TỔNG QUAN
Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang gia tăng nhanh chóng do sự gia tăng dân số, trong khi các nguồn năng lượng truyền thống đang đối mặt với tình trạng thiếu hụt và tác động tiêu cực đến môi trường Do đó, năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời (NLMT), đã trở thành lựa chọn hàng đầu cho tương lai năng lượng NLMT không chỉ dồi dào và khả thi mà còn thân thiện với môi trường, giúp sản xuất năng lượng sạch Trong khi nhiên liệu hóa thạch đang giảm trữ lượng và gây ô nhiễm, các nguồn năng lượng tái tạo được công nhận là giải pháp bền vững hơn, góp phần bảo vệ môi trường và đảm bảo nguồn năng lượng cho thế hệ tương lai.
Các nhà máy điện truyền thống gây ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khoẻ con người do phát thải khí nhà kính Để hỗ trợ các nhà máy này trong giờ cao điểm, việc áp dụng các công nghệ năng lượng tái tạo trở nên quan trọng, góp phần đáp ứng nhu cầu năng lượng bền vững trong tương lai Vì vậy, việc tìm kiếm phương pháp thay thế cho thế hệ điện hiện tại là cần thiết để bảo vệ môi trường và sức khoẻ con người khỏi tác động của năng lượng truyền thống.
Tiềm năng năng lượng mặt trời ở thế giới và Việt Nam
Việc sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) để sản xuất điện, được biết đến như năng lượng tái tạo (NLTT), đã trở thành một hiện tượng phổ biến gần đây Các nền văn minh trong quá khứ đã tận dụng ánh sáng và nhiệt từ mặt trời cho các hoạt động hàng ngày Hiện nay, ánh sáng mặt trời chủ yếu được chuyển đổi thành điện thông qua các tế bào quang điện (PV), thường được lắp đặt thành các tấm hoặc dãy PV Hệ thống PV có thể hoạt động độc lập hoặc quy mô lớn dưới dạng trang trại NLMT, bao gồm các thành phần như tấm PV, bộ lưu điện và biến tần, có thể kết nối với lưới điện hoặc hoạt động độc lập Các hệ thống PV độc lập thường được lắp đặt trên mái nhà hoặc các tòa nhà, phục vụ cho chiếu sáng đường phố, bãi đậu xe và các ứng dụng sinh hoạt gia đình.
Hệ thống pin mặt trời vận hành độc lập được minh họa trong Hình 1.1, trong khi Hình 1.2 thể hiện cách thiết lập các tấm PV như một hệ thống kết nối lưới điện, thường được lắp đặt dưới dạng trang trại năng lượng mặt trời Mục đích của các trang trại năng lượng mặt trời là đáp ứng nhu cầu tải có công suất lớn và cung cấp điện năng ở quy mô lớn hơn cho lưới điện.
Hình 1 2 Trang trại gió kết nối lưới điện
Việc gia tăng sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) đã góp phần giảm tiêu thụ các nguồn năng lượng không tái tạo, dẫn đến dự đoán về sự gia tăng lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời (PV) Đến cuối năm 2015, tổng công suất lắp đặt toàn cầu của năng lượng mặt trời đạt 227 GW, theo báo cáo Renewables Global Status Report 2015.
Hình 1 3 Tổng sản lượng PV toàn cầu
Hình 1 4 Top 10 nước phát triển pin PV nhất thế giới đến 2015
Nhiều quốc gia đã xây dựng các trang trại NLMT để tạo ra điện năng rẻ và thay thế các nguồn không tái tạo
Nhu cầu năng lượng mặt trời (NLMT) đã chuyển từ các nước giàu sang các thị trường mới nổi trên toàn cầu, đặc biệt là ở các quốc gia đang phát triển, nơi điện năng cần thiết nhất Trong khi đó, các thị trường truyền thống lớn ở châu Âu đã giảm công suất lắp đặt vào năm 2015 Sự mở rộng này chủ yếu do sự cạnh tranh gia tăng giữa các nhà sản xuất tấm pin NLMT và các chương trình khuyến khích sử dụng năng lượng tái tạo từ chính phủ Bên cạnh đó, nhu cầu điện ngày càng cao và nhận thức về tiềm năng của năng lượng mặt trời cũng tăng lên khi các quốc gia nỗ lực giảm ô nhiễm và lượng phát thải CO2.
1.2.1 Tình hình sử dụng pin NLMT ngoài nước
Trên thế giới hiện đã xây dựng được các nhà máy NLMT công suất lớn Tiêu biểu có thể kể đến các dự án NLMT như sau:
1.2.1.1 Dự án Solar Star 579MW, California
Dự án Solar Star, với công suất 579MW, hiện là nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới, tọa lạc tại Kern và Los Angeles, California Nhà máy này có khả năng cung cấp điện cho 255.000 hộ dân trong khu vực Công trình bắt đầu xây dựng vào năm 2013 và hoàn thành vào tháng 6 năm 2015, chiếm diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California Để đạt được công suất ấn tượng này, Solar Star đã sử dụng 1.7 triệu module pin năng lượng mặt trời được chế tạo từ bán dẫn đơn tinh thể.
Công nghệ pin mặt trời của Solar Star đã giúp tiết giảm 570,000 tấn khí thải CO2 mỗi năm, tương đương với 108.000 xe hơi hoạt động Nhà máy sử dụng công nghệ Oasis Power Plant do Sun Power phát triển, cho phép các tấm pin năng lượng mặt trời theo dõi ánh sáng mặt trời suốt cả ngày, nâng hiệu suất thu năng lượng lên đến 25% BHE là chủ sở hữu của nhà máy điện mặt trời này và cung cấp điện cho Southern California Edison thông qua hợp đồng dài hạn.
1.2.1.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California
Trang trại năng lượng mặt trời Desert Sunlight, với công suất 550 MW, tọa lạc tại quận Riverside và Carrizo Plain, California Đây là kết quả hợp tác giữa tập đoàn GE và tập đoàn Sumitomo, có khả năng cung cấp năng lượng cho 160.000 hộ dân trong khu vực Việc xây dựng nhà máy đã giúp giảm thiểu gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 60.000 xe hơi hàng năm.
Dự án năng lượng mặt trời do First Solar xây dựng và vận hành, cung cấp 8 triệu module pin NLMT công nghệ cadmium telluride Nhà máy trải rộng trên diện tích 15,4 km vuông, với giai đoạn 1 khởi công vào tháng 9 năm 2011, đạt công suất 300 MW, và giai đoạn 2 hoàn thành vào năm 2015 với công suất 250 MW.
