điện đầu ra trung bình (A)

I in : Dòng điện đầu vào trung bình (A)

 Chếđộ dẫn không liên tục

Nếu dòng điện sau cuộn cảm giảm xuống 0 trước lần bật tiếp theo của IGBT chuyển mạch, thì bộ biến đổi tăng áp đƣợc cho là đang hoạt động ở chế độ dẫn không liên tục Nếu chúng ta cân bằng tích phân của điện áp cuộn cảm trong một khoảng thời gian bằng 0 thì:

Do đó, khi P in = P out thì:

 (2.17) Nhƣ vậy sẽ xác định đƣợc dòng điện đầu vào trung bình, bằng dòng điện chạy qua cuộn dây:

  (2.19) Trong thực tế, vì V out đƣợc giữkhông đổi và D thay đổi theo sựthay đổi của V i , sẽ hữu ích hơn khi chọn đƣợc giá trị cần thiết D, nhƣ một hàm của dòng điện trên tải đối với các giá trị khác nhau của V out /V in Từ các công thức trên, có thểxác định đƣợc giá trị của D:

27 out out out in in out aver max

I out,aver,max : Dòng điện đầu ra trung bình lớn nhất tại biên của chếđộ dẫn liên tục và có thể đƣợc tìm thấy bằng công thức sau:

 L  (2.22) Điện cảm tới hạn, L bc , đƣợc định nghĩa là điện cảm ở cạnh ranh giới giữa chếđộ liên tục và không liên tục:

F s : Tần số chuyển mạch (Hz)

Tần số chuyển mạch được chọn tùy ý để giảm thiểu kích thước của cuộn cảm tăng áp và hạn chế tổn hao linh kiện bán dẫn Ở tần số cao hơn, tổn thất chuyển mạch trong IGBT tăng lên và do đó làm giảm hiệu suất tổng thể của mạch Ở tần số thấp hơn, điện dung yêu cầu ở đầu ra và kích thước cuộn cảm tăng áp tăng lên, do đó hiệu suất nạp của nguồn cung cấp giảm

Các y ế u t ố ảnh hưở ng đế n b ộ bi ế n đổ i DC-DC

2.2.1 Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến đặc tính PV Cell

Các tấm Pin mặt trời bị ảnh hưởng khá nhiều bởi các yếu tố môi trường như: cường độ chiếu sáng của Mặt trời, nhiệt độ môi trường,… Nếu gọi H ref là bức xạ tham chiếu của mặt trời (W/m 2 ), H là bức xạ thực tế của mặt trời (W/m 2 ), I SC ref là cường độ dòng điện ngắn mạch tham chiếu của tế ào quang điện (A) và chênh lệch nhiệt độ môi trường thực T ( o C) với nhiệt độ môi trường tham chiếu Tref = 25 o C là

∆T = T - T ref thì dòng điện ngắn mạch của tế ào quang điện với a = 25.10 -4 đƣợc xác định bởi:

 H   (2.24) Điện áp hở mạch V OC phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và cường độ chiếu sáng của mặt trời:

Dòng điện cực đại và điện áp cực đại thay đổi tương ứng như sau:

Nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của các điều kiện môi trường khác nhau (trời nắng, trời mưa, trời có mây) tới hiệu quả làm việc của hệ thống PV trong các trường hợp kể cảkhi được lắp đặt cốđịnh hoặc hệ thống PV có trục xoay hướng theo vị trí mặt trời Nhóm tác giả xây dựng mô hình nghiên cứu đánh giá ảnh hưởng của môi trường trên hình 2.6 [80]

Hình 2.6 Hệ thống PV định hướng theo vị trí mặt trời và hệ thống PV cố định

Mô hình thực nghiệm được xây dựng thông qua 02 hệ thống PV nối lưới, công suất mỗi hệ thống 250Wp, trong đó có 01 hệ thống PV có trục xoay tấm Pin định hướng theo vị trí mặt trời và 01 hệ thống PV lắp cốđịnh Hai hệ thống PV đƣợc thí nghiệm đánh giá liên tục trong 90 ngày tại Quảng Trị - miền trung Việt Nam nơi có điều kiện bức xạ tốt và điều kiện thời tiết môi trường thay đổi liên tục Kết quả nghiên cứu đánh giá thực nghiệm hiệu quả làm việc của 02 hệ thống PV dưới các điều kiện thời tiết khác nhau đƣợc đƣa ra trên hình 2.7 đến hình 2.9

Hình 2.7 (a) Sản xuất điện năng và ( ) cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày nắng

Hình 2.8 (a) Sản xuất điện và ( ) cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày nhiều mây

Hình 2.9 (a) Sản xuất điện và ( ) cải thiện cải thiện lƣợng điện năng và tăng điện năng vào một ngày mƣa

Kết quả nghiên cứu thực nghiệm chỉ ra rằng hiệu quả làm việc của hệ thống PV kể cả được lắp cố định hay khi được điều chỉnh theo hướng nắng đều bị ảnh hưởng và thay đổi mạnh trong những điều kiện thời tiết khác nhau Trong thời gian khảo sát thấy rằng hiệu suất của hệ thống PV trung bình trong những ngày có mƣa (hình

2 9) hiệu quả hệ thống PV giảm đi gần 3 lần so với những ngày nắng (hình 2.7) Đối với những ngày nhiều mây (hình 2.8) hiệu suất quả của hệ thống PV giảm đi gần một nửa so với những ngày nắng

Ngoài nghiên cứa ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết khác nhau tác động lên hiệu quả làm việc của hệ thống PV, nhóm nghiên cứu cũng so sánh ảnh hưởng của hai hệ thống PV cố định và được điều chỉnh theo hướng nắng dưới tác động của các điều kiện bức xạkhác nhau đƣa ra trên hình 2.10 dựa trên các công thức đánh giá so sánh sau:

E 1 –năng lượng tạo ra bỏi hệ thống PV điều chỉnh theo hướng nắng

E 2 –năng lƣợng tạo ra bỏi hệ thống PV cốđịnh

Khi kểđến năng lƣợng tiêu thụ của bộ truyền động, công thức trên sẽ là:

E 3 – năng lƣợng tiêu thụ của bộ truyền động

Hình 2.10 So sánh tác động của thời tiết tới hệ thống PV cố định và có điều chỉnh theo hướng nắng

Kết quả cho thấy trong trường hợp điều kiện thời tiết bất kỳ thì hiệu suất của hệ thống PV định hướng theo vị trí mặt trời ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố thời tiết hơn so với hệ thống lắp đặt cốđịnh Hiệu quả đƣợc cải thiện lên của hệ thống PV định hướng theo vị trí mặt trời so với hệ thống cốđịnh là 15,2%

Cường độ chiếu sáng của mặt trời giảm thì dòng điện cũng giảm xuống rất mạnh, gần nhƣ tỉ lệ thuận với bức xạ mặt trời, và điện áp cũng giảm xuống nhƣng giảm một lƣợng ít hơn theo hàm logarit Ngoài ra khi nhiệt độ tăng lên thì điện áp nhỏđi khá nhiều nhƣng dòng điện thì tăng một lƣợng không đáng kể Điều này cho thấy pin mặt trời hoạt động tốt trong điều kiện mát mẻ Cụ thể là với vật liệu S i , khi nhiệt độ tăng lên thì điện áp hở mạch giảm khoảng 0,37%/ o C trong khi dòng điện tăng khoảng 0,05%/ o C Như vậy, khi nhiệt độ tăng lên thì đường đặc tuyến V-I di chuyển sang trái và đƣợc nâng lên, nhƣng công suất lại giảm đi Ở đây có thể giải thích rằng, dòng điện là do các electron đƣợc tạo ra, khi bức xạ mặt trời tăng hoặc nhiệt độ tăng thì sẽ làm cho số lƣợng electron bứt ra nhiều hơn Điện áp tạo ra là sự chênh lệch năng lượng trước và sau khi electron nhận năng lượng của photon mặt trời Khi nhiệt độtăng lên sẽ làm giảm hiệu năng lượng trước và sau, dẫn đến điện áp giảm đi Khi ức xạ tăng lên thì số lƣợng electron tạo ra nhiều hơn và tạo điện trường E lớn hơn, dẫn đến điện áp tăng lên một chút Đặc tuyến I-V tương ứng với từng bức xạ nhất định được mô tảnhư hình 2.11.

Hình 2.11 Đặc tính I-V với các ức xạ khác nhau

Hình 2.12 Đặc tính P-V với các ức xạ khác nhau

Hình 2.13 Đường đặc tính I-V tại ức xạ1000W/m 2 khi nhiệt độ pin thay đổi Qua phương trình (2.26) nhận thấy rằng ngoài việc thay đổi đường đặc tính I-V và

P-V theo cường độ bức xạ thì đường đặc tính này cũng thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ của pin Mối tương quan giữa nhiệt độvà đường đặc tuyến I-V và P-V được thể hiện lần lƣợt qua các hình 2.11 và hình 2.12 Có thể thấy, vị trí của điểm MPPT 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 đểtheo dõi điểm MPPT, thuật toán này chính là điểm mấu chốt của bộđiều khiển MPPT

Hình 2.14 Đường đặc tính P-V tại ức xạ 1000W/m 2 khi nhiệt độ pin thay đổi

2.2.2 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che một phần

Bóng che một phần (Partial Shading Conditions -PSC) là điều kiện mà tại đó ánh sáng mặt trời chiếu sáng không đều trên tất cả các tấm pin Điều này dẫn đến hiện tƣợng bất ổn và các đặc tính I-V và P-V của tấm Pin trở lên phức tạp Hầu hết, bóng che một phần xảy ra khi các tế bào PV nhất định trên tấm PV hoặc cả tấm bị che khuất khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp Các nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các bóng che một phần xảy ra do cây xung quanh, mây che phủ, nhà cửa, phân chim, bụi/lá, nước…và góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời [81]–[85] Bóng che hoàn toàn cũng tạo ra những vấn đề tương tự cho các hệ thống nguồn Pin mặt trời nhưng không đƣợc thảo luận nhiều nhƣ óng che một phần vì khi đó lƣợng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm Pin là nhƣ nhau.

