Luận văn thạc sĩ Kỹ thuật điện: Tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời

NGUYỄN TRƯỜNG THIÊN AN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 7 năm 2023 Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS Nguyễn Phúc Khải Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS TS Huỳnh Châu Duy

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP HCM ngày 15 tháng 7 năm 2023

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ Tịch PGS TS Vũ Phan Tú

2 Thư Ký TS Nguyễn Nhật Nam

3 Phản Biện 1 TS Nguyễn Ngọc Phúc Diễm 4 Phản Biện 2 PGS TS Huỳnh Châu Duy 5 Uỷ Viên TS Lê Văn Đại

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Trường Thiên An MSHV: 2270056 Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1997 Nơi sinh: TP HCM

I TÊN ĐỀ TÀI: Tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời (Topology

reconfiguration in PV system)

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nắm rõ nguyên lý của pin năng lượng mặt trời và hiện tượng che khuất một phần 2 Nghiên cứu phương pháp tái cấu trúc hệ thống bằng giải thuật Smart – Choice 3 Đề xuất và sử dụng kết hợp tái cấu trúc và cực đại công suất bằng giải thuật P&O 4 Mô phỏng hệ thống, đánh giá, so sánh và kết luận kết quả đạt được

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS Nguyễn Phúc Khải

LỜI CẢM ƠN

Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Phúc Khải, người đã hướng dẫn em thực hiện luận văn này Thầy đã truyền đạt những hiểu biết, kinh nghiệm; cung cấp các tài liệu cần thiết và giải đáp những thắc mắc, vấn đề mà em gặp phải trong quá trình làm luận văn Sự tận tình và quan tâm của Thầy chính là động lực để em cố gắng nghiên cứu và học tập Một lần nữa, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy

Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô ở Bộ môn, Khoa Điện - Điện tử, trường Đại học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh Tuy không trực tiếp hướng dẫn em, nhưng những kiến thức mà thầy cô đã giảng dạy cho em trong suốt những năm đại học là cơ sở, nền tảng vững chắc giúp em có đủ khả năng để thực hiện luận văn này

Song song với đó, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bạn Đồng Bá Long và Nguyễn Huỳnh Đức vì đã đồng hành và hỗ trợ bản thân em trong suốt quá trình thực hiện đề tài

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, những người đã luôn bên cạnh, ủng hộ em, là điểm tựa tinh thần và cũng là động lực chính để em toàn tâm, toàn ý hoàn thành chặng đường này

Tp Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

Nguyễn Trường Thiên An

TÓM TẮT LUẬN VĂN

ĐỀ TÀI: TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Ngày nay, sự cạn kiệt của năng lượng hóa thạch vẫn đang tồn tại như là một thách thức đối với ngành công nghiệp năng lượng dẫu cho sự ra đời của năng lượng tái tạo Những nguồn năng lượng mới được sử dụng hiện nay như năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, … đã góp phần giảm đáng kể mối lo về vấn đề khủng hoảng năng lượng toàn cầu Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận rằng năng lượng tái tạo hiện nay vẫn chưa hoàn toàn thay thế được năng lượng truyền thống vì những nhược điểm mà nó mang lại, chẳng hạn như sự suy giảm thông số quán tính trong hệ thống điện hay sự không ổn định mà cụ thể là quá phụ thuộc vào điều kiện môi trường để từ đó dẫn đến không đáp ứng được các thông số để đạt được mục đích sử dụng Luận văn này tập trung chính vào hệ thống pin năng lượng mặt trời, cụ thể hơn là tối ưu hóa công suất đầu ra cho hệ thống bất kể thời tiết xấu Một trong những vấn đề gây suy giảm công suất đến cho những tấm pin năng lượng mặt trời đó là hiện tượng che khuất một phần Hiện tượng này không những chỉ làm giảm đáng kể công suất đầu ra mà còn gây nên hiện tượng hot-spot dẫn đến hư hại tại những tấm pin gặp hiện tượng che khuất Ý tưởng để thực hiện nội dung này là sử dụng ma trận các khóa để thay đổi cấu trúc của mạng lưới kết nối của các tấm pin pin năng lượng mặt Không những vậy, để tối ưu hóa cũng như kiểm chứng được hiệu quả của việc tái cấu trúc, tác giả đề xuất sử dụng phương pháp lai (hybrid) bằng cách sử dụng thêm thuật toán quen thuộc P&O sau khi đã tái cấu trúc mạng lưới pin

Lý thuyết và mô phỏng được trình bày theo từng phần nội dung của luận văn Luận văn sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời cùng ma trận khóa và thuật toán P&O Từ đó, so sánh, đánh giá và kết luận về độ hiệu quả của phương pháp được đề xuất

THESIS SUMMARY

TOPIC: TOPOLOGY RECONFIGURATION IN PV SYSTEM

Nowadays, the depletion of fossil energy still exists as a challenge for the energy industry despite the advent of renewable energy New energy sources are used today such as solar energy, wind energy, tidal energy, contributed to significantly reducing the concern about the global energy crisis However, it must also be acknowledged that renewable energy currently has not completely replaced traditional energy because of the disadvantages it brings, such as the reduction of inertia parameters in the power system or the unstable, but specifically too dependent on environmental conditions, resulting in failure to meet the parameters to achieve the intended use

This thesis mainly focuses on the solar battery system, more specifically, optimizing the output power for the system regardless of bad weather One of the problems that causes power loss for solar panels is partial shadding This not only significantly reduces the output power, but also causes a hot-spot phenomenon that leads to damage at the panels that encounter the phenomenon of obscuring The idea to implement this content is to use the matrix of keys to change the structure of the interconnection network of solar cell tấm pins Not only that, in order to optimize as well as verify the effectiveness of the reconstruction, the author proposes to use the hybrid method by using the familiar P&O algorithm after reconfigurating topology of PV system

Theory and simulation are presented in each part of the thesis The thesis uses Matlab - Simulink software to simulate solar battery system with key matrix and P&O algorithm From there, compare, evaluate and conclude on the effectiveness of the proposed method

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên: Nguyễn Trường Thiên An, là học viên Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện, khóa 2022, tại Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh – Trường Đại học Bách Khoa Tôi xin cam đoan những nội dung sau đều là sự thật:

• Công trình nghiên cứu này hoàn toàn do chính tôi thực hiện

• Các tài liệu và trích dẫn trong luận văn này được tham khảo từ các nguồn thực tế, có uy tín và độ chính xác cao