1.2.1.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Hình 1 7 Topaz Solar Farms 550 MW, California
Topaz Solar Farms là nhà máy điện năng lượng mặt trời (NLMT) có công suất 550 MW tại San Luis Obispo County, California, cung cấp năng lượng cho 160.000 hộ gia đình Dự án trị giá 2,5 tỷ USD do BHE Renewables sở hữu, giúp giảm thiểu 377.000 tấn CO2 mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 73.000 chiếc xe hơi Nhà máy sử dụng 9 triệu tấm pin mặt trời được lắp đặt nghiêng 25 độ để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mặt trời.
Nhà máy được khởi công xây dựng vào năm 2011 và hoàn thành vào năm 2014, với diện tích 24,6 km vuông Điện năng từ nhà máy được cung cấp cho công ty Pacific Gas and Electric thông qua một hợp đồng dài hạn 25 năm.
1.2.1.4 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Hình 1 8 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai
Longyangxia Dam Solar Park được đặt gần nhà máy thủy điện Longyangxia Dam trên lưu vực sông Hoàng Hà của Trung Quốc Con đập được hoàn thành năm
Vào năm 1992, dự án pin năng lượng mặt trời (NLMT) trải dài trên diện tích 9.6 km², thuộc nhà máy thủy điện và pin mặt trời lớn nhất thế giới Công ty China Power Investment đã khởi công xây dựng vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành sau 9 tháng, với công suất thiết kế đạt 320 MW.
Giai đoạn 2 của dự khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành vào năm
2015 với công suất thiết kế 530 MW Với kết quả này, dự án đã giảm thiểu được 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường mỗi năm
1.2.2 Tình hình sử dụng pin NLMT ở trong nước
Sự phát triển nhanh chóng của năng lượng mặt trời (NLMT) trên thế giới cũng được phản ánh tại Việt Nam, nơi việc sử dụng điện NLMT đang gia tăng nhờ vào sự hỗ trợ về giá cả và cơ chế của nhà nước cho năng lượng tái tạo Nhiều hệ thống NLMT đã được thi công và vận hành, trong khi các hệ thống NLMT cho hộ dân cũng đang phát triển rộng rãi trên toàn quốc Dưới đây là một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực này.
1.2.2.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân
Vào ngày 29/8/2015, dự án Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân do Công ty Cổ phần Đầu tư và Xây dựng Thiên Tân làm chủ đầu tư đã chính thức khởi công Nhà máy có công suất 19,2 MW và tổng mức đầu tư 800 tỉ đồng, được xây dựng trên diện tích 24 ha tại thôn Đạm Thủy, xã Đức Minh, huyện Mộ Đức, tỉnh Quảng Ngãi Dự án được triển khai bằng nguồn vốn vay trong nước và nước ngoài, với sự tư vấn của Công ty TNHH Full Advantage.
Nhà máy quang điện mặt trời Thiên Tân sử dụng công nghệ và thiết bị hiện đại, đạt hiệu suất cao và có tuổi thọ dự kiến trên 25 năm Công suất lắp đặt của nhà máy là 19,2 MW.
Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân, khi đi vào hoạt động, cung cấp hơn 28 triệu kWh điện mỗi năm cho hệ thống điện quốc gia, đồng thời tạo ra hàng chục việc làm cho người dân địa phương, đặc biệt là ở huyện Mộ Đức.
1.2.2.2 Nhà máy quang năng An Hội
Điểm công suất cực đại và tác động do bóng che của Pin NLMT
Tế bào năng lượng mặt trời, hay còn gọi là tế bào quang điện (PV), là thiết bị chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện năng Khi được kết nối, các tế bào quang điện tạo thành mô-đun, và việc kết nối nhiều mô-đun sẽ hình thành nên một mảng năng lượng mặt trời.
Mảng PV bao gồm nhiều mô đun được kết nối theo cấu trúc nối tiếp hoặc song song, với công suất đầu ra thay đổi tùy thuộc vào mức độ chiếu xạ trong ngày Mặc dù năng lượng mặt trời mang lại nhiều lợi ích, nhưng sự phát triển của nó vẫn gặp phải một số thách thức, chủ yếu là hiệu suất thấp và sự tồn tại của các điểm công suất cực đại địa phương Kỹ thuật theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) là một giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV, giúp hệ thống hoạt động với công suất tối đa Dù có nhiều phương pháp MPPT phổ biến để xác định công suất lớn nhất trong đường cong phi tuyến P-V dưới bức xạ liên tục, nhưng việc theo dõi MPP thực tế trong điều kiện bóng mờ có thể gặp khó khăn do sự xuất hiện của nhiều điểm công suất cực đại địa phương.
Mặc dù nguồn năng lượng quang điện (PV) đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi, nhưng vẫn tồn tại một số hạn chế khi giải quyết các đặc tính đầu ra phi tuyến, như sự thay đổi của mức bức xạ, bóng che, nhiệt độ và cấu hình mảng Khi các tấm pin PV không nhận được mức bức xạ đồng nhất, các đặc tính trở nên phức tạp hơn, đặc biệt trong điều kiện bóng che từng phần, dẫn đến giảm hiệu quả của các chương trình tìm điểm công suất cực đại hiện tại Sự khác biệt về chiếu sáng và nhiệt độ trong điều kiện bóng che tạo ra đặc tính I-V phi tuyến tính cho hệ thống PV, làm cho đặc điểm P-V trở nên phức tạp với nhiều đỉnh công suất cực đại khác nhau.
Nhiều nghiên cứu đã được thực hiện trên toàn cầu và tại Việt Nam về việc xác định điểm công suất cực đại (GMPPT) Cụ thể, TS H.C.Duy đã đề xuất một giải pháp mới dựa trên phương pháp tăng tổng dẫn cũ (INC), gọi là giải thuật INC cải tiến Giải thuật này không chỉ nâng cao tốc độ hội tụ của bộ điều khiển mà còn cải thiện khả năng đáp ứng trước sự biến đổi bất thường của bức xạ mặt trời.
