Trong hàng loạt các cải tiến mới, từ công nghệ tấm pin, các hệ thống điều hướng, bộ chuyển đổi công suất,… thì trong đó việc phát triển thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại Max Power
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Hệ thống pin năng lượng mặt trời
Trong hai thập kỷ gần đây, vấn đề tìm nguồn năng lượng thay thế cho các nguồn năng lượng truyền thống được con người quan tâm đặc biệt, trong bối cảnh mà các nguồn năng lượng hoá thạch với trữ lượng ngày càng ít đi, và việc sử dụng chúng phát thải ra một lượng lớn các sản phẩm độc hại và gây ô nhiễm môi trường Các quốc gia đã và đang tham gia các công ước quốc tế nhằm cắt giảm phát thải ròng cacbon về 0 đến năm 2050 đã tiếp tục thúc đẩy quá trình này
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo được quan tâm nghiên cứu, thì hiện nay năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng tiềm năng nhất Trữ lượng lớn có thể nói là vô tận, có sẵn, miễn phí và hiện có các phương pháp khai thác đơn giản, cho nhiều mục đích khác nhau là những lợi ích dễ thấy của năng lượng mặt trời
Trong các mục đích khai thác năng lượng mặt trời, nổi bật trong đó là khai thác năng lượng bức xạ ánh sáng của mặt trời chuyển đổi thành điện năng dựa trên các hiệu ứng quang điện của các tấm quang năng (Photovoltaic panel - PV)
Hệ thống sản xuất điện bằng các tấm pin quang năng bao gồm hệ thống thu thập năng lượng ánh sáng mặt trời và chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng thành điện – là các tấm pin quang điện, bộ điều khiển, các bộ biến đổi điện áp tuỳ thuộc vào nhu cầu sử dụng của phụ tải Tuỳ thuộc vào loại hệ thống sản xuất điện có hay không có lưu trữ mà có thêm pin/acquy lưu trữ và bộ điều khiển sạc cho hệ thống lưu trữ
Chương 1 Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hình 1.1 Sơ đồ hệ thống sản xuất điện từ năng lượng mặt trời có lưu trữ
Mô hình toán học của tấm pin quang điện
Việc xây dựng mô hình toán học của tấm pin quang điện giúp cho người nghiên cứu nắm bắt được các thông tin, dữ liệu cần thiết trong quá trình nghiên cứu về pin quang điện, đặc biệt là nghiên cứu đặc tuyến I-V và P-V có tính phi tuyến [1] Theo nghiên cứu, đặc tính điện của pin quang điện có sự phụ thuộc lớn vào các nhân tố ngoại cảnh như cường độ bức xạ ánh sáng và nhiệt độ, cũng như độ ẩm ngoài môi trường Ngoài ra, các thông số của bản thân tấm pin như điện trở nội, dòng điện qua tấm PV, dòng bão hoà qua diode,…cũng ảnh hưởng lên đặc tính điện của PV
Việc mô hình hoá PV hiện tại được phân thành 2 loại mô hình là mô hình một diode và mô hình hai diode [2] Theo [1], mô hình 1 diode có tính đơn giản, số lượng thông số cần thu thập, tính toán ít hơn, tuy nhiên độ chính xác trong mô hình không bằng mô hình 2 diode
Theo [7], mô hình toán học theo mô hình 1 diode của dãy pin quang điện trong hình 1.2 được biểu diễn bởi công thức:
𝑅 𝑃 ) Theo đó, số lượng tấm PV mắc nối tiếp và song song lần lượt là NSS và NPP
Trong đó: dòng điện ngõ ra PV (IPV), dòng điện bão hoà ngược của diode (I0), điện trở nối tiếp (RS), điện trở song song (RP) và hệ số lý tưởng của diode (a) là các thông số cần thu thập để mô hình hoá PV
Hình 1.2 Mô hình 1 diode của pin quang điện [1]
Mô hình 2 diode khác biệt so với mô hình 1 diode rằng có 2 diode trong mạch tương đương PV Theo [7], mô hình 2 diode trong hình 1.3 cho kết quả gần như tương đương với mô hình 1 diode trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn (STC) Tuy nhiên, trong điều kiện chiếu sáng thấp, nó cho ra kết quả chính xác hơn mô hình 1 diode, đặc biệt trong vùng lân cận vùng cuối đường đặc tuyến P-V hay vùng VOC Mô hình toán học của nó được biểu diễn bằng công thức:
Một số nghiên cứu đã tính toán giá trị của Io1 và Io2 bằng phép lặp Tuy nhiên, do các điều kiện ban đầu được xác định chưa hiệu quả, nên thời gian tính toán trở nên kéo dài Kết quả cho thấy giá trị Io2 lớn hơn Io1 từ 3 – 7 lần [7]
Hình 1.3 Mô hình 2 diode của pin quang điện [2]
Đường đặc tính I-V và P-V của PV