• Các số liệu và kết quả của công trình này được tôi tự thực hiện một cách độc lập và trung thực

TP Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

Nguyễn Trường Thiên An

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1

1.1 TỔNG QUAN 1

1.2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN 2

1.2.1 Nhiệm vụ của đề tài 2

1.2.2 Giới hạn của đề tài 3

1.2.3 Nội dung thực hiện 3

1.3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 4

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN 5

2.2 PHƯƠNG PHÁP HIỆN HỮU GIẢM TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN 10

2.2.1 Sử dụng diode 10

2.2.2 Cấu hình mạng kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời 13

2.2.3 Sử dụng inverter nâng cao công suất 25

CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI PV 29

3.1 LÝ THUYẾT 29

3.2 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC ĐỀ XUẤT 31

3.2.1 Thuật toán Dynamic – Subset – sum – rule 31

3.2.2 Thuật toán Best – Worst 34

3.2.3 Thuật toán Smart – Choice 35

3.3 HỆ THỐNG MA TRẬN KHOÁ ĐỂ THỰC HIỆN TÁI CẤU TRÚC 37

3.4 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT – SỬ DỤNG CẤU HÌNH HYBRID KẾT HỢP GIỮA TÁI CẤU TRÚC VÀ TỐI ƯU CÔNG SUẤT 39

3.4.1 Giải thuật tối ưu công suất P&O 40

3.4.2 Giải thuật kết hợp tái cấu trúc cùng tối ưu công suất cho hệ thống pin mặt

trời 44

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 46

4.1 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB – SIMULINK 46

4.2 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN SMART-CHOICE 48

4.3 MÔ PHỎNG THUẬT TOÁN KẾT HỢP SMART – CHOICE VÀ P&O 59

MỤC LỤC HÌNH ẢNH

Hình 2.1: Sơ đồ mạch tương đương lý tưởng 5

Hình 2.2: Sơ đồ mạch tương đương thực tế 6

Hình 2.3: Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V v à P-V 7

Hình 2.4: Đặc tính I-V và P-V của tấm pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi 7

Hình 2.5: Tấm pin với chuỗi n tế bào quang điện 8

Hình 2.6: Đặc tính I-V và P-V của pin khi một tế bào bị che nắng 10

Hình 2.7:Mạch tương đương và điện áp trên tế bào quang điện 11

Hình 2.8:Hoạt động của tế bào quang điện có diode bypass 11

Hình 2.9: Hoạt động của một dãy pin quang điện nạp điện trực tiếp cho bộ acquy 65V 12

Hình 2.10: Hoạt động của dãy pin mắc song song và bị che sáng một phần 13

Hình 2.11: Các cấu hình liên kết tấm pin khác nhau: (a) Simple-Series, (b) Parallel, (c) Series-Parallel, (d) Total-Cross-Tied (TCT), (e) Bridge – Link (BL), (f) Honey – Comb (HC) 14

Hình 2.12: Phần tử Solar Cell trong Simulink – Matlab và thông số để áp dụng mô phỏng 15

Hình 2.13: Cấu hình mạng PV nối tiếp mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần 16

Hình 2.14: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình nối tiếp được mô phỏng 16

Hình 2.15: Cấu hình PV song song mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần 17

Hình 2.16: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình song song được mô phỏng 18Hình 2.17: Cấu hình PV nối tiếp – song song mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần 19

Hình 2.18: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Series-Parallel được mô phỏng 19

Hình 2.19: Cấu hình PV TCT mô phỏng[ trong trường hợp bị che khuất một phần 20Hình 2.20: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình TCT được mô phỏng 20

Hình 2.21: Cấu hình PV Bridge – Link mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một

Hình 2.26: So sánh điểm làm việc cực đại của 4 cấu hình 24

Hình 2.27: Hệ thống Tấm pin với Distributed MPPT 25

Hình 2.28: Cấu hình inverter trung tâm 26

Hình 2.29: Cấu hình inverter nối tiêp 27

Hình 2.30: Cấu hình inverter nối tiếp – trung tâm 27

Hình 2.31: Cấu hình inverter tại mỗi tấm pin 28

Hình 3.1: Mạng lưới pin được cấu hình theo dạng TCT 29

Hình 3.2: a) Cấu hình trước khi tái cấu trúc; b) Cấu hình sau khi tái cấu trúc 30

Hình 3.3: Cấu hình TCT trong ví dụ thuật toán Dynamic Subset Rule 31

Hình 3.4: Bước 2 tái cấu trúc theo Subset – Sum – Rule 32

Hình 3.5: Bước 3 tái cấu trúc theo Subset – Sum – Rule 32

Hình 3.6: Cách thức thực hiện thuật toán Subset – Sum – Rule chi tiết 33

Hình 3.7: Bước 5 tái cấu trúc theo Subset – Sum – Rule 33

Hình 3.8: Cấu hình TCT sau khi tái cấu trúc 34

Hình 3.9: Các bước thực hiện thuật toán Best – Worst Sorting 34

Hình 3.10: Thuật toán Best – Worst, tối giản các bước lặp lại và sắp xếp theo cột 35Hình 3.11: Cấu hình TCT 4x4 ban đầu, được tái cấu trúc bằng Smart – Choice 36

Hình 3.12: Vector sau khi sắp xếp từ cấu hình ban đầu 36

Hình 3.13: Bước 2 thuật toán Smart – Choice 36

Hình 3.14: Bước 3 thuật toán Smart – Choice 36

Hình 3.15: Hoàn thiện tái cấu trúc theo thuật toán Smart – Choice 37

Hình 3.16: Hoàn thiện tái cấu trúc theo thuật toán Best – Worst 37

Hình 3.17: Cấu hình hệ thống ma trận khoá – DES 38

Hình 3.18: Khoá đóng ngắt cho hệ thống NLMT 9 tấm pin dạng TCT 39

Hình 3.19: Đặc tính I-V, P-V và điểm làm việc cực đại (MPP) của pin quang điện 40

Hình 3.20: Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O 41

Hình 3.21: Cách xác định MPP trên đặc tính P-V 42

Hình 3.22: Lưu đồ giải thuật P&O 42

Hình 3.23: Cấu hình bộ biến đổi DC - DC Boost với khoá điều khiển bằng xung vuông 43

Hình 3.24: Sơ đồ thực hiện giải thuật kết hợp Smart – Choice và P&O 44

Hình 4.1: Phần tử PV Array trong phần mềm Matlab – Simulink 46

Hình 4.2: Các thông số cơ bản của một tấm pin pin quang điện trong hệ thống mô phỏng 47