PGS.TS Trương Việt Anh và Trần Quang Thọ đã đề xuất một thuật toán mới để tìm điểm công suất cực đại (MPPT) trong hệ thống pin mặt trời nối lưới 3 pha Phương pháp này giúp giảm thiểu sóng hài và đảm bảo đáp ứng động nhanh nhờ vào việc sử dụng bộ điều chỉnh điện áp MPPT có gia số biến thiên, đồng thời thích ứng hiệu quả với sự thay đổi của điều kiện thời tiết.
Trên thế giới Reset đường cong và quét chu kỳ, quét toàn bộ đường cong P-V
Phương pháp hai giai đoạn [47], [56], [60], [61]
Kỹ thuật dựa trên quan sát đặc tuyến P-V; I-V [62], [63]
Luận văn này trình bày một phương pháp mới để theo dõi điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) So với các kỹ thuật MPPT trước đây, phương pháp này có ưu điểm nổi bật trong việc dự đoán vị trí của GMPP và LMPP khi có hiện tượng bóng che từng phần Phương pháp mới cho phép xác định nhanh chóng GMPP và giảm thiểu mất năng lượng do quét mù Kết quả thử nghiệm cho thấy phương pháp đề xuất đảm bảo hội tụ với MPP toàn cục ngay cả trong điều kiện bóng che từng phần.
Mục tiêu luận văn
Qua phân tích tổng quan vấn đề bóng che một phần trong phần trên, luận văn đặt ra các mục tiêu sau:
− Đề xuất một phương pháp xác định điểm GMPP khi có hiện tượng bóng che từng phần, không đồng đều
− Thực hiện mô hình mô phỏng hệ thống PV để ghi nhận và đánh giá hiệu quả của giải thuật được đề xuất.
Nhiệm vụ luận văn
Dựa vào mục tiêu trong phần 1.4, để đạt được các yêu cầu này, luận văn đề ra các nhiệm cụ thể như sau:
− Nghiên cứu các tài liêu liên quan đến nguyên liệu, cấu tạo, nguyên lý hoạt động của các PV thông dụng hiện nay
− Thực hiện tìm kiếm tài liệu rộng rãi về mô hình hóa các tế bào PV
− Nghiên cứu tính phù hợp của một bộ mô hình PV được lựa chọn sử dụng các nghiên cứu mô phỏng (MATLAB)
− Xem xét các kỹ thuật hiện tại để điều tra hiệu ứng bóng che một phần
− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm MPP trong trường hợp dãy
PV bị bóng che một phần Xác định các ưu nhược điểm của từng phương pháp.
Phạm vi luận văn
Giải quyết vấn đề bóng che trong dãy pin năng lượng mặt trời là một phần quan trọng trong việc điều khiển các hệ thống pin NLMT, liên quan đến nhiều vấn đề và lĩnh vực khác nhau Để đảm bảo luận văn đạt được mục tiêu đề ra, nghiên cứu sẽ được thực hiện trong các phạm vi cụ thể.
− Nghiên cứu cấu trúc các pin NLMT thông dụng
− Nghiên cứu các phương trình toán về pin mặt trời thông dụng hiện nay
− Nghiên cứu các phương pháp xác định điểm GMPP đã được đề xuất hiện nay
Xây dựng mô hình MatLab nhằm ghi nhận kết quả và đánh giá hiệu quả của thuật toán được đề xuất, sử dụng các mô hình và công cụ hỗ trợ có sẵn trong MatLab.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tế bào quang điện
Pin mặt trời (PV) là thiết bị bán dẫn chuyển đổi năng lượng ánh sáng thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện Thành phần chính của hệ thống pin năng lượng mặt trời là tế bào PV, được làm từ các loại chất bán dẫn khác nhau Silicon (Si) là vật liệu bán dẫn phổ biến nhất, với một tế bào đơn thường bao gồm màng mỏng Si kết nối với các đầu cuối điện, pha tạp để tạo thành đường nối PN và được phủ lưới kim loại để tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.
Cấu trúc vật lý của một tế bào PV có thể thấy trong Hình 2.1 được mô tả như trong [26, 27]
Bức xạ mặt trời chứa các photon với mức năng lượng khác nhau, khi chiếu vào tế bào quang điện (PV) sẽ tạo ra sóng mang điện tích, từ đó hình thành dòng điện Các photon có năng lượng cao làm bật ra điện tích âm từ chất bán dẫn, tạo ra hai lớp vật chất tích điện trái dấu và sản sinh nguồn điện DC Ngược lại, photon có năng lượng thấp không tạo ra dòng điện Tốc độ phát điện của tấm bán dẫn phụ thuộc vào tần số ánh sáng và khả năng hấp thụ của chất bán dẫn, mà khả năng này lại chịu ảnh hưởng bởi năng lượng ngưỡng, nồng độ hạt mang điện và tốc độ kết hợp của chất bán dẫn.
2.1.1 Đặc tính của tế bào quang điện
Một tế bào PV hoạt động ở cường độ ánh sáng nhất định sẽ tạo ra điện áp V (V), dòng điện I (A) và công suất P (W), cho thấy hiệu suất và đặc tính của tế bào thông qua mối quan hệ giữa I-V (điện áp - dòng điện) và P-V (công suất - điện áp) Các đặc tính phi tuyến tính của tế bào PV cần được nghiên cứu và phân tích, đồng thời xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến chúng Theo nghiên cứu, hình 2.2 minh họa các đặc tính của một tế bào PV tiêu chuẩn, trong đó I SC là dòng ngắn mạch, V OC là điện áp hở, MPP là công suất cực đại, và I MP cùng V MP là dòng điện và điện áp tại MPP.
Tại điểm VOC, giá trị ISC bằng không, và tương tự, tại điểm ISC, giá trị VOC cũng bằng không, như đã phân tích trong nghiên cứu.
Hiệu suất của tế bào PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như vật liệu tế bào, nhiệt độ không khí, cường độ ánh sáng mặt trời, góc nghiêng và sự khác biệt trong chiếu xạ giữa các tế bào Trong đó, sự chiếu nắng và nhiệt độ là hai yếu tố quan trọng nhất; khi cường độ chiếu sáng tăng, đầu ra (I & V) cũng tăng, nhưng nhiệt độ cao lại làm giảm điện áp đầu ra Thời tiết mùa đông và độ cao có thể dẫn đến giá trị chiếu sáng thấp, và giống như các thiết bị điện tử khác, pin mặt trời hoạt động hiệu quả hơn khi được giữ mát.