Hầu hết, bóng che một phần xảy ra khi các tế bào PV nhất định trên tấm PV hoặc cả tấm bị che khuất khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp Các nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các bóng che một phần xảy ra do cây xung quanh, mây che phủ, nhà cửa, phân chim, bụi/lá, nước…và góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời [81]–[85]

Bóng che hoàn toàn cũng tạo ra những vấn đề tương tự cho các hệ thống nguồn Pin mặt trời nhƣng không đƣợc thảo luận nhiều nhƣ óng che một phần vì khi đó lƣợng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm Pin là nhƣ nhau

Trong trường hợp trên, các phương pháp MPPT thông thường không đủ khả năng để xử lý các điều kiện bóng che một phần [7] Theo [86], tổn thất năng lƣợng do sự hội tụ thuật toán MPPT đến điểm công suất cực đại địa phương (LM) thay vì

GM có thể lên tới 70% Do đó, cần phải phát triển các phương pháp tìm MPPT mới có thể tìm kiếm GM từ tất cả các LM hiện có

Hình 2.15 (a) cho thấy một sự sắp xếp thực tếhơn của mảng PV, trong đó có hai loại điốt (đường vòng và chặn) được nối vào Trong suốt quá trình bị bóng che một phần, nhiều mô-đun PV đƣợc chiếu sáng ít hơn [87]–[89] Tình trạng này làm giảm tổng công suất phát điện từ PV và có thể gây ra vấn đề phát nóng [90] Để bảo vệ các mô-đun khỏi vấn đề nóng, một hoặc nhiều điốt ypass đƣợc nối song song với một nhóm các tế bào trong mỗi mô-đun PV [91] Các khóa diode đƣợc kết nối vào cuối mỗi chuỗi PV để bảo vệ mảng không bị ảnh hưởng bởi sự mất cân bằng hiện tại giữa các dãy PV khác nhau tạo nên các dòng điện ngƣợc a) b)

Hình 2.15 Nguồn phát điện PV và hiện tƣợng óng mờ từng phần

Hình 2.15 (a) cũng cho thấy mảng PV nhận đƣợc một bức xạ đồng đều, các diode bypass của mỗi chuỗi đều có xu hướng phân cực ngược Do đó, dòng điện trong PV chảy qua mô-đun PV và kết quảđường cong P-V biểu diễn một MPP duy nhất Tuy nhiên, trong điều kiện bóng mờ từng phần thể hiện trong hình 2.15 (b), chuỗi S1 nhận đƣợc mức chiếu xạđồng đều, nhƣng mô đun đƣợc tô bóng của chuỗi S2 nhận đƣợc bức xạ mặt trời giảm Sự khác biệt về điện áp giữa hai module đƣợc chiếu xạ khác nhau của S2 chạy qua diode bỏ qua S2 của mô-đun óng mờ Kết quả là đường cong P-V cho S2 được đặc trưng ởi hai LMs Có thể khẳng định rằng trong suốt quá trình bóng mờ một phần, việc kích hoạt các điốt bằng đường vòng biến đổi đường cong P-V thành đường cong phức tạp hơn - đặc trưng ởi nhiều LM Việc theo dõi các điểm công suất cực đại là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống quang điện, đặc biệt là khi các hệ thống này tăng kích thước và tiếp xúc với các điều kiện môi trường không đồng nhất Các kỹ thuật MPPT thông thường được thiết kế để theo dõi điểm công suất cực đại trong các điều kiện đồng nhất, nơi có một điểm công suất lớn nhất Trong các điều kiện môi trường không đồng nhất, với các điốt ypass được tích hợp vào mạch điện, các đường đặc tính công suất - điện áp trở nên phức tạp hơn dẫn đến có nhiều điểm MPPT Trong những điều kiện nhƣ vậy, các kỹ thuật MPPT thông thường không thểtheo dõi được điểm MPPT lớn nhất và có thể dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể Trong nội dung này đánh giá các phương pháp được thiết kế để giảm thiểu sự phức tạp phát sinh từ điều kiện môi trường không đồng đều trong hoạt động của hệ thống nguồn Pin mặt trời

Hình 2.16 Đặc tính I-V và P-V của a tấm pin PV trong môi trường đồng nhất

XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC

Đặ t v ấn đề

Bộ tăng áp DC-DC trong hệ Pin mặt trời đƣợc thiết kế cần có điện áp vào phù hợp với điện áp ra của tấm Pin mặt trời (thường nằm trong phạm vi 24V- 40V) Bộ biến đổi này có hệ số biến đổi điện áp phù hợp với tải, hoạt động ổn định, tỷ số biến đổi điện áp cao, hiệu suất mạch lớn [93]– [104] Đồng thời, linh kiện trong bộ DC-DC cần phổ biến để phù hợp cho công tác nhân rộng, phù hợp với việc nhiều tấm Pin mặt trời có xuất xứ khác nhau tích hợp ở đầu vào bộ DC-

DC Theo quan điểm đó, cấu trúc bộ tăng áp DC-DC cần có nhiều đầu vào có thể sẽ có điện áp khác nhau theo dải phù hợp với điện áp ra của tấm Pin, tổn thất trong mạch cần giảm xuống mức tối thiểu, độ nhấp nhô dòng điện qua cuộn cảm thấp, điện áp đầu ra đƣợc cân bằng, ổn định Nếu giải quyết đƣợc các vấn đề kỹ thuật nêu trên cũng là góp phần giải quyết các thách thức đang đặt ra đối với các bộtăng áp DC-DC nói chung và cho nguồn điện Pin mặt trời nói riêng.

Giá trị một số phần tử trong mạch tăng áp DC-DC

Cấu tạo bộ tăng áp DC-DC gồm nhiều phần tử, linh kiện nhƣ đã trình ày ở chương trước Ngoài các linh kiện: diode, mosfet,… thì thông số của cuộn cảm và tụ điện đóng vai trò quan trọng trong mạch DC-DC tăng áp Cuộn cảm L của bộ Boost tăng áp DC-DC truyền thống đƣợc xác định theo công thức [8]:

L là giá trị cuộn cảm, H f: tần số đóng cắt của Mosfet, Hz

∆IL: Độ nhấp nhô dòng điện qua cuộn cảm, A

Nếu chọn ΔIL có giá trị bé thì giá trị của L sẽ lớn Lúc này việc chế tạo cuộn cảm trong thực tế sẽ tốn kém do giá trị của L lớn Nếu ta chọn ΔIL có giá trị lớn thì giá trị của L sẽ nhỏ Lúc này việc chế tạo cuộn cảm trong thực tế sẽ ít tốn kém do giá trị của L nhỏ Nhƣng ngƣợc lại khi ΔIL lớn sẽlàm cho dòng điện hiệu dụng qua thiết bị đóng cắt cũng nhƣ dòng điện qua cuộn cảm lớn Vì vậy, trong thực tế để tối ưu giá trị điện cảm L, khi tính toán thiết kế ta thường chọn:

Trong thiết kế cuộn cảm, cần chọn tiết diện mạch từ sao cho điểm làm việc ở công suất cực đại không làm mạch từ bị bão hòa Với tần số làm việc trong phạm vi 10 kHz đến 200 kHz, vật liệu làm mạch từ được chọn thông thường là dùng vật liệu Ferrite Tổn thất cực đại trong lõi Ferrite thường phải nhỏ hơn 0,1 W/cm 3 để đảm bảo nhiệt độ làm việc của mạch từ luôn duy trì dưới 60 o C Việc tính chọn tụ C ở ngõ ra của bộ Boost phụ thuộc vào thời gian lưu giữnăng lượng

∆t = 1/f và đƣợc xác định theo công thức sau [8]:

∆V0là độ gợn (độ nhấp nhô) điện áp đầu ra, thường chọn ΔV0 = 0,5%*Vout;

D là độ rộng xung (duty cycle) của Mosfet

Lựa chọn diode: Để giảm tổn thất, nên sử dụng điốt Schottky Dòng điện định mức cần bằng dòng điện đầu ra tối đa:

IFlà dòng điện định mức của diode

IOUT (max) là dòng điện ra tối đa

Các diode Schottky thường được chọn trong ác mạch tăng áp DC-DC, diode Schottky có dòng điện đỉnh cao hơn so với dòng điện định mức Do đó thông số khác phải đƣợc kiểm tra là công suất tiêu tán của diode Công suất qua diode đƣợc xác định nhƣ sau:

P = IF.VF (3.5) Trong đó: VFlà điện áp chuyển tiếp của diode chỉnh lưu.