Hình 4.3: Đồ thị I-V và P-V ứng với tấm pin mô phỏng 47

Hình 4.4: Lưu đồ các bước thực hiện mô phỏng tái cấu trúc bằng Smart – Choice 48Hình 4.5: Hệ thống pin năng lượng mặt trời mô phỏng ban đầu 49

Hình 4.6: Khối Matlab Function trong Simulink 49

Hình 4.7: Khối Ideal Switch trong Simulink 50

Hình 4.8: Khối điều khiển khóa trong DES 51

Hình 4.9: Cấu hình tổng quát của bộ khóa chuyển đổi DES 52

Hình 4.10: Mô phỏng Diode bypass cho hệ thống pin năng lượng mặt trời 53

Hình 4.11: Thông số nhiệt độ và bức xạ đầu vào của các tấm pin trong hệ thống mô phỏng 56

Hình 4.12: Đặc tính I – V của hệ thống trước và sau khi tái cấu trúc 56

Hình 4.13: Đặc tính P – V của hệ thống trước và sau khi tái cấu trúc 57

Hình 4.14: Mô phỏng toàn bộ hệ thống tái cấu trúc trong Simulink 58

Hình 4.15: Bộ DC – DC boost trong hệ thống mô phỏng 59

Hình 4.16: Khối điều khiển MOSFET 60

Hình 4.17: Giải thuật P&O cùng bộ điều khiển PI điều chế sóng mang PWM 60

Hình 4.18: Mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng phương pháp kết hợp giữa tái cấu trúc và bắt điểm công suất cực đại 61

Hình 4.19: Lưu đồ các bước thực hiện phương pháp tích hợp 62

Hình 4.20: Giá trị điện áp và dòng điện của hệ thống sau tái cấu trúc và tối ưu công suất 63

Hình 4.21: So sánh giá trị công suất của hệ thống tại trường hợp 1 64

Hình 4.22: So sánh giá trị công suất của hệ thống tại trường hợp 2 64

Hình 4.23: So sánh giá trị công suất của hệ thống tại trường hợp 3 64

Hình 4.24: So sánh giá trị công suất của hệ thống tại trường hợp 4 65

Hình 4.25: So sánh giá trị công suất của hệ thống giữa hai phương pháp tại tất cả các trường hợp 66

Hình 4.26: Sự thay đổi công suất khi các trường hợp làm việc thay đổi liên tục 66

MỤC LỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2-1: Bảng so sánh thông số điểm làm việc cực đại của từng cấu hình kết hợp 23Bảng 4-1: Vị trí và lượng bức xạ nhận được của mỗi tấm pin trong hệ thống mô phỏng 54Bảng 4-2: Vị trí và lượng bức xạ trước và sau tái cấu trúc bằng giải thuật Smart – Choice 55Bảng 4-3: Các trường hợp thực hiện mô phỏng 62Bảng 4-4: So sánh giá trị công suất của hệ thống 65

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU 1.1 TỔNG QUAN

Mức tiêu thụ năng lượng điện năng đang gia tăng rất nhanh trên phạm vi toàn thế giới, do đó nhu cầu về các nhà máy sản xuất điện cũng cần được quan tâm để đáp ứng nhu cầu sử dụng điện Theo kết quả của một báo cáo [1], là một nước tiêu thụ điện đứng thứ 4 thế giới và thứ 3 về sản xuất năng lượng điện, Ấn Độ hoàn toàn có đủ khả năng để khai thác các dạng năng lượng hữu hạn và vô hạn Ví dụ năng lượng khí đốt như dầu, than đá, khí gas và năng lượng hóa thạch Việc sử dụng dạng năng lượng truyền thống này hoàn toàn gây hại đến hệ sinh thái do khí thải nhà kính và các tác động sinh hóa khác vì vậy đòi hỏi phải sử dụng các năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, địa nhiệt, gió, v.v Năng lượng mặt trời, do phổ biến rộng rãi dễ tiếp cận trong tự nhiên, có thể được coi là nguồn tài nguyên tái tạo quan trọng và cần thiết nhất [2]

Mặt khác, các mô-đun PV tuy có hiệu năng chưa tối ưu nhưng đã là một lựa chọn tuyệt vời cho nhiều ứng dụng, bao gồm các công trình thương mại và dân cư, triển khai nông thôn, hệ thống bơm nước và xe điện Ngoài ra, nhiệt độ môi trường xung quanh (T) và bức xạ mặt trời (G) có tác động lớn đến lượng điện PV được tạo ra Hai đại lượng này xác định điểm công suất tối đa (MPP) của mô-đun PV Nhiều khó khăn nảy sinh do tính chất phi tuyến tính của mô-đun PV: (a) hiệu suất chuyển đổi kém của các mô-đun PV làm hạn chế lượng năng lượng do mặt trời cung cấp [3], (b) Chi phí sản xuất PV trên mỗi kW đắt đỏ, ( c) Năng lượng quang điện mặt trời (PV) dao động liên tục do thay đổi nhiệt độ và bức xạ, và (d) hiện tượng che khuất một phần, các mô-đun PV không hoạt động tốt như hoạt động của nó trong điều kiện bình thường Do các yếu tố đã nói ở trên, sự khác biệt giữa sản lượng năng lượng thực tế và năng lượng khai thác xảy ra

Nhiều chuyên gia hiện nay đang nghiên cứu các phương pháp để có thể nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các tấm pin PV xuống giá thấp nhất trên mỗi kW [4], [5] Hơn thế nữa, các phương pháp tối ưu công suất như dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) đã được phát minh để nâng cao công suất đầu ra cho hệ thống pin PV [6] MPPT là một thuật toán đi kèm theo các bộ chuyển đổi (nghịch lưu) và

tải Cụ thể hơn tại từng điều kiện môi trường khác nhau, hệ thống sẽ được vận hành tại điểm có công suất cực đại (MPP) [7] Tuy đã có rất nhiều các phương pháp, song hiện tượng che khuất một phần luôn là vấn đề quan trọng vì không những nó làm giảm thiểu đáng kể công suất đầu ra của hệ thống mà còn gây các hiện tượng hư hại đến pin mặt trời (hiện tượng “hot-spot” tại tấm pin bị che khuất) Để phần nào giải quyết vấn đề đó, các nhà nghiên cứu trong vài năm trở lại đây đã phát triển và tiên phong trong việc tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời, phương pháp này được thực hiện bằng cách thay đổi vị trí các tấm pin trong hệ thống để tránh những tác hại mà hiện tượng che khuất một phần gây ra