2.1.2 Các tấm pin quang điện và các dãy pin quang điện
Các tấm pin mặt trời (PV) được tạo ra từ các tế bào PV thông qua việc kết nối chúng theo kiểu nối tiếp hoặc song song Một tế bào đơn giản, một tấm pin và một dãy pin có thể được minh họa như trong Hình 2.3.
Hình minh hoạ cho thấy tấm pin mặt trời (PV) được lắp ráp bằng cách kết nối các tế bào theo kiểu nối tiếp và song song Trong ví dụ này, sáu tấm PV được lắp ráp cũng theo cách đấu nối tương tự Các cấu hình này được thực hiện để đảm bảo điện áp và công suất đầu ra phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Khi các tế bào pin mặt trời (PV) được kết nối theo kiểu nối tiếp, tổng điện áp đầu ra sẽ là tổng của điện áp từ từng tế bào, dẫn đến việc tăng điện áp đầu ra, trong khi dòng điện vẫn giữ nguyên như của một tế bào đơn lẻ Ngược lại, khi các tế bào được kết nối song song, tổng dòng điện đầu ra là tổng của các dòng từ từng tế bào, làm tăng dòng điện đầu ra, trong khi điện áp đầu ra vẫn không đổi và bằng điện thế của một tế bào đơn lẻ.
2.1.3 Các loại tế bào quang điện
Hiện nay, có nhiều loại tế bào PV khác nhau, với sự khác biệt chủ yếu nằm ở vật liệu sản xuất Hiệu suất của pin mặt trời thường phụ thuộc vào loại vật liệu được sử dụng Silicon (Si) là vật liệu phổ biến nhất trong sản xuất tế bào PV Hiện tại, có bốn loại tế bào PV dựa trên silicon có sẵn trên thị trường, phù hợp cho nhiều ứng dụng khác nhau.
PV Si đơn tinh thể được sản xuất bằng cách trồng tinh thể Si từ tinh thể lỏng tinh khiết, mang lại hiệu suất từ 13-17% Loại tế bào này được xem là hiệu quả nhất trong ba loại chính và cũng là một trong những tế bào đắt đỏ nhất hiện nay.
PV Si đa tinh thể được sản xuất tương tự như tế bào mono-tinh thể, nhưng sử dụng quy trình đúc Khi làm mát, các tế bào này hình thành trong dạng đa tinh thể Hiệu suất của các tế bào này dao động từ 11-15%, và màu xanh đặc trưng của chúng là do lớp chống phản xạ được áp dụng.
PV Silicon vô định hình là loại tế bào gốc không chứa tinh thể Si và yêu cầu ít nguyên liệu trong sản xuất Các tế bào này thường được sử dụng cho các mục đích nhỏ và có hiệu suất thấp, chỉ đạt khoảng 6-8%.
Tế bào quang điện hybrid kết hợp hai công nghệ khác nhau, bao gồm tế bào đơn tinh thể được phủ bởi lớp silicon vô định hình Mặc dù chi phí sản xuất cao, nhưng thiết kế này cho phép tế bào hoạt động hiệu quả ở nhiệt độ cao, đạt hiệu suất trên 18%.
Hình 2.4, theo nghiên cứu [33], minh họa các vật liệu và loại tế bào khác nhau trong ngành công nghiệp năng lượng mặt trời (PV) hiện đại, cùng với hiệu suất đầu ra tương ứng Biểu đồ này cũng dự đoán rằng hiệu quả sẽ tiếp tục tăng cho đến năm 2015.
Hình 2 4 Hiệu suất hoạt động của các loại nguyên liệu PV khác nhau (Nguồn
Các ứng dụng chủ yếu của PV
Việc ứng dụng pin năng lượng mặt trời đã diễn ra trong nhiều năm, với những tiến bộ mới trong sản xuất pin được tích hợp vào các thiết bị tương thích, phục vụ hầu hết các hệ thống lắp đặt trên toàn cầu.
Vật liệu mới cho tế bào năng lượng mặt trời (PV) đã được giới thiệu, cùng với các kỹ thuật tiên tiến nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống PV Hiện nay, các hệ thống PV được lắp đặt trên mái nhà, trong các tòa nhà, và tại các trang trại năng lượng mặt trời kết nối lưới Chúng cũng được sử dụng trong các ứng dụng độc lập như đèn đường, nhà ở, buồng điện thoại, trạm sạc điện thoại di động, và các thiết bị nhỏ như quạt năng lượng mặt trời, đèn pin mặt trời, sạc pin và máy tính Với những cải tiến công nghệ trong tương lai, các ứng dụng của hệ thống PV có thể mở rộng bao gồm trang trại pin mặt trời trên mặt nước, xe không gian, ô tô và máy bay không người lái.
Chương này sẽ trình bày chi tiết các phương trình toán học liên quan đến các thành phần của hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT) Bên cạnh đó, các lưu đồ và thuật toán tính toán được đề cập trong luận văn cũng sẽ được thảo luận Nội dung cụ thể sẽ được trình bày rõ ràng trong phần dưới đây.
Pin NLMT và phương trình toán của pin NLMT
Hiện nay, pin năng lượng mặt trời chủ yếu sử dụng loại bán dẫn silicon với tiếp xúc p-n Để dễ dàng trong việc tính toán và thiết kế, một mạch điện tương đương đã được giới thiệu để thay thế cho pin mặt trời.
Mạch điện tương đương của pin mặt trời bao gồm các thành phần chính như dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh, và điện trở nối tiếp Rs Trong mạch này, dòng điện ngõ ra I và điện áp ngõ ra V được xác định, tạo nên sự hoạt động hiệu quả của pin mặt trời.
2.3.1 Phương trình tương đương của pin NLMT
Dựa trên mạch điện tương đương của pin năng lượng mặt trời như trong Hình 2.5, một phương trình toán học đã được phát triển để thể hiện mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp đầu ra của pin năng lượng mặt trời.
Iph: dòng quang điện (A) Is: dòng bão hòa (A) q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K TC: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Si-mono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
2.3.2 Các yếu tố ảnh hưởng đến pin NLMT
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của pin:
Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2 K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được sinh ra từ sự kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng, dòng bão hòa cũng tăng theo hàm mũ.