C ấ u trúc m ạ ch Boost DC-DC

3.3.1 Đề xuất cấu trúc mạch DC-DC

Trong thực tế, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời thay đổi tuỳ thuộc vào điều kiện thời tiết, trong khi công suất của bộ biến đổi đƣợc thiết kế với công suất lớn nhất của tấm pin Vì vậy, hiệu suất của bộ biến đổi ở một số thời điểm, khi công suất nhỏ truyền qua nó, sẽ có giá trị không tốt Để cải thiện hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC, ta cần phải thiết kế bộ biến đổi mới để cải thiện hiệu suất của cả hệ thống điện mặt trời Cấu trúc mạch DC-DC đề xuất cần đảm bảo mục tiêu: tỷ số điện áp cao, mức gợn sóng nhỏ, hiệu suất lớn và làm việc ổn định Để đạt đƣợc điều này, mạch DC-DC đề xuất thiết kế theo cấu trúc dạng xếp tầng (hình 3.1)

Hình 3.1 Cấu trúc mạch tăng áp DC-DC đề xuất Cấu trúc này gồm một nguồn dương và một nguồn âm được ghép với nhau và nối chung ở điểm "0" Mỗi một mạch nguồn dương hoặc mạch nguồn âm sử dụng 1 Mosfet, 6 diode để chỉnh lưu (tạm gọi Cấu trúc xếp tầng) Hai điện trở Shunt R10 và R11 đƣợc dùng trong mạch để phản hồi tín hiệu dòng điện Khi có dòng điện I chạy qua trở shunt sẽ tạo ra một điện áp rơi trên đó Tín hiệu điện áp này được đưa về để đo lường đại lượng dòng điện trong mạch Với cấu trúc này chúng ta có thể sử dụng cùng công nghệ chế tạo, dễ dàng tích hợp bộ biến đổi vào tấm pin khi hầu hết các linh kiện có cùng giá trị điện áp làm việc Về bản chất, đây là 2 mạch boost DC-DC nối tầng với nhau, với cấu trúc trong hình 3.1, khi so sánh với cấu trúc của mạch DC-DC truyền thống có thể nhận thấy: cấu trúc này có 4 cuộn dây, trong đó mỗi tầng gồm 2 cuộn dây, hai tụ điện ở đầu ra, bốn điốt, và mỗi tầng có 1 mosfed

Trong thời gian TON = DTsw, G1 ở trạng thái dẫn và sơ đồ tương đương được thể hiện trong hình 3.2 Ở chếđộ này, L1 và L2 mắc nối tiếp lần lƣợt với D1 và D3 rồi song song với nhau Ở chế độ G1 mở, L1 và L2 mắc nối tiếp qua D2 và phóng năng lượng qua D4 để nạp điện cho tụ C1 và tải Trong trường hợp này, dòng điện đi qua cuộn dây L2, qua D2, qua cuộn L1 và qua tụC1 Khi đó UC1 Uin1 + UL1 + UL2 Nhƣ vậy có thể thấy khi D1 = 0,5 thì UC1 = 3Uin Khi G2 mở ra, thì UC2 = Uin2 + UL3 + UL4 và nếu D = 0,5 thì UC2 = 3Uin Nói cách khác, mạch tăng áp DC-DC đề xuất có mức tăng áp đến 6 lần khi D = 0,5 Đây là mức tăng áp khá tốt khi đối chiếu với một số mạch tăng áp đƣợc nghiên cứu đề xuất trong

[1], [2] Mạch này cải tiến đƣợc hiện tƣợng tụ C bị phát nóng ở mạch truyền thống do bị nạp bởi các cuộn dây Điều quan trọng nhất là G1 và G2 độc lập nhau tạo nên điện áp cân bằng cho UC1 và UC2 mà các mạch truyền thống không thực hiện đƣợc

Hình 3.2 Dòng năng lượng ở tầng dương khi G1 dẫn

Hình 3.3 Dòng năng lƣợng trong mạch khi G1 mở

3.3.2 Xác định tỷ số biến đổi điện áp và tổn thất công suất trong mạch DC-DC

Tổn thất công suất trên các thành phần của bộ biến đổi tăng áp có thể chia thành: tổn thất dẫn, tổn thất động và tổn thất cố định Tổn thất dẫn phụ thuộc trực tiếp vào tải, ít phụ thuộc tần số chuyển mạch Tổn thất cố định không phụ thuộc tần số chuyển mạch cũng nhƣ tải, bao gồm dòng điện cung cấp cho bộ điều khiển công suất và dòng rò trên MOSFET, diode và tụđiện, các tổn thất này thường ít hơn so với tổn thất dẫn và tổn thất động, nên có thể bỏ qua Khóa bán dẫn là thành phần chính gây ra tổn thất động trong bộ biến đổi Trong quá trình chuyển đổi, tổn thất công suất có thể xảy ra trên các khóa bán dẫn với giá trị lớn Mặc dù thời gian chuyển mạch của khóa bán dẫn rất ngắn nhƣng tổn thất trung ình là đáng kể Tổn thất động rất ít phụ thuộc vào công suất tải, nó phụ thuộc trực tiếp vào tần số chuyển mạch

Tổn thất dẫn chủ yếu là do điện trở nội của các linh kiện và sụt áp trên chúng Trong một bộ tăng áp điển hình, điện trở nội và tụ điện ký sinh gây ra tổn thất dẫn và tổn thất chuyển mạch Tổn thất cuối cùng và phức tạp nhất là tổn thất động gây ra bởi đặc tính chuyển mạch của bộ biến đổi Những tổn thất này gây ra bởi MOSFET, diode và lõi ferrit của cuộn cảm Vì tính chính xác và đơn giản, tổn thất lõi ferit (Pcore) dựa theo dữ liệu của nhà sản xuất Tổn thất động chủ yếu gây ra bởi MOSFET và diode Trong quá trình chuyển mạch của các khóa bán dẫn không lý tưởng, điện áp và dòng điện tồn tại trên MOSFET trong một khoảng thời gian rất ngắn Tuy nhiên, khi tần số chuyển mạch tăng, tổn thất công suất trong mạch cũng sẽtăng lên.

Do 2 kênh dương và kênh âm của mạch có tính chất tương tự nhau, trong phần này, Luận án chỉ trình ày phương pháp xác định tỷ số điện áp và tổn thất ở

1 kênh (giải thiết chọn kênh dương) Để mạch làm việc đạt hiệu quả cao nhất, chọn L1 =L2 Điều kiện để dòng điện Iin hay Iout ổn định là:

   (3.7) Trong đó: Vin = Vin1 + Vin2

Từ đó có được phương trình:

  (3.10) Nhƣ vậy, điện áp ra của mạch sẽ là:

( ) ( ) out outC1 outC2 out out in

Trong trường hợp đơn giản D = 0,5 thì điện áp ra: U out = U c1 + U c2 6(Uin1+Uin2) = 6Uin (điện áp đầu ra cao gấp 6 lần điện áp đầu vào)

  Điều đó có nghĩa là điện áp ra ở cấu trúc mạch DC-DC đề xuất có mức tăng áp cao hơn mạch truyền thống Tổn thất trên cuộn dây chủ yếu là tổn thất Joule, đƣợc xác định bởi tổn thất trên 2 mạch nguồn dương và nguồn âm:

Khi đó, tỷ số iến áp sẽ là: o in in o

Từcác phương trình (3.12) và (3.13) có được:

           (3.14) Tổn thất trên các diode trong cấu hình mạch đề xuất đƣợc xác định bởi phương trình (3.15):

Nếu chọn RD1 = RD2 = RD3 = RD4 thì

Từ các phương trình (3.13) và (3.16) xác định được tổng tổn thất trên các diode là:

        (3.17) Tổn thất trên các khóa đóng cắt được xác định bởi phương trình (3.18):

Từ các phương trình (3.13) và (3.18) xác định được:

       (3.19) Vậy tổng tổn thất trong mạch sẽ là tổng tổn thất trên cuộn dây, diode và các khóa đóng cắt:

Từ các phương trình (3.14), (3.16), (3.18) sẽ có được:

           (3.21) Mạch phía nguồn âm tương tự có cùng tổn thất, nên tổn thất toàn mạch là: toan mach

Do đó hiệu suất của mạch đƣợc xác định bởi: out in toanmach in in

Nhƣ vậy, hiệu suất của bộ biến đổi này phụ thuộc vào công suất đi qua nó

𝑃 in Thông thường, hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC đạt giá trị lớn nhất khi công suất truyền qua nó có giá trị bằng công suất thiết kế Khi công suất truyền qua bộ biến đổi nhỏ hơn nhiều so với công suất định mức của nó thì hiệu suất của bộ biến đổi sẽ suy giảm đáng kể Để kiểm chứng hiệu quả của mạch tăng áp DC-DC đề xuất, phần tiếp theo của Luận án sẽ tiến hành mô phỏng và thiết kế Nội dung chế tạo mạch và thử nghiệm thực tế sẽ đƣợc Luận án trình bày trong mục 3.5

Kết quả mô phỏng và thực nghiệm sẽ đƣợc so sánh, đối chiếu với các kết quả nghiên cứu khác tương tựđểđánh giá hiệu quả của bộ biến đổi DC-DC đề xuất

Dòng điện tải của mạch tăng áp là Io, thời gian đóng dẫn IGBT là Ton thì dung lƣợng tụ điện cần thiết để đảm bảo độ gợn của điện áp đầu ra Vo trong mạch tăng áp đƣợc biểu diễn nhƣ công thức (3.24) on 0 0

Từphương trình (3.24) và (3.25) ta có:

L ự a ch ọn điện cả c ng t Độ tự cảm lưu trữ năng lượng L phải đủ lớn để bộ tăng áp hoạt động ở trạng thái dòng điện dẫn liên tục Độ tự cảm là:

L ự a ch ọ n van IGBT Điện áp định mức của van IGBT tính theo công thức:

Dòng điện định mức của van IGBT:

L ự a ch ọn điố t Điện áp ngƣợc của diode là điện áp đầu ra Vovà dòng điện cực đại chạy qua diode bằng với dòng điện cực đại của IGBT:

Mô ph ỏng đánh giá cấ u trúc b ộ tăng áp DC-DC đề xu ấ t

Mô hình mô phỏng mạch DC-DC đƣợc thực hiện trên phần mềm Matlab với các thông số trong hình 3.4 Đặc tính P-V và I-V của tấm Pin đƣợc cho trong hình 3.5 Kết quả mô phỏng đặc tính PV matrix từ thƣ viện đƣợc xây dựng trên Matlab&Simulink áp dụng cho tấm pin mặt trời có các thông số kỹ thuật nhƣ sau: Công suất cực đại Pmax = 320,05 W Điện áp hở mạch VOC = 45,1 V

Dòng điện ngắn mạch ISC = 9,22A Điện áp tại công suất cực đại Vmp = 37 V

Dòng điện tại công suất cực dại Imp = 8,65 A

Hình 3.4 Thông số kỹ thuật tấm Pin mặt trời

Hình 3.5 Đặc tính I-V và P-V của tấm Pin Các tham số của mô hình dùng để mô phỏng nhƣ sau: điện cảm L = 4mH; tụđiện 100àF; mạch đúng ngắt cụng suất sử dụng van bỏn dẫn cụng suất IGBT Tần sốđiều chế lựa chọn 15 kHz Tại các điểm trên mạch công suất đều sử dụng các mô hình cảm biến dòng và cảm biến áp để quan sát giản đồ thời gian của dòng điện và điện áp trong mạch Phần kết nối giữa hai mạch công suất phần DC thể hiện nhƣ trên hình 3.6 Việc sử dụng diode nhằm mục đích tránh dòng đi ngƣợc chiều vào phần nguồn

DC Tiến hành mô phỏng với các trường hợp: cho D và tải thay đổi để khảo sát đặc tính điện áp, công suất ởđầu ra Trên cơ sở đó, Luận án đánh giá hiệu quả hoạt động của mạch DC-DC đề xuất khi cho D, fs và tải thay đổi

Nếu xem xét cường độ bức xạ mặt trời lên các tấm Pin là như nhau trong khoảng thời gian xem xét, với giá trị 1000 W/m 2 Trong hình 3.7 là kết quả biểu diễn dạng sóng điện áp đầu vào, đầu ra và hiệu suất của mạch thiết kế ứng với trường hợp D = 0,6; f = 15kHz và tải 160  Hình 3.8 (cũng là điện áp ra của 2 tấm Pin nối tiếp), đặc tính điện áp này phản ánh đúng với giá trị điện áp đặt vào mạch DC-DC Giá trịđiện áp ra phía tải nhƣ iểu diễn trong hình 3.8 gần đạt giá trị lý thuyết (426V), cụ thể là giá trị điện áp đầu ra đạt mức 422,1V, có sự chênh lệch này là do có tổn thất điện áp trên các linh kiện, phần tử

Hình 3.6 Sơ đồ mô phỏng trong Matlab

Có thể thấy: dạng sóng điện áp ra có chất lƣợng khá tốt do tần số đóng cắt ở mức khá cao Kết quả mô phỏng ở hình 3.9 trong trường hợp này cũng cho thấy: mạch làm việc ổn định, hiệu suất mạch đạt giá trị tối đa 97,05% ở tần số đóng cắt 15kHz Nếu giảm tần số đóng cắt, hiệu suất mạch có thể tăng thêm nhƣng ngƣợc lại dạng sóng sẽ có chất lƣợng xấu hơn Ở các tần số đóng cắt cao hơn, hiệu suất của mạch tăng áp giảm dần do tổn thất đóng cắt tăng ởi hiệu ứng Joule

Hình 3.7 Đáp ứng điện áp đầu vào của mạch (Vin = 74V)

Hình 3.8 Đáp ứng điện áp ra phía tải

Hình 3.9 Đáp ứng hiệu suất của mạch Trong hình 3.10 đến hình 3.12 là đáp ứng điện áp và hiệu suất của mạch khi có óng che không đồng đều, 1 tấm Pin bị che khuất trong khi vẫn giữ nguyên công suất tải, giá trị độ rộng xung và tần số đóng cắt Qua đáp ứng điện áp thấy rằng, mặc dù bị che khuất nhƣng tấm Pin vẫn có một lƣợng công suất phát nhất định và vẫn tồn tại một giá trịđiện áp, dẫn đến điện áp đầu vào có giá trị khoảng 41V (so với điện áp của khi không bị che khuất mỗi tấm là 37V) Điện áp ra của mạch giảm còn 260V Hiệu suất mạch lúc này giảm xuống do không còn đƣợc cung cấp đầy đủ năng lượng như an đầu (hình 3.11) Dễ thấy, so với trường hợp bức xạ đồng đều, điện áp đầu ra tấm Pin mặt trời có hiện tƣợng bị dao động nhỏ về mặt iên độ điện áp do bức xạ bị thay đổi, tuy nhiên quá trình này xảy ra trong thời gian ngắn và khôi phục trở lại nhanh chóng sau 0,05s Hiệu suất của mạch cũng ị giảm tương ứng, khi lúc này nguồn cấp bị thiếu hụt, trong khi công suất tải không thay đổi Khi đó, mạch vận hành nhƣ đang ị "quá tải" dẫn đến hiện tƣợng phát nóng và hiệu suất suy giảm (hình 3.12), thời gian để ổn định điện áp và công suất đầu ra cũng lâu hơn (khoảng 0,06s-0,07s)

Hình 3.10 Điện áp đầu vào khi tấm Pin bị che khuất

Hình 3.11 Đáp ứng điện áp ra của mạch khi tấm Pin bị che khuất

Hình 3.12 Đáp ứng hiệu suất của mạch khi 1 tấm Pin bị che khuất

Trong hình 3.13 đến hình 3.17 biểu diễn hiệu suất của cấu hình đề xuất với điện áp đầu vào Vin = 72V, hệ số D = 0.55 khi cho thay đổi tần số đóng cắt mạch Hiệu suất đo được ở các mức tải khác nhau dưới tần số chuyển mạch khác nhau

Hình 3.13 Quan hệ giữa hiệu suất và điện trở tải khi tần số đóng cắt ằng 15 kHz

Hình 3.14 Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi tần số đóng cắt ằng 20 kHz

Hình 3.15 Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi tần số đóng cắt ằng 25 kHz

Hình 3.16 Quan hệ giữa hiệu suất mạch và công suất tải khi tần số đóng cắt ằng 30 kHz

Hình 3.17 Quan hệ giữa hiệu suất mạch và công suất tải khi tần số đóng cắt ằng 40 kHz

Với tần số chuyển mạch f = 15kHz, điện áp đầu vào Vin = 72V, hiệu suất khi mô phỏng được tính theo các mức tải khác nhau dưới các hệ số chu kỳ (D) khác nhau đƣợc thể hiện ởhình 3.18 đến hình 3.20

Hình 3.18 Quan hệ giữa hiệu suất và công suất tải khi D = 0,35

Qua 2 trường hợp mô phỏng điển hình đã cho thấy, cấu trúc mạch DC-DC tăng áp đề xuất thể hiện một số ƣu điểm nổi bật thông qua mô phỏng nhƣ sau:

- Tỷ số biến đổi điện áp lớn Kết quả này không những có ý nghĩa ứng dụng trong hệ Pin mặt trời, mà còn có ý nghĩa trong nhiều hệ năng lƣợng khác khi cần điện áp cao cấp cho tải hoặc các mạch sạc đa năng;

- Cấu trúc mạch giải quyết đƣợc vấn đề cân bằng điện áp ởđầu ra, khi chỉ cần thiết kế một bộ ổn định điện áp (bổ sung) Bộ điều khiển điện áp này hoàn toàn dễ dàng thực hiện cả trong mô phỏng và thực nghiệm, tuy nhiên, đây không phải là nội dung chủ yếu nên Luận án không đi sâu trình ày vấn đề này;

- Mạch có cấu trúc đối xứng, nên giảm đƣợc giá thành thiết kế;

- Mạch có cấu trúc 2 tầng kênh, nên phù hợp với hầu hết các cấu trúc nghịch lưu đa ậc hình T khi có kết nối với bộ nghịch lưu DC-AC phía sau nó Ngoài ra, 2 tầng kênh còn cho phép đấu nối với các tấm Pin có xuất xứ khác nhau (điện áp ra tấm Pin khác nhau), nên thuận tiện trong quá trình vận hành, thay thế,

- Hiệu suất cao nhất của mạch đạt đến 97,05% Đây có thể xem là mạch có hiệu suất khá tốt so với các nghiên cứu đã công ố [1], [2], [66], [76] Đây là hiệu suất cao nhất, tuy nhiên, ở các chếđộ vận hành khác nhau sẽ cho các giá trị hiệu suất khác nhau.