1.2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN

Với những nội dung được đặt ra ở trên, việc năng lượng tái tạo sẽ sớm trở thành năng lượng chính thay thế năng lượng truyền thống đã rất rõ ràng Cùng với đó, việc nghiên cứu để ngày càng hoàn thiện các chức năng và hạn chế các khuyết điểm của dạng năng lượng này là hết sức cần thiết – mà đáng quan tâm nhất là hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng các tấm pin PV Dưới đây là nhiệm vụ đặt ra và hướng giải quyết của đề tài luận văn này

1.2.1 Nhiệm vụ của đề tài

Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu về ảnh hưởng của hiện tượng che khuất một phần lên hệ thống pin năng lượng mặt trời Từ đó, đề xuất cách giải quyết bằng lý thuyết và mô phỏng lại hệ thống khi sử dụng phương pháp kết hợp tái cấu trúc và tối ưu công suất Kết quả được ghi nhận trong quá trình mô phỏng sẽ được so sánh, đánh giá và kết luận

Các nhiệm vụ được chia nhỏ như sau:

• Nắm vững lý thuyết mạch của hệ thống pin năng lượng mặt trời từ nguyên lý, cấu hình và cách lắp đặt, đặc biệt cần hiểu rõ bản chất của hiện tượng che khuất một phần

• Nghiên cứu các phương pháp hiện hữu đã được xây dựng và ứng dụng trong thực tế để nâng cao công suất đầu ra cho hệ thống

• Nghiên cứu phương pháp mới trong đó có tái cấu trúc hệ thống nhằm giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng che khuất và tối ưu công suất của hệ thống

• Đề xuất phương pháp mới bằng cách kết hợp hai phương pháp vào hệ thống: sử dụng thuật toán Smart – Choice để tái cấu trúc kết hợp với thuật toán P&O

• Triển khai hệ thống, ghi nhận, so sánh, đánh giá kết quả được mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink

1.2.2 Giới hạn của đề tài

Luận văn trình bày phương pháp tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng ma trận khoá Hệ thống ma trận khoá này cần có số lượng khoá lớn để thực hiện thay đổi vị trí tấm pin trong mạng lưới kết nối Với hạn chế thiết bị cá nhân, luận văn mô phỏng một hệ thống điện mặt trời đơn giản dưới dạng 3x3 cùng 54 khoá đóng ngắt Do đó, đề tài chỉ đang phù hợp với các hệ thống năng lượng mặt trời áp mái hộ gia đình Ngoài ra, do hạn chế về nguồn dữ liệu thực tế, tác giả thực hiện mô phỏng bằng cách giả định các trường hợp làm việc với các lượng bức xạ khác nhau mà chưa thể hiện được sự thay đổi liên tục các điều kiện làm việc khác nhau trong thực tế

1.2.3 Nội dung thực hiện

Luận văn được trình bày theo các nội dung sau:

• Chương 1: Giới thiệu – Trình bày tổng quan về đề tài, tính cấp thiết và nội dung được thực hiện trong luận văn

• Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày lý thuyết về hệ thống năng lượng mặt trời cùng hiện tượng che khuất một phần Nghiên cứu kĩ hơn về các phương pháp hiện hữu ngày nay, thực hiện mô phỏng các cấu hình PV trong cùng một điều kiện che khuất để từ đó lựa chợn được mô hình tối ưu nhất cho việc tái cấu trúc hệ thống

• Chương 3: Giải thuật tái cấu trúc mạng lưới PV – Trình bày cơ sở lý thuyết để thực hiện phương pháp Giới thiệu và hiểu rõ các thuật toán

được sử dụng để thực hiện tái cấu trúc qua đó đề xuất phương pháp kết hợp sử dụng 2 giải thuật Smart – Choice và P&O

• Chương 4: Kết quả mô phỏng – Thực hiện mô phỏng hệ thống bằng phần mềm Matlab – Simulink Kết quả được ghi nhận sẽ được so sánh, đánh giá và kết luận tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất

• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển – Kết hợp kết quả của phương pháp đề xuất cùng các nghiên cứu gần nhất để đưa ra nhận định về tính khả quan, độ hiệu quả Từ đó cũng đưa ra các khuyết điểm của phương pháp và đề xuất hướng cải thiện tiếp tục cho tương lai

1.3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

- PV module: Photovoltaic module (tấm pin năng lượng mặt trời) - MPPT: Maximum power point tracker (bám điểm công suất cực đại) - SP: Series – Parallel (cấu hình nối tiếp – song song)

- TCT: Total Cross Tied (cấu hình song song – nối tiếp) - BL: Bridge – Link

- HC: Honey – Comb

- DES: Dynamic Electrical Scheme (hệ thống ma trận khoá) - PWM: Pulse Width Modulation (điều chế độ rộng xung)

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN

Để tìm hiểu và phân tích hiện tượng che khuất một phần xuất hiện trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, mạch tương đương và đặc tính của tấm pin quang điện cũng cần được nắm vững và hiểu rõ [8]

Mạch tương đương của pin mặt trời bao gồm một diode lý tưởng mắc song song với một nguồn dòng lý tưởng có chiều như trên hình 2.1 Nguồn dòng cung cấp một dòng tỉ lệ với độ chiếu nắng trên tế bào quang điện Tuy nhiên, một tấm pin quang điện trong thực tế là dãy gồm các tế bào quang điện ghép nối tiếp với nhau, do mỗi tế bào quang điện chỉ sinh ra điện áp khoảng 0.5 – 0.6 V khi được chiếu sáng Với mạch tương đương đơn giản như hình 2.1, nếu một tế bào quang điện trong một dãy ghép nối tiếp không được chiếu sáng thì sẽ không có dòng điện chạy qua dãy tế bào đó Điều này trong thực tế là không hoàn toàn đúng, vì trong trường hợp này dãy tế bào vẫn có thể cung cấp dòng điện ở ngõ ra mặc dù công suất có thể giảm đáng kể Mạch tương đương chính xác hơn của tế bào quang điện như ở hình 2.2, trong đó Rp là điện trở song song đặc trưng cho dòng rò của tế bào quang điện, Rs là điện trở nối tiếp đặc trưng cho tiếp xúc giữa phiến bán dẫn và điện cực kim loại và điện trở của chính phiến bán dẫn của tế bào quang điện Dòng điện đi qua tải được thể hiện qua phương trình (2.1)