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
Năng lượng lỗ trống trong chất bán dẫn là yếu tố quan trọng trong hiệu suất của pin mặt trời lý tưởng, trong đó điện trở dòng rò Rsh được coi là vô cùng lớn (Rsh = ∞) và điện trở nối Rs bằng 0 (Rs = 0) Mạch điện tương đương của pin mặt trời được mô tả qua hình 2.6.
Hình 2 6 Mô hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:
Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
2.3.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT
Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V
Các pin mặt trời được kết nối theo dạng nối tiếp và song song để tạo ra công suất và điện áp tối ưu Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời bao gồm Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp, như được minh họa trong Hình 2.7.
Hình 2 7 Mô đun pin mặt trời Mạch điện Hình 2.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:
Pin mặt trời chuyển đổi bức xạ mặt trời thành năng lượng điện, nhưng một phần năng lượng này cũng chuyển hóa thành nhiệt, làm cho nhiệt độ vận hành của pin cao hơn nhiệt độ môi trường Nhiệt độ của pin có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT - Normal Operating Cell Temperature) trong các điều kiện khác nhau Đặc tuyến I-V của pin tương ứng với từng mức bức xạ cụ thể.
Hình 2 8 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Đặc tuyến P-V thay đổi không chỉ theo cường độ bức xạ mà còn theo nhiệt độ của pin, như thể hiện trong phương trình (2.6) Mối tương quan giữa nhiệt độ và các đường đặc tuyến I-V, P-V được minh họa qua Hình 2.10 và Hình 2.11.
Hình 2 10 Đường đặc tuyến I-V tại S00W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Điểm MPP trên đường đặc tuyến P-V tại S00W/m2 thay đổi theo điều kiện bức xạ và nhiệt độ, điều này cho thấy vị trí của nó không thể xác định trước Do đó, cần thiết phải có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, và thuật toán này đóng vai trò quan trọng trong bộ điều khiển MPPT.
Các thuật toán phổ biến xác định điểm công suất cực đại của pin mặt trời
Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như Hình 2.12
Hình 2 12 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV
2.4.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O
Trong thuật toán này, điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị ảnh hưởng bởi một gia số nhỏ ΔV, dẫn đến sự thay đổi công suất ΔP Sự thay đổi này đã được quan sát và trình bày bởi Sivagamasundari và Chaudhari trong các nghiên cứu [16, 17].
Hình 2.13 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
Khi điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0), cần tăng điện áp hoạt động để đưa điểm hoạt động đến điểm MPP.
Khi điểm hoạt động của hệ thống di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV > 0), cần tăng điện áp hoạt động để đưa điểm hoạt động tới điểm MPP.
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
− Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP
Hình 2 13 Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O Để thực hiện được nguyên tắc xác định điểm MPP, một lưu đồ thuật toán được đưa như trong Hình 2.14 như sau:
− Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
− Nếu ∆P ∆V > 0 thì tăng giá trị điện 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
Hình 2 14 Lưu đồ thuật toán P&O
2.4.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
Thuật toán INC, dựa trên độ dốc của đường cong công suất tại điểm MPP, đã được nghiên cứu và trình bày trong các tài liệu [25-28].
− Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP
− Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh hoạ trên Hình 2.15
− dP/dV > 0, ở bên trái MPP
− dP/dV < 0, ở bên phải MPP dP / dV=d(IV) / dV=I+V(dI / dV)≈I+V(ΔI /ΔV) nên ta có thể viết lại là :
Hình 2.15 trình bày đường đặc tính P-V và thuật toán INC, trong khi lưu đồ thuật toán ở Hình 2.16 giải thích cách hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu Các giá trị dòng điện và điện áp của hệ thống PV được đo và sử dụng để tính toán các giá trị gia tăng dựa trên các giá trị tức thời và giá trị trước đó.
∆I và ∆V Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình ở Hình 2.15
− Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT
− Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT
− Khi điều kiện ∆I/∆V = -I/V được thỏa mãn (chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp
Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này là phát hiện điều kiện môi trường Khi điểm hoạt động duy trì tại MPP (ΔV= 0) và bức xạ không thay đổi (ΔI = 0), điện áp hoạt động không cần điều chỉnh Nếu bức xạ tăng (ΔI > 0), điện áp MPP giảm, yêu cầu thuật toán INC tăng điện áp hoạt động để theo dõi MPP Ngược lại, khi bức xạ giảm (ΔI < 0), điện áp MPP cao hơn, cần giảm điện áp hoạt động Cuối chu kỳ, thuật toán sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu trữ giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sử dụng chúng làm giá trị tham chiếu cho chu kỳ tiếp theo.
Hình 2 16 Lưu đồ thuật toán INC
Hiện tượng bóng che một phần và các ảnh hưởng
Bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC) xảy ra khi ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đều trên các tấm pin quang điện, dẫn đến hiện tượng bất ổn và đặc tính I-V, P-V phức tạp Thông thường, hiện tượng này xuất hiện khi một số tế bào PV hoặc toàn bộ tấm pin bị che khuất bởi cây cối, mây, nhà cửa, phân chim, bụi, lá, nước hoặc do góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời Mặc dù bóng che hoàn toàn cũng gây ra vấn đề cho các hệ thống PV, nhưng ít được thảo luận hơn so với bóng che một phần, vì lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm pin PV trong trường hợp này vẫn đồng nhất.
Hình 2 17 Minh họa hiện tượng bóng che một phần
Các yếu tố như cây cối, tòa nhà và đám mây, như thể hiện trong Hình 2.17, là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng che bóng từng phần trong hệ thống PV Ngoài ra, các yếu tố khác không được hiển thị trong biểu đồ, bao gồm nhiệt độ, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly, cũng có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của hệ thống này.
Phương pháp theo dõi điểm cực đại (MPPT) là một phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV) do đặc tính phi tuyến tính của mảng PV Trong điều kiện khí quyển đồng nhất, mảng PV có thể được theo dõi để tìm điểm công suất lớn nhất (MPP) bằng các kỹ thuật MPPT thông thường Tuy nhiên, khi gặp điều kiện bóng che từng phần, mảng PV có thể tạo ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMs), trong đó có một điểm công suất cực đại toàn cục (GM) Bóng che một phần xảy ra khi một số mô-đun nhận được mức chiếu xạ khác nhau do bụi, thời tiết hoặc bóng của các công trình, cây cối, và núi Điều này là không thể tránh khỏi trong các hệ thống PV tích hợp Các phương pháp MPPT truyền thống không đủ khả năng xử lý tình huống bóng che phần này, dẫn đến tổn thất năng lượng có thể lên tới 70% khi thuật toán hội tụ đến điểm công suất cực đại địa phương thay vì điểm công suất cực đại toàn cục Do đó, cần phát triển các phương pháp MPPT mới có khả năng tìm kiếm GM từ tất cả các LM hiện có.