Đặc trưng cho mỗi tấm pin quang điện là một đường đặc tính dòng điện – điện áp, hay đặc tính I-V Đặc tính I-V cho ta biết được mối quan hệ về độ lớn của dòng điện tại các điểm điện áp vận hành khác nhau của PV theo một điều kiện môi trường
Chương 1 Tổng quan về hệ thống pin năng lượng mặt trời
SVTH: Lê Duy Quốc 4 nhất định Trong đó, đường cong chuẩn làm tham chiếu cho mỗi tấm pin được vẽ tại STC ở nhiệt độ t = 25˚C và cường độ bức xạ G = 1000W/m 2
Với mỗi đường cong như vậy, ta sẽ xác định được cặp số (V,I) tại mỗi điểm vận hành trên đường cong I-V Tích số của I và V ta được công suất tại điểm làm việc đó Tập hợp các giá trị công suất theo chiều tăng dần điện áp, ta thu được đường cong P-V của tấm pin Đường cong này là cơ sở để giải thích và thiết kế các bộ điều khiển MPPT cho PV
Hình 1.4 Đường cong I-V và P-V của pin quang điện
Trong cùng một điều kiện nhiệt độ, khi tăng dần cường độ bức xạ ánh sáng, dòng điện làm việc của PV tăng dần khi xét cùng điện áp, dẫn đến công suất cực đại tăng lên Khi nhiệt độ tăng, xu hướng điện áp hở mạch giảm dần, điểm công suất cực đại cũng giảm dần
Hình 1.5 Sự thay đổi của dòng điện và điện áp của PV phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời (a) và nhiệt độ không khí (b) [3]
Dựa vào đường cong P-V của tấm quang điện, ta có thể thấy cần phải đưa điện áp làm việc của PV càng gần điểm công suất cực đại càng tốt để thu được lượng điện năng lớn nhất trong một điều kiện ánh sáng và nhiệt độ nhất định Đó cũng là nguyên nhân ra đời của bộ dò tìm điểm công suất cực đại – Max Power Point Tracking (MPPT)
Bộ MPPT là một thành phần của hệ thống điện năng lượng mặt trời Trong đó các cảm biến thu thập các dữ liệu về dòng điện, điện áp, công suất, ánh sáng, nhiệt độ,… tuỳ thuộc vào thuật toán được sử dụng Sau đó thuật toán sẽ dựa vào các thông số thu được để tính toán, xác định và đưa hệ PV đến giá trị điện áp làm việc tại điểm công suất cực đại
Qua nhiều năm nghiên cứu, các nhà khoa học đã đưa ra hàng loạt các giải thuật khác nhau để thực hiện dò tìm điểm công suất cực đại, từ đơn giản đến phức tạp Theo
[8], các thuật toán hiện tại được chia thành 4 nhóm:
(1) Thuật toán dò tìm trực tiếp: ví dụ Nhiễu loạn và Quan sát (Perturb and Observe – P&O); Điện dẫn gia tăng (Incremental Conduction – InC)
(2) Thuật toán dò tìm gián tiếp: ví dụ dò tìm dựa trên điện áp hở mạch (Fractional Open circuit Voltage) hay dòng điện ngắn mạch (Fractional Short circuit Current)
(3) Thuật toán dựa trên trí thông minh nhân tạo: Ứng dụng mạng nơron nhân tạo (Artificial Neural network – ANN); Điều khiển logic mờ (Fuzzy logic control – FLC),…
(4) Một số phương pháp khác
Mỗi phương pháp kể trên đều có những ưu điểm và hạn chế nhất định Trong điều kiện vận hành của các sản phẩm thương mại hiện tại, các thuật toán đơn giản, độ chính xác tốt, số lượng cảm biến ít, giá thành tốt được ưu tiên sử dụng hơn Các thuật toán khác với độ chính xác cao hơn, đáp ứng nhanh hơn đang tiếp tục được nghiên cứu và ứng dụng thực tế trong tương lai.
Bộ dò tìm công suất cực đại
TỔNG QUAN MỘT SỐ THUẬT TOÁN PHỔ BIẾN ĐỂ DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
Thuật toán Nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe – P&O)
Thuật toán Nhiễu loạn và quan sát (P&O) là thuật toán đơn giản và dễ dàng nhất để thực hiện MPPT [9, 10] Theo đúng như tên gọi của nó, để dò tìm được điểm công suất cực đại của PV trên đường đặc tính P-V, một nhiễu động điện áp nhỏ ΔV được thay đổi liên tục trong tiến trình dò tìm Khi điện áp thay đổi thì công suất của hệ sẽ thay đổi ΔP tương ứng Khi điện áp thay đổi tăng mà dẫn đến công suất phát ra của PV tăng, thì điểm làm việc trên đường đặc tính P-V đang nằm bên trái điểm MPP và ngược lại Quan hệ này có thể tóm gọn lại bằng toán học, khi dP/dV > 0, thì điểm làm việc của PV đang ở bên trái điểm MPP [3]
Hình 2.1 Mô tả thuật toán P&O trên đường đặc tuyến P-V
Thuật toán P&O được mô tả: Trước hết cần đo thông số về điện áp và dòng điện phát ra từ PV, sau đó tính toán giá trị công suất tức thời của hệ Dựa vào kết quả tính toán công suất để xác định dấu của đạo hàm công suất theo điện áp Nếu giá trị của đạo hàm là dương, chứng tỏ nhiễu loạn điện áp đang đúng chiều tăng công suất và sẽ giữ nguyên dấu trong chu kì lặp lại tiếp theo [3] Việc điều chỉnh chiều của nhiễu loạn điện áp (tăng lên hay giảm xuống) nhờ vào điều khiển chu kì làm việc của