Hình 2.2: Sơ đồ mạch tương đương thực tế

Vì đặc tính I-V của pin quang điện thay đổi theo độ nắng và nhiệt độ của pin, nên để có thể so sánh các tấm pin pin quang điện khác nhau, nhà sản xuất thường cung cấp số liệu về đặc tính pin ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC – Standard Test Condition) Điều kiện tiêu chuẩn này bao gồm: pin được chiếu sáng với ánh sáng mặt trời có công suất chiếu sáng là 1kW/m2 (tương ứng với air-mass ratio là 1.5 – AM 1.5), và nhiệt độ của pin là 25C (lưu ý đây là nhiệt độ của tế bào quang điện, không phải nhiệt độ môi trường) Những thông số của pin được cung cấp trong điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn thường là: Isc, Voc, công suất cực đại của pin Pmax, v.v… Cần lưu ý là với độ chiếu nắng cho trước, công suất ra của pin phụ thuộc vào đặc tính tải và sẽ đạt giá trị công suất cực đại gần điểm cánh chỏ (knee-point) của đặc tính I-V Đặc tính I-V và P-V (công suất theo điện áp ra) của pin quang điện với các độ chiếu nắng khác nhau sẽ khác nhau, hình 2.3 thể hiện đặc tính I-V, P-V của pin quang điện STP240-20/Wde thương hiệu SUNTECH với từng mức độ chiếu sáng khác nhau

Hình 2.3: Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V v à P-V của pin quang điện STP240-20/Wde, SUNTECH

Hình 2.3 cho thấy ở cùng một nhiệt độ, khi độ chiếu nắng lên pin thay đổi, dòng ngắn mạch Isccủa pin thay đổi đáng kể trong khi điện áp hở mạch Vocbiến thiên ít

Ngược lại, hình 2.4 cho đặc tính I-V và P-V của một pin quang điện khi nhiệt độ của pin thay đổi trong khi độ chiếu nắng trên pin không đổi Có thể thấy rằng trong trường hợp này Iscbiến thiên không đáng kể trong khi Vocthay đổi nhiều, khiến đặc tính của pin cũng thay đổi theo nhiệt độ Lưu ý là đặc tính này, có thể suy ra răng nhiệt độ môi trường giảm, pin quang điện có thể cung caáp công suất ra lớn hơn, nghĩa là hoạt động tốt hơn

Hình 2.4: Đặc tính I-V và P-V của tấm pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi

Ngoài ra, nhiệt độ của pin còn phụ thuộc vào độ chiếu nắng pin nhận được Vì chỉ một phần nhỏ công suất trong ánh sáng mặt trời chuyển tới pin chuyển thành điện năng và cung cấp cho mạch ngoài, phần còn lại sẽ được chuyển thành nhiệt năng làm tăng nhiệt độ của pin

Yếu tố đặc biệt và quan trọng hơn cả khi sử dụng hệ thống pin mặt trời trong thực tế là ảnh hưởng của việc chiếu nắng không đều (hay che khuất một phần) Điều này ảnh hưởng nghiêm trọng đến đặc tính làm việc của pin quang điện Công suất ra của pin quang điện có thể bị suy giảm nghiêm trọng nếu được chiếu sáng không đều: chỉ cần một tế bào quang điện trong chuỗi tế bào của pin bị che khuất, công suất ra của pin có thể giảm đi đến một nửa

Hình 2.5a giả thiết chỉ có một tế bào trong dãy n – tế bào quang điện mắc nối tiếp của một tấm pin bị che nắng Để dễ tính toán, ta giả thiết là chỉ có tế bào phía trên cùng bị che nắng trong khi n – 1 tế bào còn lại được chiếu nắng như nhau (vị trí của tế bào bị che nắng không ảnh hướng đến kết quả tính toán) Mạch tương đương của pin quang điện trong trường hợp này được thể hiện trên hình 2.5b

Hình 2.5: Tấm pin với chuỗi n tế bào quang điện

Trong trường hợp tất cả các tế bào trong dãy được chiếu nắng như nhau (hình 2.5a), dòng điện I qua các tế bào quang điện là như nhau Trong trường hợp tế bào quang điện trên cùng bị che nắng hoàn toàn như hình 2.5b, dòng Isccủa tế bào này là bằng 0 Với chiều của dòng điện I như hình vẽ, điện áp rơi trên Rp sẽ phân cực diode trong

mạch tương đương của tế bào trên cùng, và do đó diode này sẽ tắt Như vậy, dòng điện của tấm pin sẽ phải đi qua điện trở Rp và Rs của tế bào bị che nắng, làm giảm đáng kể dòng và điện áp ra của tấm pin

Giả thiết n – 1 tế bào quang điện còn lại được chiếu nắng như nhau, phần này sẽ sản sinh ra dòng điện I và điện áp Vn−1 Điện áp ra của tấm pin pin trong trường hợp này sẽ là:

Hình 2.6: Đặc tính I-V và P-V của pin khi một tế bào bị che nắng

2.2 PHƯƠNG PHÁP HIỆN HỮU GIẢM TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN

Có rất nhiều cách tiếp cận để giảm ảnh hưởng của hiện tượng che khuất một phần, chủ yếu được chia thành 2 loại chính [9]:

- Cấu hình mạng lưới pin tĩnh (Static PV array reconfiguration – SPAR) - Cấu hình mạng lưới pin động (Dynamic PV array reconfiguration – DPAR) Đối với mạng lưới pin tĩnh, cấu hình cũng như vị trí của các tấm pin năng lượng mặt trời được giữ cố định theo thiết kế ban đầu Do đó, người thiết kế cần phải khảo sát địa hình cũng như điều kiện làm việc để từ đó lên phương án tối ưu nhất cho hệ thống Một số phương pháp có thể kể đến là sử dụng diode, cấu hình kết nối các tấm pin phù hợp hoặc liên kết các tấm pin với inverter theo các tối ưu nhất

2.2.1 Sử dụng diode

Để khắc phục tình trạng dòng điện và công suất ra của pin quang điện bị giảm mạnh khi bị che nắng một phần, ta thường sử dụng bypass diode mắc song song ngược với pin quang điện