Mô hình th ự c nghi ệ m c ấ u trúc m ạ ch DC-DC đề xu ấ t

Trên cơ sở thiết kế cấu trúc và mô phỏng mạch tăng áp DC-DC đã trình ày ở trên, Luận án sẽ tập trung lắp đặt trên mô hình thực nghiệm Mô hình này của Luận án chỉ áp dụng đối với mạch tăng áp DC-DC, có công suất thiết kếđến 1kW

3.5.1 Cấ u trúc các khối trong mô hình thực nghiệm mạch tăng áp DC-DC

Sơ đồ khối khi tiến hành thực nghiệm hệ thống đƣợc cho trong hình 3.21, bao gồm: khối nguồn, bộ phát xung, vi điều khiển, phụ tải và mạch tăng áp DC-DC

Mạch điều khiển phát xung

Chức năng chính của mạch là điều khiển tần số và độ rộng phát xung PWM, để điều khiển độ đóng mở 2 Mosfet (Q1, Q2) trên mạch tăng áp DC-DC Sơ đồ tổng thể các khối chức năng cơ ản của mạch đƣợc trình bày ở hình 3.21 Mạch này đƣợc thiết kế với một số yêu cầu và chức năng nhƣ sau:

- Phát xung để điều khiển 2 Mosfet;

- Có thể thay đổi đƣợc tần số (từ 0 ÷ 60kHz) và độ rộng xung PWM (0-100%);

- Có màn hình LCD và kế nối đƣợc với máy tính;

- Có cách ly điện áp DC-DC để ảo vệ mạch;

- Nguồn cung cấp cho mạch là 12VDC

Bộ phát xung Nguồn DC1

Mạch tăng áp DC/DC

Mạch điều khiển phát xung

Hình 3.21 Sơ đồ khối của hệ thống tăng áp DC-DC

Cổng UART Vi xử lý trung tâm Ổn áp 12-3.3V

Hình 3.22 Sơ đồ khối của mạch điều khiển phát xung Phương thức hoạt động của mạch điều khiển phát xung như sau: Khi khởi động thiết bị, độ rộng của xung PWM sẽtăng dần từ 30 đến 75% trong thời gian khoảng 3 giây, để tránh việc tăng điện áp do quá trình quá độ Các giá trị tần số (f) và độ rộng phát xung (D) có thể đặt lại bằng nút nhấn Các thông số hoạt động của mạch đƣợc hiển thị lên màn hình LCD Mạch có cổng truyền thông nối tiếp UART để kết nối với máy tính

Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển phát xung, chức năng các khối, mạch driver, mạch điều khiển,…đƣợc đƣa trong phụ lục 1 của Luận án

3.5.2 Giải thuật và phần mềm

Dựa trên kết quả mô phỏng đƣợc, tiến hành cài đặt hệ thống trên MCU STM32F103C8T6 Phụ lục code phần mềm cho trong Phụ lục 4 của Luận án Giải thuật điều chế thực hiện trên MCU STM32F103C8T6, cấu hình hệ thống nhƣ trong ảng 3.1

Bảng 3.1 Cấu hình chân vi xử lý

TT Ý nghĩa Cổng Ghi chú

1 Chân điều chếđộ rộng xung

2 Chân điều chế độ rộng xung

6 Cổng truyền của UART3 B10 Sử dụng UART3

7 Cổng nhận của UART3 B11 Sử dụng UART3

8 Đo điện áp Vi A0 Kênh ADC0

9 Đo điện áp Vo A1 Kênh ADC1

Mô hình thiết bị thử nghiệm đƣợc xây dựng theo các module độc lập để thuận lợi cho các quá trình lắp đặt Mạch tăng áp DC-DC có cấu trúc thành phần nhƣ trong hình 3.23; 3.24; 3.25 và 3.26 Trên hình 3.27 đến 3.29 là kết quả đo trên máy hiện sóng tại đầu ra (tải) và đầu ra của TLP250 / cổng G của Mosfet Điện áp ra trên tải khá bằng phẳng, không bị nhiễu bởi sóng hài và có chất lƣợng tốt Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở, điện áp trên cực của Mosfet có dạng xung và iên độ ổn định

Hình 3.23 Mạch tăng áp DC-DC và mạch driver sau khi thiết kế, chế tạo

Hình 3.24 Mạch in của kit điều khiển

Hình 3.25 Mô hình thực nghiệm tổng thể

Hình 3.26 Mô hình ộ iến đổi hoàn thiện được lắp đặt ở hiện trường

Hình 3.27 Sóng điện áp tra trên tải thuần trở và trên cổng Mosfed trên Oscilloscope

Diode Máy tính Đế tản nhiệt

Hình 3.28 Sóng điện áp vào, điện áp ra và điện áp tham chiếu với tải động cơ

Hình 3.29 Sóng điện áp ra, dòng điện trên tải và đáp ứng giá trị D

Kết quả so sánh hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm của cấu hình đề xuất với điện áp đầu vào Vin = 72V, hệ sốD = 0.55 đƣợc trình bày ở hình 3.30 đến hình 3.34 khi cho thay đổi tần số đóng cắt mạch Hiệu suất đo đƣợc ở các mức tải khác nhau dưới tần số chuyển mạch khác nhau Hiệu suất thực nghiệm cao nhất của bộ biến đổi là 93,6% ở tần số chuyển mạch f = 15kHz Ở tần sốđóng cắt cao hơn, hiệu suất của mạch tăng áp giảm dần do tổn thất đóng cắt tăng ởi hiệu ứng Joule

Hình 3.30 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 15 kHz

Hình 3.31 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất ở tần số đóng cắt 20 kHz Với tần số chuyển mạch f = 15kHz, điện áp đầu vào Vin = 72V, hiệu suất mô phỏng và thực nghiệm đo được ở các mức tải khác nhau dưới các hệ số chu kỳ (D) khác nhau đƣợc thể hiện ở hình 3.35 đến hình 3.37 Hiệu suất thực nghiệm cao nhất đo đƣợc là 95,1% ở hệ số D = 0.35 Nhìn chung, kết quảđiện áp đầu ra, hiệu suất giữa mô phỏng và thực nghiệm có sự chênh lệch là do tổn thất năng lƣợng trên các linh kiện, đặc biệt là điện trở nối tiếp tụ điện ESR mà trên phần mềm mô phỏng không thể mô tả chính xác đƣợc (không có thiết bị hỗ trợ nên không xác định đƣợc chính xác điện trở nối tiếp tụđiện ESR)

Hình 3.35 Kết quả mô phỏng và thực nghiệm hiệu suất khi D = 0,35

XÂY D Ự NG C Ấ U TRÚC LIÊN K Ế T CÁC B Ộ BI ẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI

Đặ t v ấn đề

Những phân tích ở trên cho thấy: Với các hệ Pin mặt trời kết nối với lưới điện, về mặt cấu trúc, sẽ có nhiều module PV liên kết lại thành một hệ thống lớn Cũng chính điều này trong thực tếđã làm nảy sinh các vấn đề cần quan tâm nhƣ: chọn cấu hình liên kết nào cho phù hợp để đạt đƣợc hiệu quả tốt nhất, chi phí đầu tư hợp lý và phương thức vận hành đơn giản đồng thời khai thác tối đa hiệu suất Thực tế cho thấy, trong cùng điều kiện vận hành với mức độ bức xạ của các module là như nhau, đường đặc tuyến P-V và I-V của hệ thống không thay đổi hình dạng [1-4], [17], [22], [42], [43], [45], [46], [56], [57], [65], [92] Dòng điện qua các cell là nhƣ nhau và xem nhƣ gần bằng giá trị trên datasheet Tuy nhiên nếu một cell bị che, thì dòng điện tạo ra bởi cell đó sẽ bị sụt giảm và cell đó đóng vai trò nhƣ là một điện trở bán dẫn (semiconductive resistance) tiêu thụ năng lƣợng tạo ra từ các cell không bị che trong cùng string Kết quả là tấm Pin bị che sẽ có nhiệt độ cao hơn ình thường (hình 4.1)

Hình 4.1 Đặc điểm dòng điện qua các tấm Pin [107] Để giải quyết vấn đề này, các tấm pin mặt trời hiện tại trên thị trường sử dụng 3 ypass diode để ảo vệ cho 3 cell strings trong một panel và đƣợc đặt trong junction box - hình 4.2 Điều đó nghĩa là, nếu một solar cell ị che thì cả

24 cells (loại tấm pin 72cell) trên string đó cũng sẽ ị ypass ởi diode, hiệu suất tấm pin sẽ ị giảm 1/3, dẫn đến cả module string cũng sẽ ị giảm dòng vì mắc nối tiếp Dòng điện của cả module string sẽ ằng dòng thấp nhất từ một panel nào đó trong string Tuy nhiên giải pháp ên trên là ypass cả 1/3 panels khi 1 hoặc vài cell ị óng che

Hình 4.2 Bypass ỏ qua các cell ị che khuất [107]

Các tấm Pin mặt trời với công nghệ hiện nay dùng kỹ thuật mắc song song bypass diode vào mỗi tấm Pin để chỉ loại bỏ những tấm Pin bị ảnh hưởng bóng che Khi tấm Pin bị óng che thì dòng điện qua tấm Pin đó sẽ giảm và không còn bằng với dòng điện tạo ra từ các cell không bị che đang hoạt động bình thường

Tấm Pin bịche đó sẽ có hiện tƣợng ngƣợc áp (reverse voltage) Nếu điện áp này > 0.6V thì sẽ tựđộng kích hoạt bypass diode mắc song song với tấm Pin đó và cách ly tấm Pin đó ra khỏi hệ thống, dòng trong string sẽđi qua ypass diode Và nhƣ vậy, sẽ không tận dụng đƣợc tối đa công suất phát của cả hệ thống Để khắc phục hiện tƣợng này, cần thực hiện đồng thời 2 giải pháp: tối ƣu hóa cấu trúc liên kết các tấm Pin, đồng thời có 1 thiết kế tối ƣu cho ộ DC-DC trong hệ thống Pin mặt trời, trong đó giải pháp thứ 2 đã được Luận án trình bày ở chương 3

Về vấn đề cấu trúc liên kết: hiện có nhiều cách bố trí tấm Pin nhƣ đã trình ày trong chương 1, chương 2 Khi mắc song song (PC) các tấm pin mặt trời sẽ cho hiệu suất cao hơn khi mắc nối tiếp (SC) trong cùng điều kiện vận hành [10],

