Thuật Toán Bắt Điểm Cực Đại Công Suất Của Pin Quang Điện

THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CỰC ĐẠI CƠNG SUẤT CỦA PIN QUANG ĐIỆN Đặt vấn đề Các nguồn điện truyền thống nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, … phải đối mặt với nhiều vấn đề khó khăn cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch , tác động tiêu cực đến môi trường, vv Điều dẫn đến nguy thiếu hụt nguồn lượng điện đáp ứng nhu cầu tiêu thụ phụ tải ngày tăng nhu cầu phát triển kinh tế đất nước.Khi nguồn lượng tái tạo trở thành giải pháp hữu hiệu tình hình nguồn lượng mặt trời – nguồn lượng vô tận khai thác pin quang điện, sử dụng phổ biến rộng rãi Tuy nhiên hiệu suất chuyển đổi Pin mặt trời thương mại hóa phổ biến khoảng 17% bị chịu ảnh hưởng yếu tố ngẫu nhiên thời tiết, mơi trường,…Vì để cải thiện hiệu suất làm việc pin lượng mặt trời cần có biến đổi điện tử cơng suất tích hợp phương pháp điều khiển bắt công suất cực đại MPPT( Maximun power point tracking) Các đặc trưng pin quang điện 3.1 Sơ đồ tương đương Khi chiếu sáng, ta nối bán dẫn p n tiếp xúc p-n dây dẫn, pin mặt Trời phát dịng quang điện Iph Vì trước hết pin mặt Trời xem tương đương “nguồn dòng” Lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có tính chất chỉnh lưu tương đương diode.Tuy nhiên, phân cực ngược, điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên có dịng điện gọi dòng dò Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc p-n người ta đưa vào đại lượng điện trở Rsh (shun) Khi dòng quang điện chạy mạch, phải qua lớp bán dẫn p n, điện cực, tiếp xúc,… Đặc trưng cho tổng điện trở lớp điện trở shun Rs nối tiếp mạch (có thể điện trở pin mặt Trời) Như vậy, pin mặt Trời chiếu sáng có sơ đồ tương đương sau: Từ sơ đồ tương đương, dễ dàng viết phương trình đặc trưng Volt – Ampere pin mặt trời sau: Thông thường điện trở sơn Rsh lớn bỏ qua số hạng cuối biểu thức Đường đặc trưng sáng V-A pin mặt trời cho biểu thức có dạng đường cong hình: 3.2 Điểm cơng suất cực đại Xét đường đặc tính V-A pin mặt Trời cường độ xạ cho trước nhiệt độ xác định Nếu cực pin mặt trời nối với tải tiêu thụ điện R điểm cắt đường đăc tính V-A pin mặt Trời đường đặc trưng tải tọa độ OIV điểm làm việc pin mặt Trời Nếu tải tiêu thụ điện pin mặt Trời tải điện trở Ohm thuần, đường đặc trưng tải đường thẳng qua gốc tọa độ có độ nghiêng α trục OV tgα = 1/R Trong tọa độ OIV, công suất pin mặt Trời cấp cho tải R diện tích hình chữ nhật giới hạn hoành độ tung độ điểm làm việc Với giá trị R khác nhau, điểm làm việc khác tải tiêu thụ khác Tồn giá trị R=ROPT mà cơng suất tải tiêu thụ cực đại Điểm làm việc ứng với công suất cực đại, điểm A hình, điểm tiếp xúc đường đặc tính VA pin mặt Trời đường công suất không đổi (đường công suất không đổi IV = const đường hypecbol) Ta thấy pin mặt Trời làm việc có hiệu tải tiêu thụ điện có giá trị lân cận ROPT Điều lúc dễ dàng đạt điểm làm việc máy tiêu thụ điện thay đổi Ngoài xạ mặt Trời nhiệt độ môi trường thay đổi liên tục theo thời gian, nên đường đặc tính V-A pin mặt Trời thay đổi làm dịch chuyển điểm làm việc khỏi điểm làm việc tối ưu Định nghĩa nguyên tắc 2.1.Bộ biến đổi DC-DC 2.1.1 Tính cần thiết DC-DC Khi PV mắc trực tiếp vào tải, điểm làm việc PV giao đường đặc tính V-A tải PV