Hình 2.7:Mạch tương đương và điện áp trên tế bào quang điện

Hình 2.7 cho thấy hoạt động của một tế bào quang điện trong trường hợp không có diode bypass Trong hình 2.7a, khi không bị che nắng, điện áp ngõ ra tế bào quang điện là ~ +0.5V Khi bị che nắng, điện áp này có chiều ngược lại và có giá trị cao hơn nhiều do lúc này dòng điện (giả thiết tế bào quang điện này đang mắc nối tiếp với những tế bào khác) chạy qua điện trở nội của tế bào gây ra sụt áp Hình 2.8 cho thấy hoạt động của tế bào quang điện trong trường hợp có diode bypass mắc song song ngược với tế bào Khi tế bào hoạt động bình thường, hình 2.8a, diode bypass không hoạt động do bị phân cực ngược (điện áp ra của tế bào lúc này là ~ +0.5V) Khi tế bào bị che sáng, nếu có dòng chạy qua nội trở RP của tế bào sẽ sinh ra điện áp đủ phân cực thuận diode bypass, và làm diode này dẫn Khi đó dòng điện sẽ chạy qua diode bypass và điện áp ngõ ra của tế bào quang điện lúc này chỉ cỡ - 0.6V

Hình 2.8:Hoạt động của tế bào quang điện có diode bypass

Trong tấm pin pin quang điện thực tế, thường không thể gắn diode bypass với mọi tế bào quang điện, nhưng nhà sản xuất thường gắn một diode bypass ở ngõ ra của tấm

pin, hoặc trong một số trường hợp diode bypass được gắn cho từng nhóm tế bào quang điện trong tấm pin

Hình 2.9 cho thấy hiệu quả của việc sử dụng diode bypass với mỗi tấm pin pin quang điện trong một dãy pin nối tiếp nhau để nạp cho một bộ acquy có điện áp 65V Trong trường hợp một tấm pin bị che sáng một phần và không có diode bypass, dòng điện ra của cả dãy pin sẽ giảm đáng kể (3.3A → 2.2A) Trong trường hợp có gắn diode bypass, diode của tấm pin bị che nắng sẽ dẫn điện và dòng điện ra của dãy pin suy giảm nhẹ

Hình 2.9: Hoạt động của một dãy pin quang điện nạp điện trực tiếp cho bộ acquy 65V

Như đề cập ở trên, diode bypass giúp hạn chế ảnh hưởng của việc chiếu sáng không đều lên các tấm pin pin quang điện gắn nối tiếp Khi các dãy pin quang điện được gắn song song, nếu một dãy pin có tấm pin bị hư hoặc bị che nắng, một phần dòng điện ra của các dãy pin còn lại sẽ chạy qua dãy này, khiến dòng ngõ ra suy giảm như hình trên hình 2.10 Hiện tượng này có thể được khắc phục bằng cách gắn blocking diode nối tiếp với mỗi dãy pin như trên hình 2.10

Hình 2.10: Hoạt động của dãy pin mắc song song và bị che sáng một phần

2.2.2 Cấu hình mạng kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời

Trái với dạng tĩnh là mạng lưới pin động, ở đây cấu hình ban đầu của hệ thống pin cũng được lựa chọn bởi người thiết kế Tuy nhiên trong khi hoạt động, tuỳ vào mỗi điều kiện làm việc khác nhau, vị trí của các tấm pin có thể được thay đổi để đem lại công suất tối đa nhất Nội dung chính của luận văn là phương pháp tái cấu trúc cho hệ thống có cấu hình mạng lưới pin động (được cho là cho hiệu quả tốt nhất và hiện đại nhất) để nâng cao công suất cực đại của hệ thống pin khi gặp phải hiện tượng che khuất một phần Ở nội dung tiếp theo phần 2.2.2, các cấu hình sẽ được so sánh để lựa chọn ra cấu hình kết nối tối ưu nhất cho hệ thống pin năng lượng mặt trời động

Bằng việc lựa chọn cấu hình của hệ thống pin quang điện, hiệu quả năng lượng sẽ được nâng cao và hạn chế ảnh hưởng của hiện tượng che khuất một phần Cấu hình là một thuật ngữ để mô tả cách mà các tấm pin được kết nối với nhau như thế nào Hiện nay đang có một số cấu hình quen thuộc [10], [11] có thể kể đến như: Chuỗi (Series); Song song (Parallel); Simple-Series (SS); Series-Parallel (SP); Total-Cross-Tied (TCT); Honey-Comb (HC) và Bridge – Link (BL) Hình 2.11 mô tả chi tiết các cấu hình tấm pin quang điện kể trên

Trong thực tế, nhiều tấm pin được liên kết kiểu nối tiếp với nhau để nâng cao điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu sử dụng Tuy nhiên, dòng điện ngõ ra trong trường hợp

này sẽ không đổi và bằng dòng điện bằng với giá trị do chỉ một tấm pin bất kì trong chuỗi sinh ra (trường hợp vận hành trong điều kiện bình thường) Do đó, các tấm pin còn được liên kết với nhau kiểu song song để nâng cao dòng điện ngõ ra Ưu điểm quan trọng của cấu hình kết nối song song hơn nối tiếp đó là công suất cực đại của cấu hình song song lớn hơn so với khi nối tiếp Kết hợp cả liên kết nối tiếp và song song, cấu hình series-parallel nâng cao cả dòng điện và điện áp ngõ ra Trong cấu hình TCT, các tấm pin đầu tiên được kết nối song song với nhau để cố định điện áp ngõ ra sau đó nối tiếp với các cụm tấm pin song song khác để gia tăng dòng điện Cấu hình Bridge – Link tương tự như TCT, nhưng một nữa liên kết được lược bỏ nhằm giảm vật tư lắp đặt Cấu hình TCT và BL được kết hợp để hình thành cấu hình Honey – Comb Công suất cực đại ngõ ra từ cấu hình TCT và SP giống nhau trong trường hợp vận hành cùng điều kiện Cuối cùng, theo các bài báo [12] [13], cấu hình TCT là giảm tổn thất năng lượng và sản sinh ra công suất cực đại lớn nhất so với các cấu hình còn lại Phần tiếp theo của luận văn sẽ đi chi tiết và mô phỏng từng cấu hình với cùng một điều kiện hoạt động khi bị che khuất một phần

Hình 2.11: Các cấu hình liên kết tấm pin khác nhau: (a) Simple-Series, (b) Parallel, (c) Series-Parallel, (d) Total-Cross-Tied (TCT), (e) Bridge – Link (BL), (f) Honey – Comb