[12] Nó cũng cho thấy số cực trị là ít nhất nhƣng có nhƣợc điểm là điện áp ra thấp và dòng điện lớn gây khó khăn cho việc chế tạo các mạch chuyển đổi công suất và áp lực dòng điện lên các khóa điều khiển Trong khi đó, SC tuy có hiệu suất thấp hơn và tạo nhiều cực trị nhƣng lại cho mức điện áp ra cao với dòng điện thấp khá an toàn cho các mạch công suất Sự kết hợp ƣu điểm của hai loại cấu hình trên là kết quả của cấu hình nối tiếp – song song (SPC) trong đó các module đƣợc mắc nối tiếp nhau để đạt tới mức điện áp mong muốn trong giới hạn an toàn Sau đó chúng đƣợc mắc song song với nhau tạo thành mảng PV để nâng cao công suất đầu ra a b c

Hình 4.3 Cấu hình liên kếtpin mặt trời: a SC, b PC, c SPC [48]

Mặc dù PC có số lƣợng cực trị ít nhất, nó có thể giúp cho việc xác định GMPPT dễ dàng hơn nhƣng với điện áp ra thấp, nên sẽ gây khó khăn cho việc thiết kế các mạch DC-DC công suất lớn Hơn nữa, kiểu liên kết này có dòng ra lớn đòi hỏi các khóa điều khiển an toàn hơn Đây là nguyên nhân dẫn đến tổn thất công suất đáng kể trên chúng

Sơ đồ SPC bao gồm nhiều chuỗi nối tiếp mắc song song với nhau Do đó, số đỉnh cực trị của nó tương đương số cực trị lớn nhất trong một chuỗi nối tiếp với cùng số lƣợng module Trong sơ đồ này, giá trị điện áp ra của hệ thống bằng mức điện áp trên các chuỗi nối tiếp trong khi đó dòng điện ra bằng tổng các dòng qua từng chuỗi Vì thế nó luôn có giá trị trong khoảng giữa so với hai loại sơ đồ liên kết cơ ản nhƣ đã phân tích ở trên Trong khi đó, SC có ƣu điểm là áp ra lớn và dòng điện nhỏ sẽ an toàn hơn khi thiết kế mạch DC-DC nhƣng lại có bất lợi do tạo nhiều MPP và tổn thất công suất khi dùng bypass-diode để bảo vệ Tóm lại: môi trường vận hành không đồng nhất làm gia tăng số lượng MPP trên tất cả các kiểu liên kết nên những thuật toán đơn giản dễ bẫy vào LMPP khiến cho hiệu suất phát năng lƣợng của hệ không cao Ngoài ra, tốc độ GMPPT của các giải pháp trước đây cũng là một nhược điểm khi vận hành hệ thống nguồn Pin mặt trời trong điều kiện PSC [58] Trong chương này, Luận án đề xuất xây dựng một cấu trúc DC-DC kết hợp với giải pháp MPPT cải tiến cho hệ thống nguồn Pin mặt trời trong điều kiện vận hành không đồng nhất, hạn chế đƣợc vấn đề hiệu suất không như mong muốn như đã trình bày ở chương 2.

Đặ c tính c ủ a Pin m ặ t tr ờ i khi làm vi ệc trong điề u ki ện đồ ng nh ấ t

Khi môi trường vận hành đồng nhất nghĩa là năng lượng bức xạ và nhiệt độ làm việc của các modul như nhau Các đường cong đặc tuyến công suất - điện áp (P - V), dòng điện - điện áp (I - V) của hệ thống có chung tính chất với đường cong đặc tuyến của mỗi modul ở bất cứ cấu hình nào Nghĩa là chúng chỉ có một cực trị khiến cho việc tìm kiếm GMPP không mấy khó khăn và quan hệ giữa dòng điện và điện áp ra của một PV đƣợc trình bày trong biểu thức 4.1 [59], [60]

  (4.1) Như đã trình ày, công suất của mỗi module PV là giới hạn và tương đối thấp Để đạt đƣợc mức công suất lớn, các modul PV đƣợc liên kết theo dạng SPC tạo thành mảng trong một hệ thống Nó cũng không có sự thay đổi về hình dáng đặc tuyến tổng thể so với dạng đặc tuyến của một modul trong điều kiện này Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của hệ thống gồm Ns các modul liên kết với nhau trong một chuỗi và Np các chuỗi liên kết song song với nhau đƣợc cho trong biểu thức 4.2 [60]

Hình 4.4 Đặc tính I-V và P-V của các dạng liên kết trong môi trường đồng nhấtHình 4.4 giới thiệu các dạng đặc tuyến ra của các kiểu liên kết trong điều kiện môi trường đồng nhất Như vậy, trong điều kiện môi trường đồng nhất, mọi liên kết đều có chung dạng đặc tuyến đường cong nhưng khác nhau về trị số cực đại và chúng chỉ có một cực trị nên không cần những giải thuật quá phức tạp trong quá trình xác định điểm tối ƣu toàn cục GMPPT.

Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện không đồng nhất

Trong điều kiện tự nhiên, một nhà máy PV không tránh khỏi những thay đổi bức xạ trên các modul do PSC Khi đó, khả năng phát công suất của mỗi modul thay đổi phụ thuộc vào nhiệt độ bề mặt làm việc và bức xạ mặt trời Điều này dẫn đến mất đồng bộ về dòng điện, điện áp và công suất phát (hình 4.5) Nó cũng là nguyên nhân làm thay đổi hình dạng của các đường cong đặc tuyến tổng thể, làm xuất hiện nhiều MPP, gây khó khăn cho việc xác định chính xác điểm GMPP

Những phân tích ở trên cho thấy: Mặc dù PC có số lƣợng cực trị ít nhất, nó có thể giúp việc GMPPT dễ dàng hơn nhƣng với áp ra thấp gây khó khăn cho việc thiết kế các mạch DC-DC công suất lớn Hơn nữa, kiểu liên kết này có dòng ra lớn đòi hỏi các khóa điều khiển an toàn hơn Đây là nguyên nhân dẫn đến tổn thất công suất đáng kể trên chúng Sơ đồ SPC bao gồm nhiều chuỗi nối tiếp mắc song song với nhau Do đó, số đỉnh cực trị của nó tương đương số cực trị lớn nhất trong một chuỗi nối tiếp với cùng số lƣợng module Trong sơ đồ này, giá trị điện áp ra của hệ thống bằng mức điện áp trên các chuỗi nối tiếp trong khi đó dòng điện ra bằng tổng các dòng qua từng chuỗi Vì thế nó luôn có giá trị trong khoảng giữa so với hai loại sơ đồ liên kết cơ ản nhƣ đã phân tích ở trên

Hình 4.5 Đặc tính V-I, P-I khi thay đổi ức xạTrong khi đó, SC có ƣu điểm là áp ra lớn và dòng điện nhỏ sẽ an toàn hơn khi thiết kế mạch DC-DC nhƣng lại có bất lợi do tạo nhiều MPP và tổn thất công suất khi dùng bypass-diode để bảo vệ Tóm lại: môi trường vận hành không đồng nhất làm gia tăng số lƣợng MPP trên tất cả các kiểu liên kết nên những thuật toán đơn giản dễ bẫy vào LMPP khiến cho hiệu suất phát điện không cao Ngoài ra, tốc độ GMPPT của các giải pháp trước đây cũng là một nhược điểm khi vận hành hệ thống nguồn Pin mặt trời trong điều kiện PSC [4], [13], [14].

C ấ u trúc liên k ết đề xu ấ t

Từ phân tích trên cho thấy cần có một giải pháp GMPPT để đạt đƣợc hiệu suất cao, tốc độ hội tụ nhanh hơn Các giải thuật tối ƣu gần đây có khả năng GMPPT khá hiệu quả trong mọi điều kiện vận hành nhƣng cần nhiều vòng lặp nên tốc độ hội tụ chậm Điều này có thể khiến hệ thống không kịp đáp ứng khi PSC xảy ra nhanh Hơn nữa, khi mức độ bức xạ trong hệ thống chênh lệch nhiều có thể dẫn đến việc bỏ qua công suất của các module nhận đƣợc ít năng lƣợng nhất Trong khi đó, các cấu trúc truyền thống tuy có đơn giản nhƣng chỉ hiệu quả trong môi trường vận hành đồng nhất, nghĩa là đặc tuyến tương đương với một modul PV độc lập Một bất lợi nữa là chúng dễ rơi vào ẫy cực trị địa phương trong điều kiện đa cực trị Do đó hiệu suất của hệ thống sụt giảm và gia tăng thời gian hội tụ Điều này phụ thuộc vào việc chọn giá trị khởi động I0 cho giải thuật