SVTH: Lê Duy Quốc 7 toán P&O cơ bản được mô tả như hình 2.1:
Hình 2.2 Lưu đồ của thuật toán P&O [3] Ưu điểm của thuật toán này là đơn giản, số lượng các thông số cần thu thập ít, dễ thực hiện, chi phí thấp [5, 10] do đó đang được sử dụng rất phổ biến trong các bộ điều khiển MPPT ở ngoài thị trường Tuy nhiên nhược điểm lớn của nó nằm ở việc thuật toán không thể duy trì cho hệ làm việc được tại vị trí MPP chính xác mà luôn dao động xung quanh điểm này một khoảng nhất định [4] Sai số xác lập này phụ thuộc chủ yếu vào giá trị nhiễu loạn ΔV (hay Δd) của mỗi lần lấy mẫu là lớn hay nhỏ
[4, 11], tần số lấy mẫu của thuật toán điều khiển Bên cạnh đó thuật toán không thể đáp ứng nhanh đối với sự thay đổi của điều kiện bức xạ ánh sáng thay đổi đột ngột và sự dò tìm sai điểm cực đại do điều kiện chiếu sáng che phủ một phần [5]
Chương 2 TQ một số thuật toán phổ biến để dò tìm điểm công suất cực đại
Hình 2.3 Biểu diễn các nhược điểm của thuật toán P&O trong điều kiện xác lập và điều kiện chiếu sáng thay đổi [4]
Thuật toán Điện dẫn gia tăng (Incremental Conductant - InC)
Cùng với P&O, InC cũng là một thuật toán cổ điển được sử dụng tương đối nhiều trong thực tế để dò tìm điểm công suất cực đại
Theo [12], thuật toán InC được xây dựng dựa trên 2 giá trị là điện dẫn tức thời I/V và điện dẫn gia tăng ΔI/ΔV làm cơ sở để xác định MPP, bắt nguồn từ đạo hàm của công suất theo điện áp:
Giá trị của dP/dV = 0 tại MPP, tương đương:
Vậy vùng bên trái và phải MPP lần lượt tương ứng với các điều kiện (2.3) và (2.4):
Một cách dễ hiểu hơn, khi bức xạ mặt trời thay đổi, ví dụ trong trường hợp bức xạ mặt trời tăng, điểm công suất cực đại sẽ thay đổi tăng lên tương ứng, đồng nghĩa với nhiệm vụ của MPPT là điều chỉnh điện áp và dòng điện của PV tăng lên làm sao để giữ cho biểu thức (2.1) không thay đổi Từ đó ta có thể rút ra được lưu đồ giải thuật cho thuật toán InC cơ bản như hình…:
Hình 2.4 Lưu đồ giải thuật của thuật toán InC [5]
Sau khi tính toán được các giá trị I và V, giải thuật bắt đầu tính toán các giá trị ΔI và ΔV Nếu điện áp không đổi, dòng điện không đổi, tức là điều kiện môi trường giữ nguyên như chu kì lấy mẫu trước thì hệ sẽ tiếp tục làm việc tại điểm đó chính là MPP Ngược lại nếu điện áp có thay đổi do cường độ bức xạ mới, ta xét đến điều kiện
(1), nếu dòng điện cũng đã có sự thay đổi để đạt được điểm MPP mới, thì hệ sẽ tiếp tục làm việc tại điểm đó Nếu không, ta xét đến điều kiện (2.3) và (2.4) Nếu (2.3) thoả, thì điện áp cần tăng lên để đưa điều kiện (2.3) về (2.1) và ngược lại nếu (2.4) thoả thì giảm điện áp để đưa (2.4) về (2.1) [5, 12] Ưu điểm của thuật toán InC là cải thiện được sai số xác lập so với P&O Tuy nhiên do sai số nên điều kiện (2.1) rất khó xảy ra dẫn đến hệ vẫn làm việc dao động quanh MPP [5] Bên cạnh đó, khi bức xạ mặt trời thay đổi đột ngột từ thấp lên cao, hệ sẽ xác định sai chiều thay đổi điện áp trong chu kì lấy mẫu đầu tiên do sự sai khác các điểm làm việc trên đường đặc tính P-V [12]
Chương 2 TQ một số thuật toán phổ biến để dò tìm điểm công suất cực đại
Thuật toán dựa trên tỉ lệ điện áp hở mạch (Fractional Open Circuit Voltage - FOCV) và tỉ lệ dòng điện ngắn mạch (Fractional Short Circuit Current - FSCC)
- FOCV) và tỉ lệ dòng điện ngắn mạch (Fractional Short Circuit Current - FSCC)
Hai thuật toán này dựa trên cơ sở mối quan hệ tuyến tính của điện áp hở mạch
VOC, dòng điện ngắn mạch ISC với điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại
VMPP và IMPP theo công thức: [8]
𝐼 𝑀𝑃𝑃 = 𝑘 1 𝐼 𝑆𝐶 (2.6) với k0 và k1 là hằng số tỷ lệ, có giá trị nằm trong khoảng 0,71 – 0,78 Khi k0 được xác định từ VOC và k1 từ ISC, thì điện áp tại điểm công suất cực đại VMPP được tính toán như là điện áp tham chiếu cho bộ biến đổi công suất
Hình 2.5 Lưu đồ giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại theo điện áp hở mạch