(HC)

2.2.2.1 Mạng PV nối tiếp (Simple – Series)

Lợi điểm của việc nối tiếp các Tấm pin là điện áp ngõ ra sẽ bằng tổng điện áp của các tấm pin thành phần Tuy nhiên, dòng điện lúc này của cả hệ thống chỉ bằng dòng điện được sinh ra thấp nhất trong chuỗi các tấm pin Thật vậy, trong thực tế hoạt động, tấm pin nào bị che khuất nhiều sẽ sản sinh ra dòng điện thấp (phần 2.1)

Luận văn sẽ sử dụng phần mềm Simulink – Matlab để mô phỏng hệ thống pin PV ứng với từng cấu hình trong trường hợp bị che nắng một phần Sử dụng phần tử “Solar Cell” với các thông số như hình 2.12

Hình 2.12: Phần tử Solar Cell trong Simulink – Matlab và thông số để áp dụng mô phỏng

Mạng PV nối tiếp mô phỏng được cấu thành bởi 5 phần tử Solar Cell (hình 2.13), trong đó, 2 tấm pin cuối bị che khuất 50%, các tấm pin còn lại được chiếu sáng đầy đủ với lượng bức xạ 1000W / m2

Hình 2.13: Cấu hình mạng PV nối tiếp mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần

Hình 2.14: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình nối tiếp được mô phỏng

Tấm pin bị che khuất 50%

Kết quả mô phỏng được thể hiện dưới dạng đường cong đặc tính I – V và P – V (hình 2.14) Có thể nhận xét trực quan được rằng hình dáng đặc tuyến khác so với điều kiện làm việc bình thường Đường cong đặc tính có nhiều cực đại hơn, trong đó có nhiều cực đại cục bộ và chỉ duy nhất một cực đại toàn thể – đây cũng chính là điểm làm việc cực đại của toàn hệ thống

2.2.2.2 Mạng PV song song (Parallel)

Trái ngược với mạng PV nối tiếp, những tấm pin kết nối song song cho điện áp ngõ ra là điện áp nhỏ nhất trong các tấm pin thành phần Trong khi đó, dòng điện ngõ ra bằng tổng dòng điện của mỗi tấm pin sản sinh được Đây là một tính chất rất quan trọng và được coi như một ưu điểm vượt bậc của cấu hình Do dòng điện ngõ ra bằng tổng dòng điện thành phần nên gần như hiện tượng che khuất một phần (làm suy giảm dòng điện) không bị ảnh hưởng nhiều, điện áp chỉ suy giảm ở một lượng chấp nhận được

Tương tự, mạng PV song song mô phỏng được cấu thành bởi 5 phần tử Solar Cell với 2 phần tử bị che khuất 50% như hình 2.15

Hình 2.15: Cấu hình PV song song mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần

Đường cong đặc tính I – V và P – V của cấu hình này được thể hiện trên hình 2.16 Như đã đề cập ở trên, dẫu cho có chịu ảnh hưởng bởi hiện tượng che khuất một phần nhưng hình dạng đường cong đặc tính vẫn được giữ, dòng điện tổng và điện áp chỉ bị suy giảm một lượng nhỏ

Tấm pin bị che khuất 50%

Hình 2.16: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình song song được mô phỏng

2.2.2.3 Mạng PV nối tiếp – song song (Series – Parallel)

Mạng PV nối tiếp song song là dạng kết hợp của dạng nối tiếp trước rồi mắc song song các chuỗi nối tiếp Với cấu hình này, ta vừa nâng cao được cả điện áp và dòng điện ngõ ra của hệ thống Hệ thống PV mô phỏng được cấu thành bởi 4 chuỗi song song với mỗi chuỗi gồm 5 tấm pin mắc nối tiếp (hình 2.17)

Hình 2.17: Cấu hình PV nối tiếp – song song mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần

Hình 2.18: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Series-Parallel được mô phỏng

Tấm pin bị che khuất 50%

2.2.2.4 Mạng PV song song – nối tiếp (TCT)

Ngược với SP, cấu hình TCT cũng được kết hợp nhưng các tấm pin sẽ được nối song song trước khi nối tiếp với nhau Hệ thống mô phỏng được cấu thành bởi chuỗi 5 hàng nối tiếp với nhau, với mỗi hàng là 4 tấm pin được nối song song Hệ thống và kết quả mô phỏng được thể hiện lần lượt trên hình 2.19 và 2.20

Hình 2.19: Cấu hình PV TCT mô phỏng[ trong trường hợp bị che khuất một phần

Hình 2.20: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình TCT được mô phỏng

Tấm pin bị che khuất 50%

2.2.2.5 Mạng PV Bridge – Link

Cấu hình Bridge – Link tương tự như cấu hình TCT, tuy nhiên một nửa kết nối được lược bỏ để giảm đường dây lắp đặt

Hình 2.21: Cấu hình PV Bridge – Link mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần

Hình 2.22: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Bridge – Link được mô phỏng

Tấm pin bị che khuất 50%

2.2.2.6 Mạng PV Honey – Comb

Cuối cùng, cấu hình Honey – Comb là sự kết hợp giữa cấu hình Bridge – Link và TCT

Hình 2.23: Cấu hình PV Honey – Comb mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần

Hình 2.24: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Honey – Comb được mô phỏng

Tấm pin bị che khuất 50%

2.2.2.7 So sánh – nhận xét các cấu hình

Sau khi đi qua các loại cấu hình kết nối các Tấm pin, sự so sánh giữa 4 loại cấu hình hỗn hợp: Series – Parallel, Total Cross Tied, Bridge – Link và Honey – Comb sẽ được thể hiện trong phần này Có thể nhận thấy rằng, 4 cấu hình này cho kết quả hoạt động gần giống nhau trong điều kiện bị che nắng một phần như nhau Tuy nhiên, vẫn có sự khác biệt về các đại lượng như dòng điện, điện áp và công suất ngõ ra tại điểm làm việc cực đại được thể hiện tại bảng 2.1