Vấn đềnày đƣợc mô tả trong hình 4.6 với ba module nối tiếp

Hình 4.6 Đặc tuyến P-I của module PV trong các điều kiện khác nhau

Nếu chọn giá trị khởi động I0 nhỏ để đảm bảo lấy đƣợc công suất của tất cả các module nghĩa là sẽ bỏ qua công suất tối đa của những module có bức xạ lớn Hơn nữa, với giá trị khởi động thấp khiến gia tăng thời gian tìm kiếm do trải qua nhiều ước lặp để đạt hiệu suất cao Trong trường hợp này, muốn tăng tốc độ hội tụ bằng cách gia tăng khoảng cách giữa các ƣớc lặp thì hiệu suất MPPT lại thấp Ngƣợc lại, với giá trị khởi động I0 lớn sẽ bỏ qua công suất của các module nhận được ít năng lượng hơn Vì thế, cả hai trường hợp đều dẫn tới khả năng tổn thất công suất lớn, tính hiệu quả không cao Từ những phân tích trên cho thấy; để tăng tốc độ hội tụ và hiệu suất GMPPT cần đơn giản hóa các đường cong đặc tuyến về dạng tối giản sao cho nó chỉ có một cực trị trong mọi điều kiện vận hành Điều này đồng nghĩa với việc giải thuật tìm kiếm chỉ hoạt động trong môi trường một cực trị Để thực hiện mục tiêu này, một cấu trúc DC-DC đa tầng có sơ đồ nhƣ hình 4.7 đƣợc ứng dụng, cấu trúc đề xuất này phù hợp với cấu hình mạch DC-DC đã đề xuất thiết kế ở chương 3 khi có nhiều nguồn vào Khi đó, một giải thuật MPPT cũng cần đƣợc đề xuất thực hiện cho phù hợp với cấu hình liên kết này

Hình 4.7 Cấu trúc liên kết ộ iến đổi DC-DC

Bảng 4.1 Các trường hợp mô phỏng

TT Bức xạ/module PV 1 -PV 2 -PV 3 (%) P Total (W)

Xây d ự ng gi ả i thu ật xác định điể m công su ấ t c ực đạ i

4.5.1 Phương ph áp t ối ư bầy đàn PSO

Phương pháp tối ưu ầy đàn (PSO) là một dạng của các thuật toán tiến hóa quần thể đã được biết đến trước đây như thuật toán di truyền (Genetic algorithm (GA)), thuật toán đàn kiến (Ant colony algorithm) Tuy vậy PSO khác với GA ở chỗ nó thiên về sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá không gian tìm kiếm PSO là kết quả của sự mô hình hóa việc đàn chim ay đi tìm kiếm thức ăn cho nên nó thường được xếp vào các loại thuật toán có sử dụng trí tuệ bầy đàn PSO khác với các phương pháp tối ưu khác ở các điểm sau: PSO sử dụng sự tương tác giữa các cá thể trong một quần thể để khám phá không gian tìm kiếm;

PSO tìm kiếm từ một số điểm trong không gian n chiều chứ không phải từ một điểm; PSO sử dụng các thông tin về hàm mục tiêu chứ không phải đạo hàm hay những đại lƣợng phụ khác;

PSO sử dụng các luật chuyển đổi theo xác suất, chứ không phải các luật chuyển đổi tiền định;

PSO đòi hỏi một tập hợp các thông số tự nhiên của bài toán tối ƣu để tìm ra điểm tối ƣu trong không gian tìm kiếm

PSO đƣợc khởi tạo bằng một nhóm cá thể ngẫu nhiên và sau đó tìm nghiệm tối ƣu ằng cách cập nhật các thế hệ Trong mỗi thế hệ, mỗi cá thểđƣợc cập nhật theo hai vị trí tốt nhất Giá trị thứ nhất là vị trí tốt nhất mà nó đã từng đạt đƣợc cho tới thời điểm hiện tại, gọi là Pbest Một nghiệm tối ƣu khác mà cá thể này bám theo là nghiệm tối ƣu toàn cục Gbest, đó là vị trí tốt nhất trong tất cả quá trình tìm kiếm từ trước tới thời điểm hiện tại Nói cách khác, mỗi cá thể trong quần thể cập nhật vị trí của nó theo vị trí tốt nhất của nó và của cả quần thể tính tới thời điểm hiện tại Khi dàn pin PV bị bóng che một phần đường cong đặc tính đầu ra của dàn pin PV sẽ xuất hiện nhiều điểm cực trị và nhiều vùng biến thiên khác nhau Các điểm cực trị và các vùng này biến thiên một cách ngẫu nhiên theo vị trí của bóng che, luận án sử dụng thuật toán PSO thực hiện MPPT của dàn pin PV là rất hiệu quả

Trong PSO, mỗi cá thểđƣợc đặc trƣng ởi thông số vịtrí “xi” và tốc độ “vi”

Do đó, vị trí sau mỗi lần tìm kiếm bị thay đổi và phụ thuộc vào tốc độ cũng nhƣ vịtrí trước đó theo iểu thức (4.3): xi k+1 = xi k + vi k+1 (4.3) Trong quá trình tìm kiếm luôn tồn tại những vị trí tốt nhất mà mỗi cá thểđã xác định Pbest,i và vị trí tốt nhất của đám đông Gbest,i Do đó, tốc độ của mỗi cá thể bị ảnh hưởng bởi đám đông và được xác định theo biểu thức (4.4) vi k+1 = wivi k + c1r1(Pbest,i– xi k) + c2r2(Gbest– xi k) (4.4) Trong đó: c 1 , c 2 là các hằng số gia tốc cá thể và xã hội r1, r2 là hai số ngẫu nhiên phân bốđiều trong khoảng [0,1] k: số lần lặp wi: trọng sốquán tính xác định theo (4.5)

 (4.5) k: số lần lặp k max : số lần lặp tối đa Để áp dụng PSO vào việc dò tìm GMPPT thì x = D và v = D, với D đƣợc phân bố đều từ [0,2 ÷ 0,8] trong giới hạn điều khiển của mạch Boost Lưu đồ giải thuật PSO đƣợc trình bày ở hình 4.10 có các tham số thuộc tính nhƣ trong ảng 4.2 dùng để xác định tỷ số D tốt nhất cho cá thể (Pbest) và toàn cục (Gbest) dựa vào điều kiện hội tụ của hàm mục tiêu (4.6)

P (di k) ≥ P (di k−1) (4.6) Bảng 4.2 Thuộc tính PSO

Số lần lặp cực đại (kmax) 100 Hằng số gia tốc c1, c2 0,1; 0,5

Trọng số quán tính wi 0,07

Mặc dù giảm w, c1, c2 có thể làm tăng thời gian xử lý nhƣng cùng với việc giới hạn độ rộng xung |△D| ≤ D0 (D0 = 0,15 – để đảm bảo không bỏ qua bất cứ điểm cực trị nào) và phân bố vị trí cho các cá thể D ∈[0,2÷0,8] để mọi điểm trên đặc tuyến P-V đều đƣợc xem xét sẽ tránh đƣợc LMPP khi ƣớc nhảy không quá lớn, gia tăng xác suất tìm đƣợc GMPPT Hơn nữa, việc chủ động dừng lấy mẫu khi hai thông số dòng điện và điện áp đạt các sai số giới hạn là sự cải tiến bộ lọc giúp tăng tốc độ hội tụ, thể hiện ưu điểm nổi bật so với các giải pháp trước đây.

(4.7) Để đánh giá tính khách quan về hiệu quả của PSO đã đề xuất, phương pháp P&O đƣợc dùng để mô phỏng nhằm so sánh kết quả thu đƣợc trong cùng điều kiện vận hành P&O là giải thuật truyền thống có ƣu điểm: chi phí thấp, thực hiện đơn giản, ít bảo trì và giám sát

Giảm V ref Tăng V ref Giảm V ref Tăng V ref

Lưu đồ giải thuật P&O được trình bày trong Hình 4.8 Bộđiều khiển MPPT sẽđo các giá trịdòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:

- Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trịđiện áp tham chiếu Vref

- Nếu ∆P ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref

Sau đó 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

Nhƣ đã đề cập ở trên, điện năng tạo ra của một modul PV phụ thuộc vào dòng điện và điện áp hoạt động của nó Trên đặc tuyến V-I và P-V của PV tồn tại duy nhất một điểm mà ởđó công suất phát đạt cực đại, điểm này thay đổi phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ môi trường Nhiệm vụ của bộMPPT là xác định và duy trì chếđộ làm việc hiệu quả nhất Tuy nhiên, công suất đạt đƣợc bịdao động lớn và dễ rơi vào cực trị địa phương (LMPP) khi ức xạ của các module không đồng đều Giải thuật P&O là một giải thuật đã đƣợc công nhận, Luận án sẽ sử dụng giải thuật trên để đối chiếu, đánh giá hiệu quả của phương pháp đề xuất

Trong chương này, Luận án đã đề xuất một giải thuật mới, có xét đến giới hạn độ rộng xung D và phân bố hợp lý các tham số điều khiển để xác định GMPPT trong điều kiện bức xạ thay đổi khi bị bóng che, khắc phục đƣợc những hạn chế đối với cấu trúc truyền thống đã nói đến ở chương 2 Tính hiệu quả của giải thuật đề xuất đƣợc kiểm chứng với P&O truyền thống và các giải thuật tối ƣu khác Giải thuật đề xuất trình bày trong hình 4.10 gồm hai phần:

- Giới hạn phạm vi tìm kiếm thông qua xác định giá trị khởi tạo tối ưu:

 Bước 1: kiểm tra các điểm trên đường cong đặc tuyến I-P Bằng việc thiết lập hệ số D[i] ngẫu nhiên trong phạm vi tìm kiếm Các giá trị công suất phát tương ứng sẽ tính được thông qua hai giá trị V[i] và I[i] Số lượng D[i] trong nội dung nghiên cứu này được chọn bằng 4 tương ứng với 4 giá trị công suất đầu ra đƣợc xác định làm cơ sởcho ƣớc tiếp theo

 Bước 2: xác định phạm vi tìm kiếm MPP Ngay khi có đủ lượng mẫu P[i] trong ƣớc 1, thực hiện phép so sánh để tìm ra giá trị công suất lớn nhất Nó đƣợc chọn làm công suất tham chiếu cho vòng lặp tiếp theo nhằm giảm ƣớc lặp so với việc thiết lập giá trị này từ 0 nhƣ cách truyền thống Bên cạnh đó, giá trị dòng điện và tỷ số đóng điện của nó cũng đƣợc chọn làm giá trị tham chiếu và khởi tạo cho vòng lặp tiếp theo khi thay đổi một lượng D tương ứng ở các ước lặp