Thuật toán dựa vào tỉ lệ điện áp hở mạch và tỉ lệ dòng ngắn mạch là thuật toán có tính đơn giản cao, chỉ cần thu thập thông tin về điện áp hoặc dòng điện của PV để ước lượng giá trị Phương pháp này chỉ là một phương pháp gần đúng, dựa trên kinh nghiệm đối với PV để khởi tạo và giới hạn giá trị tỉ lệ Ngoài ra, một lượng công suất sẽ thất thoát trong quá trình ngắt mạch để đo giá trị điện áp hở mạch, hoặc cô lập PV để đo dòng điện ngắn mạch
Logic mờ hiện nay được xem là một phương pháp điều khiển hiện đại, thông minh, đang dần được nghiên cứu và sử dụng rộng rãi trong điều khiển các hệ phức tạp Suy diễn theo logic mờ có thể bắt chước được các suy luận của con người, có khả năng tiếp nhận và xử lý các luồng thông tin phức tạp, chẩn đoán và sửa lỗi, tối ưu cho đối tượng điều khiển [5], đặc biệt cho các bộ điều khiển phi tuyến [6]
Hình 2.6 Cấu trúc của bộ điều khiển theo logic mờ [6] Điều khiển theo logic mờ có 3 giai đoạn gồm (1) Mờ hoá, (2) Suy luận dựa trên các quy luật mờ, (3) Giải mờ
Theo [6], trong ứng dụng vào MPPT, giai đoạn (1) sẽ tiến hành thu thập các giá trị rõ nét là điện áp và công suất làm dữ liệu vào, tính toán giá trị E = ΔP/ΔV, ΔE
= E(k) – E(k-1) và tiến hành mờ hoá các giá trị này [5] Giai đoạn suy luận sẽ dựa trên các giá trị mờ hoá ở bước trước để suy luận và xếp các giá trị E và ΔE thu được tương ứng theo các trường hợp của hàm thành phần như rất chậm (MB) chậm (B), không nhanh không chậm (N), nhanh (A) và rất nhanh (MA) Quá trình giải mờ sẽ dùng các luật mờ để xác định mức độ cần thay đổi của đầu ra chính là tỉ lệ thời gian đóng của khoá công suất Duty cycle ΔD cho phù hợp (tăng hay giảm thời gian đóng khoá)
Chương 2 TQ một số thuật toán phổ biến để dò tìm điểm công suất cực đại
Hình 2.7 Các giá trị đầu vào được mờ hoá và phân ra các hàm thành phần tương ứng [6]
Hình 2.8 Ma trận quy luật mờ [6]
Hình 2.9 Kết quả đầu ra của bộ điều khiển [6] Ưu điểm của Logic mờ là khả năng bám sát MPP tốt, đáp ứng nhanh với sự thay đổi của môi trường Tuy nhiên nó tồn tại các hạn chế như đòi hỏi kỹ thuật điều khiển phức tạp, chi phí cao cho các thiết bị thu thập, lưu trữ và xử lý dữ liệu [13] Hiện tại các cải tiến cho thuật toán logic mờ đang được thực hiện để mở rộng thương mại hoá.
Thuật toán ứng dụng logic mờ - FLC
THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CẢI TIẾN DỰA TRÊN THUẬT TOÁN NHIỄU LOẠN VÀ QUAN SÁT
Phương pháp thu thập đa mẫu để cải thiện đặc tính đáp ứng với điều kiện thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời, Theo H Abouadane et.al (2020) [14]
Như trình bày tại phần 2.1, khi điều kiện môi trường có sự thay đổi nhanh về cường độ bức xạ G, sẽ dẫn đến hiện tượng thuật toán P&O dò tìm sai điểm công suất cực đại Hiện tượng dò tìm sai sẽ liên tục tiếp diễn nếu điều kiện bức xạ vẫn đang tiếp tục thay đổi nhanh và dừng lại khi G dần ổn định (không đổi hoặc thay đổi nhỏ)
Xét điều kiện bức xạ như mô tả trong hình 3.1, ta nhận thấy khi cường độ bức xạ thay đổi (theo chiều tăng dần), thuật toán P&O sẽ dẫn đến điểm vận hành lệch khỏi hướng di chuyển đúng (hướng về điểm MPP) theo đường màu xanh lam, và độ chênh lệch công suất giữa chiều đúng (ví dụ từ C2 đến C3) lớn hơn chiều so với chiều sai (ví dụ từ C2 đến C3’) làm thất thoát công suất
Hình 3.1 Ví dụ về sai lệch chiều nhiễn loạn điện áp khi bức xạ liên tục thay đổi Phương pháp được tác giả trình bày dựa trên sự quan sát về sự thay đổi công suất, với điểm mấu chốt là ghi nhận ba điểm vận hành liên tiếp và quan sát sự thay
SVTH: Lê Duy Quốc 15 chuyển của điểm vận hành rằng nó đang tiến gần hay tách xa điểm MPP
3.1.1 Vận hành của thuật toán trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi lớn đáng kể Điều kiện vận hành của thuật toán được giả thiết là bức xạ mặt trời tăng tuyến tính, đều trong khoảng thời gian khảo sát Thuật toán có nhiễu loạn điện áp là hằng số ở mỗi chu kỳ lấy mẫu
Hình 4.2 mô tả lưu đồ của giải thuật dò tìm Điều kiện giả sử được đặt ra là bức xạ mặt trời cho xu hướng tăng và chiều của nhiễu đầu tiên (ΔV1) có chiều dương Thuật toán tiến hành thu thập các thông số về điện áp và công suất tại các thời điểm tk = kTp, t(k-1) = (k-1)Tp và t(k-2) = (k-2)Tp, với k là vị trí mà hệ thống đang vận hành, Tp là chu kỳ lấy mẫu của thuật toán 3 điểm thu thập được lần lượt là