Bảng 2-1: Bảng so sánh thông số điểm làm việc cực đại của từng cấu hình kết hợp

Cấu hình Thông số

Series – Parallel

Total Cross Tied

Bridge – Link

Honey - Comb

V (V) 141,684 142,376 141,586 142,226

P (W) 2512,02 2552,88 2508,55 2531,28 Hiện tượng che khuất một phần có thể được hiểu là sự chênh lệch lượng bức xạ năng lượng mặt trời giữa các phần tử nối tiếp trong mạng lưới kết nối Tuỳ vào từng cấu hình mà việc tái cấu trúc được thực hiện với các hàm mục tiêu khác nhau Đối với cấu hình SP cần thực hiện việc tái cấu trúc sao cho các tấm pin nhận được cùng lượng bức xạ ở mỗi cột vì các phần tử này thuộc một chuỗi nối tiếp Trái ngược với SP là cấu hình TCT khi các tấm pin mặt trời được liên kết song song ở mỗi hàng trước khi nối tiếp với các hàng khác, do đó tái cấu trúc cần nhắm đến sao cho tổng lượng bức xạ ở mỗi hàng là như nhau Tương tự như vậy cho hai cấu hình Bridge – Link và Honey – Comb

Có thể nhận thấy rằng, cấu hình TCT là thuận lợi nhất để thực hiện việc tái cấu trúc trong trường hợp các tấm pin nhận lượng bức xạ khác nhau sao cho chỉ cần tổng lượng bức xạ ở mỗi hàng (các tấm pin mắc song song) bằng nhau Đối với cấu hình SP, việc này khó thực hiện hơn rất nhiều vì trong trường hợp hệ thống chịu ảnh hưởng của hiện tượng che khuất một phần, rất khó để có được đủ số tấm pin trong một cột có cùng lượng bức xạ so với việc một tổ hợp bất kì có cùng tổng ở cấu hình TCT như đã phân tích ở trên

Ngoài ra, dựa vào bảng 2.1, ta nhận thấy cấu hình TCT cho điểm làm việc cực đại với công suất lớn nhất so với 3 cấu hình còn lại Điều này càng chứng minh thêm về mặt ưu điểm của việc nối song song các tấm pin trước Dẫu cho hiện tượng che khuất một phần có xảy ra, dòng điện sinh ra bị giảm đi nhưng bản thân tấm pin đó sẽ không ảnh hưởng nhiều đến các tấm pin bình thường khác Kết quả mô phỏng của cả 4 cấu hình được thể hiện trong hình 2.25 và 2.26

Hình 2.25: So sánh đặc tính làm việc của 4 cấu hình trong cùng một điều kiện bị che khuất

Hình 2.26: So sánh điểm làm việc cực đại của 4 cấu hình

Từ các dẫn chứng trên, cấu hình TCT tỏ ra ưu việt hơn trong việc thực hiện tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời Do đó cấu hình TCT được lựa chọn để thực hiện thuật toán kết hợp trong nội dung của luận văn

2.2.3 Sử dụng inverter nâng cao công suất

Một cách chủ động hơn để nâng cao hiệu quả làm việc cho hệ thông pin năng lượng mặt trời là sử dụng inverter nâng cao công suất bằng các thuật toán Bằng cách kết hợp cả cấu hình và các cách sử dụng inverter phù hợp, các thông số ngõ ra của hệ thống có thể được đảm bảo hiệu quả hơn nhiều trong các điều kiện thời tiết khác nhau

2.2.3.1 MPPT phân tán

Ở cách tiếp cận này, mỗi tấm pin hoặc một cụm tấm pin (tuỳ theo thiết kế phù hợp với thực tế) sẽ được tối ưu hoá điểm làm việc bằng một cụm chỉnh lưu DC – DC kết hợp với thuật toán MPPT (bám điểm công suất cực đại) Trước khi hoà vào lưới hay sử dụng cho tải, dòng một chiều được nghịch lưu qua bộ DC – AC Do các đặc điểm trên, cấu hình của dạng hệ thống này nhìn chung khá phức tạp và nhiều thiết bị như được mô tả trong hình 2.27

Hình 2.27: Hệ thống Tấm pin với Distributed MPPT

2.2.3.2 Inverter đa tầng

Xuyên suốt quá trình vận hành, các Tấm pin sản sinh ra dòng điện một chiều DC nhờ sự tác động của bức xạ mặt trời và được chuyển qua dòng điện xoay chiều AC thông qua hệ thống nghịch lưu để hoà lưới hoặc sử dụng cho các tải xoay chiều Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cũng được sử dụng để những Tấm pin luôn hoạt động tại điểm cho công suất cực đại Có rất nhiều loại inverter với các đặc tính làm việc và chủng loại khác nhau tuỳ thuộc vào cách mà Tấm pin được kết nối với

inverter Trong phần này, các cấu hình kết nối khác nhau sẽ được phân tích trong nhiều trường hợp dựa theo môi trường làm việc và khả năng đầu tư

Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời được xây dựng khác nhau hoặc không hoạt động trong cùng một điều kiện khí hậu sẽ dẫn đến sự khác biệt đáng kể trong đường cong đặc tính của hệ thống Công suất của hệ thống sẽ bị giảm nếu điểm làm việc của hệ thống không phải là điểm làm việc cực đại Do đó, có rất nhiều cách tiếp cận đã được đề xuất trong từng trường hợp để tối ưu công suất của hệ thống năng lượng mặt trời

a) Kết nối inverter trung tâm

Đây là cấu hình kết nối cơ bản nhất khi sử dụng inverter Các tấm pins được kết nối với nhau dạng chuỗi nối tiếp, và các chuỗi nối tiếp được kết nối song song với nhau để đảm bảo công suất của hệ thống Đầu ra của hệ thống được kết nối với bộ nghịch lưu được trình bày như hình 2.28 Trong cấu hình này, chuỗi tấm pin nối tiếp hoạt động giống nhau, tuy nhiên trong thực tế lại xảy ra các hiện tượng như che khuất, tuổi thọ, lỗi,… dẫn đến điểm MPP của mỗi tấm pin là khác nhau, điều này lại dẫn đến sự suy giảm công suất đầu ra trên toàn hệ thống

Hình 2.28: Cấu hình inverter trung tâm

b) Kết nối inverter nối tiếp

Tất cả các chuỗi tấm pin được liên kết với từng bộ nghịch lưu khác nhau như trên hình 2.29 Phương pháp này giúp tối ưu điểm làm việc cực đại trong trường hợp các tấm pin hoạt động không đồng nhất bởi vì mỗi tấm pin hoạt động tại một điểm làm việc cực đại khác nhau Trong thực tế, chi phí cho kiểu kết nối này rất tốn kém vì số lượng inverter cần lắp đặt theo số lượng chuỗi tấm pin nối tiếp