Hình 2.18 (a) minh họa một cấu trúc thực tế của mảng PV với hai loại điốt (điode bypass và diode chặn) được kết nối Trong điều kiện bóng râm, nhiều mô-đun PV bị chiếu sáng kém, dẫn đến hoạt động như một bộ phận thay thế máy phát, gây giảm tổng phát điện và có thể gây ra hiện tượng nóng Để bảo vệ các mô-đun khỏi hiện tượng này, một hoặc nhiều điốt bypass được kết nối song song với các tế bào trong mỗi mô-đun PV Các điốt này được lắp ở cuối mỗi chuỗi PV nhằm bảo vệ mảng khỏi sự mất cân bằng dòng điện giữa các dãy PV khác nhau, ngăn chặn dòng điện ngược.
Hình 2.18 (a) cho thấy rằng khi mảng PV nhận bức xạ đồng đều, các điốt bypass của mỗi chuỗi phân cực ngược, dẫn đến dòng điện chảy qua mô-đun PV tạo ra một đường cong P-V với một MPP duy nhất Tuy nhiên, trong điều kiện bóng mờ như hình 2.18 (b), chuỗi S1 nhận chiếu xạ đồng đều, trong khi mô-đun bị bóng của chuỗi S2 nhận bức xạ giảm Sự khác biệt về điện áp giữa hai mô-đun này khiến diode bypass của S2 hoạt động, dẫn đến đường cong P-V cho S2 có hai LMs Do đó, trong quá trình bóng mờ, việc kích hoạt các điốt bypass làm biến đổi đường cong P-V thành một đường cong phức tạp hơn với nhiều LM.
Hình 2.19 minh họa mối tương quan P-V khi có hiện tượng bóng che, cho thấy rằng đặc tính P-V của tấm PV có thể bị ảnh hưởng bởi bóng che trong các điều kiện khác nhau Đường cong P-V xuất hiện nhiều đỉnh, dẫn đến việc có nhiều điểm công suất cực đại (MPP), trong đó có ba điểm MPP Trong số này, chỉ có một MPP toàn cục với giá trị cao nhất và hai MPP địa phương.
Theo dõi điểm công suất cực đại (MPP) là yếu tố quan trọng trong hệ thống quang điện, đặc biệt khi hệ thống mở rộng và gặp điều kiện môi trường không đồng nhất Các kỹ thuật MPPT truyền thống thường chỉ hiệu quả trong điều kiện đồng nhất với một điểm MPP duy nhất Tuy nhiên, trong môi trường không đồng nhất, sự xuất hiện của nhiều điểm MPP do các điốt bypass trong mạch điện làm cho việc theo dõi trở nên phức tạp, dẫn đến khả năng mất mát năng lượng đáng kể Luận văn này đánh giá các phương pháp nhằm giảm thiểu sự phức tạp do điều kiện môi trường không đồng đều, từ đó tối ưu hóa hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.
Các tế bào quang điện (PV) có dòng điện và điện áp rất thấp, thường được kết nối theo cấu hình chuỗi nối tiếp và sau đó là song song để tạo thành mô-đun PV Các mô-đun này tiếp tục được kết nối thành chuỗi và song song để hình thành các mảng quang điện.
V và P-V của ba mô-đun kết nối với nhau trong điều kiện môi trường thống nhất được thể hiện trong Hình 2.20
Khi tất cả các tế bào trong một mô-đun hoặc tất cả các mô-đun trong một mảng pin mặt trời đều chịu ảnh hưởng của cùng một điều kiện môi trường, các đặc tính I-V và P-V sẽ tương tự như của một tế bào đơn lẻ Tuy nhiên, nếu một tế bào trong chuỗi bị che khuất, khả năng đầu ra của toàn bộ chuỗi sẽ bị giới hạn bởi ô bị bóng che nhiều nhất Để giảm thiểu tác động này, các diode bypass được tích hợp vào mô-đun, cung cấp một lối đi thay thế và ngăn ngừa sự hình thành điểm nóng có thể gây tổn hại cho tế bào PV Khi có sự không đồng nhất trong điều kiện môi trường, các đặc tính trở nên phức tạp hơn, như thể hiện trong Hình 2.21 với ba mô-đun Trong trường hợp này, có ba điểm có thể là Điểm năng lượng cực đại (MPP), nhưng chỉ một trong số đó là GMPP thực tế toàn cục (GMPP), trong khi hoạt động tại các điểm khác có thể làm giảm đáng kể công suất khả dụng.
Các chiến lược MPPT được phát triển nhằm tối ưu hóa khả năng theo dõi công suất tối đa của hệ thống PV Nhiều kỹ thuật hiện nay dựa vào gradient của đường cong P-V để xác định điểm công suất tối đa (MPP), như đã được đề cập trong các nghiên cứu [36-39] Tuy nhiên, các kỹ thuật này chỉ có khả năng theo dõi điểm tối ưu cục bộ hoặc toàn cục mà không có cơ chế phân biệt rõ ràng giữa hai loại điểm này.
Các kỹ thuật MPPT thông thường như theo dõi và quan sát (P&O), tăng tổng dẫn (INC), điện áp mạch hở và dòng ngắn mạch, cùng với các phương pháp khác, thường được thiết kế để hoạt động trong điều kiện môi trường đồng nhất Tuy nhiên, trong các điều kiện không đồng nhất, những kỹ thuật này có thể dẫn đến việc thu nhận năng lượng thấp hơn so với năng lượng từ hệ thống PV Ngoài ra, chúng còn gặp phải các hạn chế về tốc độ theo dõi và trạng thái ổn định, không thể phân biệt giữa cực đại toàn cục và cục bộ, và chỉ hoạt động hiệu quả dưới một số điều kiện nhất định Hơn nữa, các kỹ thuật này cũng phụ thuộc vào các thông số cụ thể của hệ thống, có thể thay đổi theo thời gian, gây khó khăn trong việc ứng phó với các điều kiện môi trường biến đổi nhanh chóng.