C1(Vk, Pk), B1(Vk-1, Pk-1) và A1(Vk-2, Pk-2) Vị trí của chúng được chọn ngẫu nhiên như ví dụ trong hình 4.1
Hình 3.2 Lưu đồ của thuật toán dò tìm thu thập đa mẫu Sau khi đã thu thập được dữ liệu về công suất của 3 điểm làm việc liên tiếp, thuật toán tiến hành so sánh công suất giữa điểm làm việc Pk và điểm trước đó 2 chu
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
SVTH: Lê Duy Quốc 16 kỳ Pk-2 Lựa chọn 2 điểm trên để so sánh để bảo đảm được sự đúng đắn của việc xác định chiều của ΔG là tăng hay giảm
Tiếp theo, sau khi đã xác định được giá trị bức xạ tăng hay giảm, thuật toán bắt đầu tính toán giá trị của độ tăng công suất giữa 2 điểm làm việc liên tiếp là dP1 và dP2 Mấu chốt của giải thuật cải tiến nằm ở giá trị ΔP bởi vì trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi, thì sự biến thiên công suất dP là tổng của hai giá trị biến thiên do bức xạ mặt trời dPG và biến thiên do nhiễu loạn điện áp dPper
Do điều kiện ban đầu là bức xạ mặt trời thay đổi tuyến tính, đều theo thời gian giữa hai nhiễu loạn, lấy biểu thức (3.3) trừ (3.2), vế theo vế, ta được:
Kết quả dẫn đến là nếu 𝑑𝑃 𝑝er2 − 𝑑𝑃 𝑝er1 > 0 thì ta nhận có thể biết được
𝑑𝑃 2 > 𝑑𝑃 1 và ngược lại mà không cần quan tâm đến độ thay đổi công suất do thay đổi bức xạ mặt trời
Hình 4.3 minh hoạ trực quan cho các nhận định trên Điều kiện giả sử vẫn là cường độ bức xạ mặt trời đang tăng lên gần như tuyến tính, với 3 điểm làm việc được ghi nhận liên tục sau 3 chu kỳ lần lượt là A, B và C Theo hình 4.3, ta dễ dàng thấy được 𝑑𝑃 2 < 𝑑𝑃 1 và 𝑑𝑃 𝑝𝑒𝑟2 < 𝑑𝑃 𝑝𝑒𝑟1 đúng như nhận xét ban đầu
Hình 3.3 Minh hoạ sự biến thiên công suất vận hành quan hệ với sự biến thiên công suất do nhiễu loạn điện áp
4.1 Ba điểm làm việc ban đầu tương ứng là A1, B1 và C1 Theo hình biểu diễn, ta xác định được 𝑑𝑃 2 > 𝑑𝑃 1 , tức là hệ đang đi đúng chiều đến gần MPP So sánh điện áp
V C1 > V B1 , do đó cần phải tiếp tục tăng điện áp tham chiếu ở chu kỳ tiếp theo, đưa điểm làm việc mới đến điểm C2, và hai điểm làm việc trước C2 được ký hiệu lại tương ứng là A2 (B1 cũ) và B2 (C1 cũ) Và các điện áp tại các điểm làm việc liên tiếp cũng thay đổi tương ứng Tại ba điểm làm việc mới, xác định được 𝑑𝑃 2 < 𝑑𝑃 1 và
V C2 > V B2 , cần phải giảm điện áp tham chiếu để đưa chiều nhiễu loạn về đúng chiều tiến đến MPP
3.1.2 Vận hành của thuật toán trong điều kiện bức xạ mặt trời ổn định
Trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi như giả thiết, giải thuật đề xuất được nghiệm đúng trên mọi vị trí trong khoảng vận hành của PV Tuy nhiên, giải thuật đã mắc lỗi khi đưa vào vận hành ở trạng thái tĩnh, khi bức xạ mặt trời là không đổi, hoặc thay đổi ít
Xét 3 điểm vận hành liên tục A1, B1, C1 như hình 4.5 Ta có thể thấy rằng, càng tiến về gần điểm MPP, độ dốc của đường cong giảm dần, cộng thêm điều kiện nhiễu loạn điện áp là hằng số, dẫn đến 𝑑𝑃 2 < 𝑑𝑃 1 , tương ứng điều kiện (No) trên lưu đồ Xét điện áp, ta thấy 𝑉 𝐶1 > 𝑉 𝐵1 , tương ứng với điều kiện (Yes), giải thuật giảm điện áp tham chiếu, trong khi chiều cần để tiến đến MPP vẫn là chiều tăng điện áp
Hình 3.4 Vận hành của thuật toán trong điều kiện bức xạ không đổi
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
3.1.3 Kết quả thử nghiệm giải thuật
Giải thuật được thử nghiệm theo chuẩn thử nghiệm EN50530, sơ đồ bố trí thí nghiệm như hình 3.5
Hình 3.5 Bố trí thử nghiệm
Các thông số của PV, bộ biến đổi DC/DC boost, DC/AC, lọc và các thông số điều khiển được cho trong hình 3.6
Hình 3.6 Thông số đặt của các thành phần trong bộ thí nghiệm Đối với trường hợp bức xạ thay đổi chậm (3W/m 2 /s) như hình 3.7, ta có thể thấy đáp ứng của giải thuật là gần tương đương với P&O truyền thống Tuy nhiên, thời gian đáp ứng ở giai đoạn đầu chậm hơn khoảng 1s
Thuật toán P&O cải tiến nhằm cải thiện đáp ứng xác lập và sự thay đổi nhanh của điều kiện bức xạ Theo V Kamala Devi et.al (2017) [15]