Giả sử tải trở đường đặc tính tải đường thẳng với độ dốc 1/Rload Vmpp cơng suất phát đạt giá trị max, nhiên Impp thực tế ta thay đổi trực tiếp tải kiểm sốt hồn tồn đặc tính PV điều kiện xác định Để giải ta cần biến đổi DC-DC mắc PV tải Bộ DC-DC sử dụng rộng rãi nguồn điện chiều với mục đích biến đổi nguồn điện chiều không ổn định thành nguồn điện chiều điều khiển Ta thấy Rload = Ropt = Các biến đổi DC-DC thường dùng PV: + Mạch Buck: Vout = Vin.D + Mạch Boost: Vout = Vin 1−D +Mạch Buck-Boost: Vout = Vin D 1−D D hệ số chỉnh định, D = Ton T 2.1.2 Nguyên lí cân tải Như nói trên, PV mắc trực tiếp với tải, điểm làm việc PC đặc tính tải xác định Điện trở tải xác định sau: V Rtải = out I out Tải lớn PV xác định sau: V MPP Rtối ưu = I MPP Khi giá trị Rtải =Rtốiưu cơng suất truyền từ PV cực đại Tuy nhiên điều không khớp với thực tế ta khó điều chỉnh trực tiếp giá trị tải Khi ta cần sử dụng đến chuyển đổi DC-DC thích hợp Ví dụ việc sử dụng mạch Boost: V ¿ =(1−D) V out Giả sử mạch chuyển đổi lý tưởng, công suất trung bình nguồn cung cấp phải cơng suất trung bình tải sử dụng: P¿ =Pout I out V ¿ ⟺ = =1−D I ¿ V out I I ¿ = out ⟺ 1−D V ¿ =( 1−D ) V out V V out R¿ = ¿ =(1−D) =(1−D) Rtải Suy ra: I¿ I out Từ công thức ta thấy cách điều chỉnh giá trị D, giá trị Rin điều chỉnh giá trị phù hợp với Rtối ưu mà không cần điều chỉnh trực tiếp Rtải * Nhận xét: Như nguyên tắc điều khiển điện áp biến đổi cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng biến đổi hệ tùy thuộc vào nhu câu mục đích sử dụng Để điều khiển tần số đóng mở khóa K để hệ đạt điểm làm việc tối ưu ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có cơng suất lớn ( MPPT) nói đến phần sau 2.3 Định nghĩa MPPT Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) phương pháp dị tìm điểm làm việc tối ưu hệ thống PV thơng qua việc đóng mở van linh kiện bán dẫn chuyển đổi theo thời gian từ thu nhận giá trị công suất lớn đầu hệ thống Điểm làm việc với công suất tối ưu gọi điểm công suất cực đại MPP (Maximum Power Point) Hai phương pháp dị tìm điểm công suất cực đại phổ biến phương pháp nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) phương pháp điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance)s 2.3.1.Nguyên tắc Từ cơng thức R¿ =(1−D)2 Rtải ta có ( D trường hợp sử dụng mạch Boost) Ta thấy D tăng Rin giảm, từ điện áp làm việc PV dịch sang bên trái (giảm) ngược lại Thuật toán MPPT định việc điều chỉnh hệ số chỉnh định D biến đổi DC/DC dựa nguyên lý cân tải trình bày mục trước 2.3.2 PP P&O P&O phương pháp tương đối đơn giản sử dụng thơng dụng Thuật tốn xem xét tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Nếu biến thiên điện áp làm cơng suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm cơng suất giảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có cơng suất lớn xác định đường cong đặc tính P-V biến thiên điện áp dao động xung quanh điểm làm việc có cơng suất lớn (điểm MPP) Ưu điểm: pp đơn giản, cần cảm biến đo điện áp dòng điện, cho phép điều khiển xác điểm làm việc pin mặt trời… Nhược điểm: pp đo trực tiếp điện từ pin mặt trời nên cần thêm cảm biến đo dòng áp đầu để đề phịng trường hợp q áp, dịng tải, để sơ đồ hoạt động tốt cần tới cảm biến gây tốn chi phí lắp đặt 2.3.