[46] và tổn thất công suất trong các phép đo như điện áp hở mạch và Dòng ngắn mạch
Trong môi trường ngoài trời, độ chiếu sáng có thể thay đổi nhanh chóng, và các hệ thống PV lớn thường gặp hiện tượng bóng che do mây hoặc các trở ngại như cây cối và tòa nhà Bài viết này đề cập đến khái niệm điều kiện PV bị bóng che từng phần (Partial Shading Conditions - PSC), bao gồm bóng tĩnh từ vật thể và bóng động từ mây Đối với các điều kiện đồng nhất, kỹ thuật MPPT yêu cầu theo dõi nhanh, phản ứng kịp thời với biến đổi môi trường, và hiệu suất cao trong dải công suất rộng Trong điều kiện PSC, kỹ thuật MPPT cần có khả năng theo dõi cực đại toàn cục (GMPP) thay vì chỉ MPP địa phương, với khả năng xác định nhanh chóng cực đại toàn cục trong điều kiện thay đổi mà không phụ thuộc vào các tham số hệ thống phức tạp.
Luận văn này đề xuất giải pháp nhằm xử lý các điều kiện bức xạ thay đổi nhanh, trong đó chỉ ra những hạn chế của các kỹ thuật MPPT truyền thống như P&O và INC.
ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC
Để tránh việc quét ngẫu nhiên trên toàn bộ điện áp của pin, việc xác định sự hiện diện của PSC là rất quan trọng Khi một dãy PV hoạt động dưới điều kiện bức xạ mặt trời đồng nhất, mỗi mô đun PV hoạt động như một nguồn với điện áp, dòng điện và công suất ngõ ra giống nhau Tuy nhiên, trạng thái này sẽ thay đổi khi có bóng che.
Hình 3 1 Cấu hình pin NLMT với hai mức bức xạ khác nhau
Hình 3.2 (a) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau Mảng PV không bị bóng che
Hình 3 2 (b) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau
Một module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3.2 (c) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau Hai module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3.2 (d) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau Ba module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3 3 Điện áp ngõ ra mỗi mô đun với công suất ngõ ra
Hình 3 4 Công suất đầu ra của module PV với điện áp đầu ra mô đun không bị che và điện áp đầu ra module bị che
Hình 3.2 (c) minh họa sự khác biệt trong hiệu suất của các mô-đun PV khi tiếp xúc với hai mức bức xạ mặt trời khác nhau là 1000 và 400 W/m² Điện áp của các mô-đun này hoàn toàn khác nhau, dẫn đến hai đỉnh trên đường cong P-V được chia thành hai phần: phần A (đường cong D-A-C) và phần B (đường cong C-B-E) Trong phần A, dòng điện của PV lớn hơn dòng điện tối đa mà mô-đun PV có thể sản xuất khi bị bóng che, khiến dòng điện chảy qua diode đấu ngược của mỗi mô-đun Kết quả là chỉ có PV M1 và M2 cung cấp nguồn điện, trong khi PV M3 và M4 bị bỏ qua Điện áp của PV M3 và M4 xấp xỉ âm 0.7 V trong phần A, cho thấy rằng điện áp mô-đun bằng với điện áp âm của diode có thể được sử dụng để ước tính tình trạng che bóng một phần Trong phần B, tất cả các mô-đun PV đều cung cấp năng lượng, nhưng điều kiện làm việc của chúng khác nhau do mức bức xạ mặt trời không đồng đều.
Điện áp của các mô-đun trên đường cong C-B-E không bị ảnh hưởng bởi bóng che lớn hơn so với mô-đun bị bóng che, như thể hiện trong Hình 3.4 Điều này cho thấy đây là một chỉ báo quan trọng để xác định ảnh hưởng của bóng che một phần.
Theo phân tích trên, một số các quan sát được tóm tắt lại như sau:
− Các đường cong I-V trong điều kiện bóng che một phần có nhiều bước, trong khi các đường cong P-V được đặc trưng bởi nhiều đỉnh
Số lượng đỉnh trên mảng PV tương ứng với các mức độ bức xạ khác nhau, và mỗi đỉnh đều có khả năng trở thành GMPP.
Điện áp của mô đun PV chịu ảnh hưởng bởi mức độ bức xạ mặt trời khác nhau Giá trị điện áp này bị giảm bởi một diode, tương đương với giá trị âm của điện áp tại lớp tiếp giáp PN.
Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi các dãy pin bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là đồng đều)
Hình 3.5 minh họa một mảng PV với các dãy pin màu đen có mức bức xạ 400W/m2 do bị bóng che một phần, trong khi các module không bị bóng che có mức bức xạ 1000W/m2 Điều này cho thấy rằng mặc dù mảng PV bị bóng che, nhưng mức bức xạ của các pin bị che vẫn đồng nhất Thuật toán được trình bày dưới đây sẽ được áp dụng cho trường hợp này và sẽ được kiểm chứng trong phần kết quả mô phỏng ở Chương 4.
Thuật toán MPPT cải tiến được trình bày trong Hình 3.6 nhằm theo dõi GMPP trong điều kiện bóng che một phần, bắt đầu với giá trị điện áp tham chiếu (V ref) là 85% điện áp hở mạch V oc Dưới bức xạ mặt trời đồng nhất, các phương pháp MPPT truyền thống như P & O hoạt động hiệu quả, duy trì GMPP cho đến khi bóng che xảy ra Khi tìm thấy một MPP, thông tin về công suất và điện áp dãy PV sẽ được lưu trữ Một chương trình ngắt định thời đảm bảo kiểm tra thường xuyên điều kiện bóng Nếu điện áp mô đun PV lớn hơn một điện áp khác (V i > V j), điều này cho thấy bóng che đã xảy ra Khi sự sai số giữa hai điện áp lớn hơn một hằng số xác định trước, "Chương trình chính" sẽ gọi "chương trình con theo GMPP", xác định GMPP thực sự và chuyển quyền kiểm soát trở lại "Chương trình chính" để duy trì hoạt động tại GMPP mới.
Chương trình con theo dõi GMPP xác định vị trí của MPP cuối cùng trên đường cong P-V Khi điện áp của mô đun PV nhỏ hơn 0 (V i < 0), MPP này là đỉnh cuối cùng bên trái và điện áp tham chiếu nên được đặt khoảng 85% điện áp hở mạch V oc Kỹ thuật MPP thông thường, như P & O, sẽ được áp dụng để theo dõi đỉnh này Ngược lại, khi điện áp mô đun PV không nhỏ hơn 0, MPP trở thành đỉnh cuối cùng bên phải, phân chia các mô đun PV thành hai nhóm điện áp Số lượng mô-đun trong nhóm điện áp nhỏ hơn (M) sẽ không xuất ra công suất nào, và điện áp tham chiếu của đỉnh trái bằng khoảng 85% của (1 - M/N) * V oc.