Như trình bày ở phần 2.1, vấn đề thuật toán P&O truyền thống còn gặp phải là sự dao động quanh giá trị MPP ở chế độ xác lập và sự dò tìm sai chiều khi điều kiện bức xạ có thay đổi Hướng đề xuất của tác giả nhắm vào sự thay đổi độ lớn của bước nhiễu loạn điện áp nhằm ổn định điện áp nhanh hơn khi hệ bắt đầu xác lập và khi hệ trong quá trình quá độ khi có sự thay đổi về cường độ bức xạ
Phương pháp cải tiến được đưa ra trên cơ sở: (1) giá trị mỗi nhiễu loạn điện áp (Δc) sẽ thay đổi dựa trên dấu của sự biến thiên công suất (ΔP) và dấu của sự biến thiên điện áp (ΔV) (2) Giá trị lớn nhất và nhỏ nhất của công suất tấm pin bị giới hạn
SVTH: Lê Duy Quốc 21 phần phần cứng nào so với thực hiện giải thuật P&O truyền thống
Hình 3 mô tả lưu đồ giải thuật của thuật toán Sau khi tính toán giá trị công suất từ các giá trị điện áp và dòng điện thu được, tiến hành tính toán giá trị độ biến thiên công suất, độ biến thiên điện áp và xét dấu của chúng Giá trị của bước nhiễu sẽ thay đổi, có thể tăng lên, giảm đi, hoặc bằng 0 tuỳ vào 2 giá trị dấu của và ΔV cũng như giá trị của bước nhiễu liền trước
Dựa vào lưu đồ, tác giả đưa ra các trạng thái vận hành của thuật toán để so sánh với các trạng thái vận hành của thuật toán P&O truyền thống, mô tả trong bảng 3.1 Và 3.2 Với giá trị khởi tạo của thuật toán cải tiến được cho là c(1) = +0.003
Có thể dễ thấy, thuật toán cải tiến có những trường hợp giá trị điện áp tham chiếu được giữ nguyên trong chu kỳ nhiễu, có những trường hợp tăng nhanh hoặc giảm nhanh điện áp tham chiếu để nhanh chóng đạt được MPP hơn so với thuật toán truyền thống chỉ có thể tăng hoặc giảm điện áp tham chiếu theo một tốc độ hằng Tuy nhiên, thuật toán đề xuất theo tác giả về xét dấu của dP nên được thay thế bằng phép so sánh với 0 Bởi vì nếu giả sử có bức xạ không đổi lý tưởng (khó xảy ra trong thực tế), và điện áp tham chiếu không đổi, dẫn dến dP = 0 và thuật toán không thể tiếp tục
Hình 3.10 Lưu đồ của giải thuật cải tiến
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
Bảng 3.1 Trạng thái hoạt động của thuật toán truyền thống ΔP ΔV Δc = c(k – 1) +c(k) V ref (k) = V ref (k – 1) + Δc
Bảng 3.2 Trạng thái hoạt động của thuật toán cải tiến ΔP ΔV c(k – 1) Dấu c(k) Δc = c(k – 1) +c(k) V ref (k) = V ref (k – 1) + Δc
3.2.3 Kết quả mô phỏng, thử nghiệm và so sánh
Tác giả sử dụng công cụ MATLAB/SIMULINK để tiến hành mô phỏng kết quả của hai thuật toán Tấm pin mặt trời mô phỏng lấy từ thư viện có sẵn của MathWorks, công suất 2000Wp, 400V, kết nối với bộ chuyển đổi DC/DC tăng áp (boost) duy trì điện áp ra Vout = 450V Tải là một tải điện trở 120Ω
Hình 3.11 Mô phỏng thuật toán trên SIMULINK
3.2.3.1 Thử nghiệm theo phương pháp của Ropp [16]
Phương pháp thử nghiệm của Ropp đề cập trong [16] dùng để thực hiện kiểm tra hiệu suất của các giải thuật trong các điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi chậm, thay đổi nhanh, thay đổi theo nấc và ở điều kiện bức xạ không đổi Trình tự của các bước thay đổi được cho trong hình 3.12 So sánh hai thuật toán P&O truyền thống và thuật toán cải tiến với cùng điều kiện, bước nhiễu được giữ cố định ở 0,007% điện áp hở mạch của dải pin và mức điện áp tham chiếu được giữ giới hạn ở 430 – 445V
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
Hình 3.12 Thứ tự các điều kiện chiếu sáng thay đổi theo phương pháp của Ropp
Hình 3.13 cho thấy công suất ngõ ra của hai giải thuật MPPT là gần tương đương nhau, không có sự chênh lệch nào đáng kể Tuy nhiên, khi tính đến điện áp vận hành của hệ PV, thuật toán truyền thống có sự nhiễu loạn đáng kể ở vùng thời gian từ 1,5 phút đến 2 phút, tương đương với giai đoạn bức xạ không đổi sau quá trình tăng lên trước đó, hiện tượng được mô tả trong hình 3.14 Xét đến sự thay đổi của bước nhiễu, thuật toán cải tiến đưa Δc về bằng 0 tại vị trí bức xạ ổn định và khi có các biến đổi về bức xạ, miêu tả trong hình 3.15
Hình 3.13 So sánh công suất hai thuật toán trong thử nghiệm Ropp
Hình 3.14 Điện áp tham chiếu do hai thuật toán đưa ra
Hình 3.15 So sánh bước nhiễu loạn của hai thuật toán
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
3.2.3.2 Thử nghiệm ở điều kiện mô phỏng thời tiết thực