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC Thuật toán INC dựa thực tế sau: - Độ dốc đường cong công suất không điểm MPP - Độ dốc dương bên trái điểm MPP - Độ dốc âm bên phải điểm MPP Đặc tính P-V thuật tốn INC minh hoạ hình dP/dV = 0, MPP dP/dV > 0, bên trái MPP dP/dV < 0, bên phải MPP Vì: dP / dV = d(IV) / dV = I + V(dI / dV)  I V (I/ V) Nên ta viết lại là: - Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP phải di chuyển sang bên phải cách tăng điện áp PMT - Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP lại phải di chuyển sang bên trái tức phải giảm điện áp PMT - Khi điều kiện I/V = -I/V thỏa mãn (chính điểm MPP) thuật tốn bỏ qua việc điều chỉnh điện áp Ưu điểm: kiểm tra điều kiện môi trường Nếu điểm hoạt động điểm MPP (điều kiện ΔV = 0) điều kiện xạ không thay đổi (ΔI = 0) khơng phải điều chỉnh điện áp hoạt động Nếu xạ tăng (ΔI > 0) điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Nếu xạ giảm (ΔI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP Vào chu kỳ cuối, cập nhật lịch sử cách lưu giá trị điện áp dòng điện tại, sử dụng chúng giá trị trước cho chu kỳ Nhược điểm: giống pp P&O 2.4 Giới hạn MPPT - Giới hạn MPPT khơng tác động đến tín hiệu xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất: Nó khơng thể lúc tác động lên tín hiệu vào tín hiệu Vì vậy, hệ thống cần điện áp ổn định phải sử dụng đến ắc quy để trì điện áp ổn định -Việc xác định điểm làm việc có cơng suất tối ưu dừng lại tải tiêu thụ hết lượng công suất sinh ra: Đối với hệ PV làm việc độc lập có tải bị giới hạn dịng áp lớn phương pháp MPPT dịch chuyển điểm làm việc khỏi điểm MPP gây tổn hao công suất Với hệ này, việc xác định xác dung lượng tải quan trọng để tận dụng hết dung lượng pin mặt trời Ngược lại, hệ PV làm việc với lưới xác định điểm làm việc có cơng suất lớn thừa cơng suất hệ thống bơm vào lưới điện để tăng lợi nhuận Tuy nhiên, hiệu suất biến đổi DC/DC thực tế dùng MPPT không đạt 100% Hiệu suất tăng lên từ phương pháp MPPT lớn hệ thống pin mặt trời cần phải tính đến tổn hao cơng suất biến đổi DC/DC gây Cũng phải cân nhắc hiệu suất giá thành Việc phân tích tính kinh tế hệ thống pin mặt trời với hệ thống cung cấp điện khác việc tìm cách thức khác để nâng cao hiệu suất cho hệ thống pin mặt trời (chẳng hạn dùng máy theo dõi mặt trời) việc làm cần thiết Các yếu tố ảnh hưởng đến điểm làm việc PV 3.1 Nhiệt độ Điện áp hở mạch VOC hiệu điện đo mạch pin mặt trời hở (R=∞) Khi dịng mạch ngồi I = Đặt giá trị dịng mạch vào giả thiết Rsh lớn ta biểu thức xác định VOC sau: Trong biểu thức VOC ta thấy phụ thuộc vào nhiệt độ cách trực tiếp nên đường đặc tính VA PV phụ thuộc vào nhiệt độ Hình đặc tính volt-ampere đặc tính volt-power pin quang điện nhiệt độ khác 3.2 Cường độ sáng Dòng ngắn mạch Isc dòng điện mạch pin mặt Trời làm ngắn mạch (chập cực pin) Lúc hiệu điện mạch pin V = Đặt giá trị V = vào biểu thức (1.1) ta có: Ở điều kiện chiếu sáng bình thường (khơng có hội tụ) hiệu ứng điện trở nối tiếp Rs bỏ qua, Is= ta có: Isc = Iph = αE Trong E cường độ sáng, α hệ số tỉ lệ Như điều kiện bình thường, dịng ngắn mạch Isc pin mặt trời tỉ lệ thuận vào cường độ chiếu sáng nên đặc tính VA PV phụ thuộc vào cường độ chiếu sáng Hình đặc tính volt-ampere pin quang điện cường độ sáng khác