Sau khi áp dụng kỹ thuật MPP để theo dõi đỉnh tại khối 14 và 15, chúng ta so sánh giá trị điện áp của đỉnh mới (MPP mới) với giá trị điện áp của MPP cuối cùng Qua đó, ta xác định được các giá trị lớn nhất của hệ thống, cho thấy hệ thống đang hoạt động tại điểm GMPP (khối 16 và 17) Cuối cùng, điện áp tham chiếu được thiết lập thành điện áp của GMPP thực sự, và tín hiệu điều khiển được truyền vào "Chương trình chính" để duy trì hoạt động tại GMPP cho đến khi có sự ngắt định thời xảy ra.
Hình 3 6 Lưu đồ tìm MPPT cải tiến cho dãy pin bị bóng che một phần
(các mức bức xạ trên các pin bị che giống nhau) chính
Nhập số lượng PV moudule, N
2 Đo giá trị điện áp, dòng điện; Gọi thuật toán P&O
7 Gọi thuật toán tìm điểm GP
12 Chia các module điện áp
PV thành hai nhóm; tính toán số lượng PV module trong từng nhóm nhỏ, M
14 Đo giá trị V current , Gọi thuật toán P&O
16 Lưu trữ giá trị MPP: P max_last , V m_new
10 Đo giá trị điện áp và dòng điệng Gọi thuật toán P&O
9 V ref =0.85*V oc Đo giá trị V(n), I(n) Start
Để hiểu thuật toán, giả sử có một mảng PV như trong Hình 3.2 (c), nơi các đỉnh địa phương (điểm B) được theo dõi bằng phương pháp P & O Việc xác định liệu MPP có đạt được hay không được kiểm tra thông qua dấu hiệu của công suất trong hai sự nhiễu loạn tiếp theo Khi đỉnh địa phương (điểm B) được theo dõi, thông tin hiện tại (P max_last = 2112W, V m last = 73.7V) được lưu trữ Thuật toán đo điện áp mô đun V1 = V2 = 21.6V và V3 = V4 = 20.8V, dẫn đến việc thiết lập phán đoán (Vi > Vj) và gọi "chương trình con theo dõi GMPP" Trong chương trình này, không có điện áp mô đun nào nhỏ hơn không, do đó các điện áp mô đun được chia thành hai nhóm (V V1, 2 và V V3, 4), với M bằng 2 Cuối cùng, điện áp tham chiếu mới được đặt là 36.04V, và phương pháp P & O tiếp tục được áp dụng để theo dõi một đỉnh khác (điểm A).
P W, V m new _ 32.2V ) được lưu trữ Công suất đầu ra của MPP mới lớn hơn so với cái cũ, vì vậy điểm A là GMPP.
Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là không đồng đều)
Mảng PV thường nhận tối đa hai mức độ bức xạ khác nhau khi bị bóng che một phần Tuy nhiên, trong một số trường hợp, mảng PV có thể trải nghiệm nhiều hơn hai mức bức xạ Hình 3.7 minh họa các đặc tính của mảng này.
Trong hệ thống PV với bốn mô đun nối thành chuỗi, mỗi mô đun nhận được bốn mức độ bức xạ khác nhau, thuật toán hiện tại không còn phù hợp Tuy nhiên, các quan sát vẫn có giá trị Sau khi điều chỉnh chương trình con GMPP, các thuật toán trước đây có thể áp dụng thành công cho tình huống này Chương trình chính không cần thay đổi và vẫn hoạt động hiệu quả Lưu đồ mới cho chương trình con theo dõi GMPP được trình bày trong Hình 3.8.
Để xác định số lượng các mức độ bức xạ khác nhau trên một mảng PV trong điều kiện bóng mờ từng phần, chương trình con theo dõi GMPP bắt đầu bằng việc theo dõi đỉnh cao nhất bên phải trên đường cong P-V Nếu điện áp mô đun PV không nhỏ hơn 0, MPP cuối cùng sẽ là đỉnh cuối cùng bên phải Ngược lại, nếu điện áp nhỏ hơn 0, đỉnh cuối cùng bên phải sẽ được theo dõi trước và thông tin MPP sẽ được lưu trữ Tất cả các mô đun PV được phân chia thành các nhóm theo điện áp và cách sắp xếp, với các mô đun được dán nhãn từ điện áp thấp nhất (G1) đến điện áp cao nhất (Gq).
G 1 G 2 G q Một chương trình con sẽ tính toán số lượng các mô đun
Trong mỗi nhóm (khối 7), q đại diện cho số lượng các mức độ cách ly khác nhau chiếu xạ trên mảng PV, với (q-1) thông tin MPPs cần được xác định Việc theo dõi diễn ra từ đỉnh phải sang đỉnh trái, và khi mảng PV hoạt động ở đỉnh thứ hai từ bên phải trên đường cong P-V, các mô đun với mức bức xạ thấp nhất sẽ không phát điện, dẫn đến điện áp tham chiếu tương đương khoảng 85% của \((1 - (N - \sum Mj) / N) * V_{oc}\) (khối 9) Phương pháp tương tự được áp dụng để xác định tất cả các MPP khác (các khối 8-13) Bằng cách so sánh công suất của tất cả các đỉnh, GMPP thật sự sẽ được ghi nhận (khối 14) Cuối cùng, điện áp tham chiếu được thiết lập thành điện áp của GMPP (điểm MPPT cuối cùng) và được điều khiển vào "Chương trình chính", duy trì hoạt động tại GMPP cho đến khi hết thời gian hẹn.
Hình 3 8 Lưu đồ chương trình con sửa đổi tìm MPPT mới với số bức xạ mặt trời nhiều hơn hai (các mức bức xạ khác nhau)
10 Đo giá trị điện áp mảng PV, Gọi thuật toán P&O
12 Lưu trữ giá trị MPP
1 }, V = điện áp tương ứng từ Pmax_last
4 Đo giá trị điện áp, dòng điện mảng PV, điện áp module PV;
6 Lưu trữ giá trị MPP
PV thành q groups (G1