Hai thuật toán được mô phỏng thực hiện để so sánh theo điều kiện một ngày mưa điển hình tại Trivandrum (Bang Kerala, Ấn Độ)
So sánh công suất của hai giải thuật, ta thấy giá trị cho ra của hai giải thuật là gần như nhau với điều kiện thời tiết thay đổi rất mạnh, giải thuật cải tiến cho công suất lớn đôi chút so với giải thuật truyền thống tại các vị trí đỉnh thay đổi
Hình 3.16 So sánh công suất ngõ ra của hai giải thuật ở điều kiện thực
Hiệu suất trung bình ngõ ra biểu diễn trên hình 3.17 Với giá trị lần lượt là 90,1% và 91,11% cho giải thuật truyền thống và giải thuật cải tiến Có một số vị trí hiệu suất của hai giải thuật giảm xuống (khoảng 87,5%) do sự thay đổi đột ngột của điện áp tham chiếu
Hình 3.17 So sánh hiệu suất trung bình của hai giải thuật
3.2.3.3 Thử nghiệm ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ bức xạ
Hình 3.18 mô tả điều kiện thực hiện thử nghiệm ảnh hưởng của điều kiện nhiệt độ không khí và cường độ bức xạ lên hiệu suất của các thuật toán Kết quả so sánh công suất ngõ ra và điện áp tham chiếu được cho ở hình 3.19 và 3.20
Hình 3.18 Thông số môi trường theo thời gian của thử nghiệm
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
Hình 3.19 So sánh công suất ngõ ra của hai giải thuật
Hình 3.20 So sánh điện áp tham chiếu ngõ ra giữa hai giải thuật
Dễ dàng nhận thấy, ở điều kiện thay đổi chung giữa nhiệt độ và bức xạ, công suất ngõ ra của hai giải thuật có sự khác nhau đáng kể ở giai đoạn từ 1,8h đến 3,5h Dựa vào đồ thị điện áp tham chiếu, có thể thấy, thuật toán truyền thống đang vận hành ở mức điện áp ngưỡng (445V) liên tục Xét sự thay đổi Δc được biểu diễn trong hình 3 Ta thấy thuật toán cải tiến có nổi trội hơn ở điểm mức nhiễu loạn hầu như chỉ nằm trong khoảng 0 đến ±0,03 còn thuật toán truyền thống luôn dao động ở hai ngưỡng 0,03 và -0,03 Hiệu suất của giải thuật truyền thống so với giải thuật cải tiến là 91,4% và 92,2%
Hình 3.21 So sánh hiệu suất trong điều kiện thay đổi của nhiệt độ và bức xạ
Giải thuật thích nghi cho thuật toán P&O, Theo Ahmed và Salam (2016, 2018) [2, 17]
Theo đề xuất trong nghiên cứu [17], giải thuật thích nghi cải tiến cho thuật toán P&O (Enhance Adaptive P&O) được tác giả đề xuất để giải quyết 2 nhược điểm chính của thuật toán P&O truyền thống là sự dao động quanh giá trị điểm công suất cực đại tại chế độ vận hành xác lập và sự dò tìm sai lệch hướng trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi nhanh Ngoài ra trong nghiên cứu mới [2, 17], tác giả còn đề xuất thêm giải thuật cải tiến để thích nghi với điều kiện chiếu sáng cục bộ để dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục (Global MPP) trong các điểm công suất cực trị cục bộ (Local MPP)
3.3.1 Tổng quan về thuật toán thích nghi đề xuất
Nền tảng của giải thuật dựa trên các hiểu biết về đường cong P-V của PV và các nghiên cứu trước đó của tác giả cũng như các nghiên cứu khác Theo một số nghiên cứu, giá trị của VMPP nằm ở giá trị khoảng 70 – 80% giá trị VOC Thuật toán nhận diện khoảng cách xa hoặc gần điểm công suất bằng cách đặt ra một tham số độ dốc (slope) ϕ để điều chỉnh giá trị kích thước của nhiễu loạn điện áp
Nhờ vào mối quan hệ tuyến tính của IPV với bức xạ mặt trời G, tác giả đưa ra quan hệ giữa công suất P và G, và dựa vào độ biến thiên công suất ΔP để xác định được sự thay đổi nhanh của điều kiện bức xạ Thuật toán đưa ra một vùng điện áp vận hành giới hạn cho hệ làm việc để chống lại việc điểm làm việc bị dịch xa khỏi điểm công suất cực đại khi điều kiện chiếu sáng thay đổi nhanh
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
3.3.2 Giải thuật thích nghi để đáp ứng với điều kiện chiếu sáng thay đổi nhanh và sự dao động tại điểm MPP [17]
3.3.2.1 Lưu đồ giải thuật của thuật toán
Lưu đồ giải thuật của thuật toán được thể hiện trong hình 3.22
Hình 3.22 Lưu đồ giải thuật của thuật toán thích nghi
3.3.2.2 Thay đổi kích thước nhiễu
Thuật toán thích nghi kích thước nhiễu loạn theo tác giả dựa trên cơ sở các nghiên cứu cho thấy điện áp ở điểm công suất cực đại nằm lân cận 0,8VOC-array Thuật toán bắt đầu được khởi tạo tại vị trí giá trị 0,65VOC-array để có thể có được một khoảng cách thích hợp cho thuật toán vận hành, cũng như nhanh chóng đạt điểm công suất cực đại hơn