- Nguyên lý xác định GMPPT:

 Bước 3: xác định độ sai lệch công suất P và dòng điện I Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị V(n), I(n) sau đó tính sai số công suất và dòng điện so với giá trị tham chiếu ở ước trước

 Bước 4: kiểm tra hội tụ của giải thuật Nếu sai số công suất nhỏ hơn giá trị cho phép thì giải thuật không thay đổi giá trị tham chiếu ởcác ƣớc sau đó Ngƣợc lại, nếu có sự khác biệt sẽ tiến hành kiểm tra điều chỉnh theo nguyên tắc: o Nếu P.I > 0 thì tăng giá trị dòng điện tham chiếu Iref o Nếu P.I < 0 thì giảm giá trịdòng điện tham chiếu Iref

Sau khi thay đổi giá trị dòng điện sẽ cập nhật lại giá trị tham chiếu và thực hiện các phép đo cho những chu kỳ tiếp theo Để kiểm tra hiệu quả của giải thuật đề xuất, hệ thống nguồn Pin mặt trời đƣợc thiết lập ở ba cấu hình khác nhau vận hành trong các điều kiện cho ở bảng 4.1 và kết quả sẽ đƣợc so sánh với giải thuật P&O: i) Các module hoạt động độc lập để xác định công suất tổng cực đại mà nó có thể cung cấp (P total ) ii) Mắc nối tiếp và sử dụng bypass-diode để bảo vệ trong những trường hợp bóng che một phần (PSC); iii) Liên kết theo cấu hình đƣợc đề xuất để MPPT hệ thống (Pmppt)

Hình 4.9 Nguyên lý cấu hình đề xuất

K ế t lu ận chương 4

Chương này đã đề xuất một giải pháp GMPPT hai giai đoạn xử lý bao gồm: giới hạn phạm vi tiềm năng tìm kiếm và cải tiến phương pháp MPPT truyền thống để nâng cao hiệu suất và tốc độ hội tụ Các kết quả thu đƣợc đã chứng minh giải pháp có thể đạt hiệu suất 100% với thời gian nhanh nhất là 0.0051s

Nó cũng cho thấy, chỉ cần giới hạn phạm vi tìm kiếm chính xác thì không cần dùng những giải thuật phức tạp vẫn có thể nâng cao hiệu quả phát điện của hệ thống với chi phí hợp lý

Những kết quả mô phỏng đạt đƣợc thể hiện ƣu điểm vƣợt trội của giải pháp so với việc dùng bypass-diode Nó không những giúp cho việc nâng cao hiệu quả khai thác nguồn điện mặt trời mà còn giảm thiểu chi phí vận hành do có cấu trúc đơn giản, vận hành ổn định trong mọi điều kiện môi trường Tóm lại, đây là một giải pháp cải tiến MPPT tin cậy giúp hệ thống nguồn Pin mặt trời vận hành ổn định và phát huy hiệu quả trong môi trường vận hành không đồng nhất - một hiện tƣợng phổ biến trong vận hành thực tế của hệ thống nguồn Pin mặt trời

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

- Có nhiều yếu tố tác động đến hiệu quả làm việc của bộ biến đổi tăng áp DC-DC và cho thấy hiệu suất khâu tăng áp DC-DC phụ thuộc nhiều vào tần số đóng cắt và độ rộng xung điều chế Việc tăng độ rộng xung sẽ làm giảm hiệu suất của hệ thống Tần số đóng cắt cũng cần đƣợc lựa chọn hợp lý, nếu giá trị này quá lớn sẽ làm gia tăng tổn thất công suất các mạch bảo vệ IGBT và công suất ON/OFF van sẽ tăng lên, dẫn tới hậu quả là hiệu suất mạch suy giảm Tuy nhiên nếu tần số đóng cắt không đủ lớn thì chất lƣợng điện áp DC trong mạch sẽ không cao Do vậy quá trình thiết kế cần lựa chọn tần số xung ăm áp và phạm vi điều chỉnh độ rộng xung một cách hợp lý để hệ đạt hiệu suất cao Luận án đã phân tích và làm rõ mối quan hệ này làm cơ sở để đề xuất một cấu trúc một mạch tăng áp DC-DC mới

- Trên cơ sở phân tích mối quan hệ giữa hiệu suất mạch DC-DC với độ rộng xung, tần số đóng cắt, Luận án đã đề xuất một cấu trúc DC-DC mới có hiệu suất cao, làm việc ổn định Cũng trên cơ sở mạch DC-DC đề xuất, Luận án đã thiết lập và xây dựng mối quan hệđiện áp và tổn thất công suất trong mạch có xét đến độ rộng xung điều chế, tần số đóng cắt và điện trở trên các phần tử, linh kiện

Cấu trúc DC-DC mới này, kết quả ở tần số đóng cắt 15kHz, mô phỏng và thực nghiệm cho thấy mạch làm việc ổn định, hiệu suất mạch lần lƣợt đạt giá trị tối đa 97,05% và 95,1%

Luận án cũng đã đề xuất một phương pháp xác định điểm công suất toàn cục cho một dãy cấu trúc liên kết bộ tăng áp DC-DC trong điều kiện bóng che một phần có hiệu quả và có tính khả thi cao Thuật toán đã đảm bảo đƣợc tốc độ hội tụ và hiệu suất GMPPT được đơn giản hóa các đường cong đặc tuyến về dạng tối giản, chỉ có một cực trị trong mọi điều kiện vận hành Điều này đồng nghĩa với việc giải thuật tìm kiếm chỉ hoạt động trong môi trường một cực trị

Luận án đã hoàn thành với một số kết quả chủ yếu đóng góp về mặt khoa học nhƣ sau:

- Phân tích đánh giá được ảnh hưởng điều kiện thời tiết môi trường xung quanh đến hiệu quả phát công suất của hệ thống pin mặt trời (PV) Cũng nhƣ xác định đƣợc mối quan hệ phụ thuộc giữa độ rộng xung điều chế với tần sốđóng cắt mạch đến hiệu suất của bộ biến đổi

- Đề xuất đƣợc cấu trúc và thiết kế chế tạo mô hình thực nghiệm bộ biến đổi tăng áp DC-DC mới cho hệ PV dựa trên mối quan hệ tổn thất công suất trong mạch tăng áp DC-DC với thông số mạch và thông sốđiều khiển Cấu trúc DC-DC đề xuất có hiệu suất cao, dễđiều khiển và hoạt động ổn định

- Xây dựng đƣợc cấu trúc liên kết mạch DC-DC và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho bài toán kết nối các bộ tăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất nhằm mục đích tăng tốc độ xử lý, tính toán nhanh hơn, đáp ứng quá độ tốt hơn.

Kiến nghị vềhướng nghiên cứu tiếp theo:

- Việc cải tiến mạch DC-DC và thực nghiệm với tải hỗn hợp sẽ đƣợc Luận án tiếp tục thực hiện trong thời gian tới nhằm kiểm nghiệm một cách khách quan hơn nữa đối với hiệu quả của mạch DC-DC cải tiến này Đồng thời tiếp tục nghiên cứu cải thiện hiệu suất của bộ biến đổi

- Việc tích hợp bộ nghịch lưu DC-AC theo hướng giảm tổn thất năng lượng, nâng cao chất lƣợng dạng sóng điện áp, dòng điện đầu ra của bộ DC-AC sẽ là một hướng mà NCS sẽ tiếp tục mở rộng, phát triển để có những kết quả nghiên cứu tốt hơn cùng với việc việc cải tiến cấu hình mạch DC-DC, cải thiện chất lƣợng điện năng đầu ra của bộ DC-AC

- Nâng cao quy mô công suất của nguồn Pin mặt trời đối với các bộ biến đổi phân tán cũng sẽ được tiếp tục nghiên cứu, bởi trong tương lai, quy mô nguồn điện này sẽ ngày càng lớn, bộ biến đổi dạng phân tán sẽ ngày càng có công suất lớn hơn, trong khi yêu cầu về chất lƣợng điện năng của phụ tải ngày càng cao

CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

1 Nguyen Duc Minh, Bui Van Huy, Ngo Thi Quan, Nguyen Quang Ninh , Trinh Trong Chuong, “Research and design of grid-connected inverter in photovoltaic system with SVPWM Technique.” International Journal of Engineering Technologies and Management Research, 6(11), 18-31 DOI: 10.5281/zenodo.3563050

2 Nguyen Duc Minh, Quach Duc-Cuong, Nguyen Quang Ninh, Y Nhu Do, and Trinh Trong Chuong, “Design and Evaluation of the Grid-Connected Solar Power System at the Stage of DC BUS with Optimization of Modulation Frequency for Performance Improvement” 6th EAI International Conference, INISCOM 2020 Hanoi, Vietnam, August 27–28, 2020 Proceedings (Scopus)

3 Xuan Cuong Ngo, Thi Hong Nguyen, Nhu Y Do, Duc Minh Nguyen, Dai-Viet

Tiêu đề	Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời
Tác giả	Nguyễn Đức Minh
Người hướng dẫn	PGS.TS Đỗ Như Ý, PGS.TS Trịnh Trọng Chưởng
Trường học	Trường Đại học Mỏ - Địa chất
Chuyên ngành	Kỹ thuật điện
Thể loại	Luận án Tiến sĩ
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	157
Dung lượng	4,85 MB