Một giá trị ϕ được sử dụng, nó là kết quả về dấu của tích ΔP và ΔV sau mỗi nhiễu loạn Kết quả của tích như trình bày tại bảng 3 Các giá trị này được liên tục ghi nhận, tính tổng 5 chu kỳ gần nhất và xem xét điều kiện: Nếu |∑ ϕ| < 5, thì hệ đang vận hành quanh điểm MPP, nếu |∑ ϕ| = 5 thì hệ đang làm việc các xa điểm MPP Giá trị nhiễu loạn ban đầu được khởi tạo tại 0,02VOC-array Nếu thoả điều kiện làm việc quanh điểm MPP, mỗi lần nhiễu loạn sẽ giảm đi 0,005VOC-array, đến khi nhiễu loạn đạt giá trị 0,005VOC-array
SVTH: Lê Duy Quốc 31 ΔP ΔV Giá trị ϕ
3.3.2.3 Điều kiện biên điện áp để giải quyết sự sai lệch của chiều nhiễu loạn trong điều kiện bức xạ thay đổi nhanh
Một giá trị steady được dùng để xác định hệ đã vận hành ở điểm ổn định chưa, dựa vào kết quả của giá trị dao động điện áp ở bước trên Steady nhận hai giá trị 0 và
1, tương ứng cho trạng thái chưa và đã ổn định quanh MPP Ban đầu, biên điện áp được khởi tạo tại [0,5VOC, 0,95VOC]
Khi steady nhận giá trị 1, biên điện áp mới được đặt tại [VMPP * - 0,05VOC-array,
VMPP * + 0,05VOC-array] Việc chọn biên điện áp chênh lệch 5% so với điện áp hệ PV do các quan sát thực tế khi cường độ ánh sáng thay đổi, điện áp tại MPP thay đổi trong khoảng 5% Với điều kiện này, khi ánh sáng thay đổi, điểm làm việc luôn buộc làm việc trong khoảng điện áp gần MPP mà không bị lọt ra ngoài
Hình 3.23 MPP tại các cường độ chiếu sáng khác nhau và biên điện áp Để xác định được quá trình tăng nhanh của cường độ bức xạ G, tác giả không sử dụng thêm cảm biến ánh sáng mà sử dụng quan hệ của dòng điện với cường độ bức xạ như biểu thức (3.5)
Do đó, ta rút ra được quan hệ như biểu thức (3.6)
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
Ta có 𝑉 2 = 𝑉 1 + 𝛥𝑉, mà𝛥𝑉 ≪ 𝑉 1 , nên ta có 𝑉 2 ≈ 𝑉 1 , suy ra
Qua đó, nhờ sự ghi nhận về công suất, ta có thể xác định tương đối đúng về độ thay đổi của bức xạ mặt trời Có 2 trường hợp bức xạ thay đổi là thay đổi chậm (10W/m 2 /s) Lấy mốc STC làm chuẩn, ta thấy trong trường hợp thay đổi nhanh, giá trị 𝛥𝐺
𝐺 1 sẽ lớn hơn 0,01, lúc này cần tăng bước nhiễu về giá trị khởi tạo (0,02VOC-array), và trường hợp ngược lại, bước nhiễu cần giảm thấp về tối thiểu (0,005VOC-array)
Thí nghiệm so sánh kết quả của hai thuật toán được thực hiện qua mô phỏng trên MATLAB/Simulink và trên mạch thực tế, với điều kiện thử nghiệm theo EN50530 Thử nghiệm trên thiết bị thực được thực hiện bằng bộ PVAS (PV Array Simulation) có thể tuỳ biến các thông số bức xạ, nhiệt độ, các hệ số trong mạch tương đương và vi điều khiển TMS320F240 DSP trên bộ Dspace DS1104
Kết quả thử nghiệm theo tiêu chuẩn EN50530 được cho trong hình 3… Ta thấy trong vùng bức xạ thay đổi chậm 0,5W/m 2 /s, hai thuật toán cho kết quả gần tương đồng, tuy nhiên quan sát ảnh phóng to, thuật toán truyền thống có dao động lớn quanh MPP Khi tốc độ thay đổi tăng dần, thuật toán truyền thống thể hiện rõ việc dò sai lệch điểm MPP do đó dẫn đến công suất giảm xuống đáng kể so với thuật toán thích nghi cải tiến Hiệu suất ngõ ra của thuật toán mới hiệu quả cao hơn 13% so với thuật toán truyền thống trong điều kiện thay đổi nhanh, thể hiện trong hình 3
Hình 3.24 Kết quả thử nghiệm theo tiêu chuẩn EN50530
Hình 3.25 So sánh hiệu suất của hai thuật toán thử nghiệm theo EN50530
Tiến hành mô phỏng và thí nghiệm thực vận hành của thuật toán trên thực tế với độ tăng công suất bức xạ 30W/m 2 , kết quả được so sánh như hình 3.26.a và 3.26.b Với đường đứt nét là giá trị thuật toán cần bám theo Kết quả mô phỏng và thí nghiệm đều cho thấy thuật toán truyền thống dò tìm sai hướng, dẫn đến công suất thu được không phải là công suất cực đại Với thuật toán thích nghi cải tiến, đường công suất thu được sát với đường đứt nét, hiệu suất đạt rất cao trên 99%, trong đó điện áp vận hành đã bị giới hạn ở mức ngưỡng trên do điều kiện biên điện áp được áp dụng
Chương 3 TT dò tìm ĐCSCĐ cải tiến dựa trên thuật toán NL&QS
Hình 3.26 Kết quả mô phỏng và thí nghiệm ở tốc độ 30W/m 2 /s
(a) Thuật toán truyền thống; (b) Thuật toán thích nghi