Bộ DC/DC ứng dụng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời MPPT – Maximum Power Point Tracking, để xác định điểm làm việc tối ưu và thiết lập hệ thống làm việ
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Do nhu cầu con người gia tăng, các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá đang cạn kiệt dần, buộc các nhà khoa học phải tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế Nổi bật trong số đó là năng lượng mặt trời, được đánh giá cao nhờ khả năng tái tạo và không gây ô nhiễm môi trường.
Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn đề cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường.Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện nay
Thuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho nên nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú
Việt Nam có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới đến được Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa như “nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những vùng này Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam còn mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng
Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam vẫn chưa đáp ứng đủ nhu cầu, đòi hỏi các nghiên cứu chuyên sâu chế tạo bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo nguồn điện ứng dụng dân dụng và công nghiệp Bộ nghịch lưu phải đảm bảo chất lượng điện áp, tính ổn định và chi phí hợp lý.
Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời
Đầu tiên, năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là dạng năng lượng điện một chiều (DC), cần phải được chuyển đổi sang dạng năng lượng điện xoay chiều (AC) để có thể sử dụng cho các mục đích dân dụng, công nghiệp hoặc hòa lưới điện.
Sự chuyển đổi đó được thực hiện bởi các bộ nghịch lưu – inverter
Thông thường, điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời chưa đủ để đưa vào bộ DC-AC (hoặc do nhu cầu muốn tăng hiệu suất của các bộ biến đổi công suất), giữa pin mặt trời và tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm một bộ biến đổi công suất dạng DC/DC, tăng hoặc giảm áp (Boost/Buck)
Tuy nhiên, công suất của pin mặt trời là một đại lượng biến thiên liên tục và phụ thuộc nhiều yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,… khiến cho ngõ ra thường không ổn định và không tận dụng được công suất tối đa
Do đó, trong bài toán năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực đại MPP (Maximum power point) là một vấn đề hết sức quan trọng Có rất nhiều kĩ thuật tối ưu điểm công suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục nghiên cứu và phát triển.
Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước
1.3.1 Tình hình nghiên cứu ngoài nước
Tình hình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời:
Trên thế giới, năng lượng mặt trời đã được nhiều nước nghiên cứu và đi vào sử dụng Tại nhiều nước phương Tây như Mỹ, Hungary, Thuỵ Sĩ, Đức, từ nhiều năm nay, năng lượng mặt trời đã trở thành một phần năng lượng quan trọng của họ
Năm 2009 Trung Quốc đã đầu tư tới 34 tỷ đô-la vào năng lượng tái tạo và qua đó vượt qua Hoa Kỳ để trở thành nước hàng đầu thế giới trong vấn đề này
Trong thời gian gần đây nhiều nước trong vùng Đông Nam , đặc biệt là Thái Lan và Philippines, đã có nhiều hoạt động tìm kiếm nguồn năng lượng tái tạo một cách tích cực
11 Tuy nhiên, một số quốc gia khác vẫn còn tụt hậu trong lĩnh vực này ví dụ như ba nước Đông Dương gồm Việt Nam, Lào và Campuchia hầu như rất ít đầu tư và phát triển lĩnh vực năng lượng tái tạo
Tình hình chế tạo bộ nghịch lưu điện mặt trời: Đối với bộ nghịch lưu công suất nhỏ (vài trăm Watt đến vài kW):
+ Các hãng điện tử lớn như ST Microelectronics, Texas Instruments, NXP Semiconductors, … đều có đưa ra các giải pháp cho vấn đề năng lượng mặt trời nhưng hầu hết ở dạng board thí nghiệm, giá thành còn cao
+ Các cơ sở sản xuất của Trung Quốc đã chế tạo các bộ nghịch lưu mặt trời và thương mại hoá sản phẩm của họ
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước
Tình hình sử dụng nguồn năng lượng mặt trời:
Việt Nam nằm trong nhóm các nước có nguồn năng lượng mặt trời phong phú nhưng còn đang ở dạng “tiềm năng”, chưa sử dụng được
Tình hình chế tạo bộ nghịch lưu điện mặt trời:
Cho đến nay, vấn đề thiết kế chế tạo các bộ biến đổi năng lượng mặt trời đã được triển khai nghiên cứu ở nhiều trường đại học và cơ sở khoa học công nghệ để tìm ra các giải pháp hiệu quả để ứng dụng trong thực tế
Còn ở các công ty bên ngoài, hầu hết sử dụng bộ nghịch lưu nhập từ nước ngoài (một phần hoặc toàn bộ), công suất tầm vài trăm Watt đến vài kW, chưa tự tiến hành sản xuất bộ nghịch lưu hoàn chỉnh và giá thành sản phẩm còn cao
KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA BỘ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời MPPT 12
2.1.1 Đặc tuyến pin năng lượng mặt trời
Pin năng lượng mặt trời có đặc tuyến dòng áp là phi tuyến, không những vậy, đặc tuyến này còn liên tục thay đổi phụ thuộc vào các yếu tố của môi trường như bức xạ, nhiệt độ làm việc,…
Đặc tuyến dòng-áp và công suất-điện áp thể hiện rằng chỉ có điểm Làm việc tối ưu (MPP) duy nhất mà tại đó công suất của tấm pin mặt trời đạt cực đại.
Hình 2.1 Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời tại một thời điểm
Đặc tuyến I-V của pin phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và công suất bức xạ mặt trời Khi nhiệt độ tăng, đặc tuyến I-V sẽ dịch chuyển sang phải, điện áp mạch hở giảm và dòng điện ngắn mạch tăng Ngược lại, khi công suất bức xạ giảm, đặc tuyến I-V sẽ dịch chuyển sang trái, điện áp mạch hở tăng và dòng điện ngắn mạch giảm.
Như vậy do đặc tuyến của bộ pin năng lượng mặt trời không phải là bất biến, chính vì vậy cần phải có các thuật toán để dò tìm điểm làm việc tối ưu của hệ thống, các thuật toán này gọi chung là MPPT (Maximum power point tracking)
Trong đề tài này 3 thuật toán được nghiên cứu và ứng dụng nhằm đưa ra một so sánh và đánh giá về chất lượng của từng thuật toán
Hình 2.2 Đặc tuyến I-V và P-V khi các yếu tố môi trường thay đổi 2.1.2 Giải thuật PO: Perturbation và Observe
Trên đường đặc tuyến PV, bên trái MPP, khi V tăng thì P tăng, bên phải MPP, khi V tăng thì P giảm Phương pháp PO dựa trên việc quan sát công suất đầu ra mà tăng điện áp cho bộ boost-buck Nếu tăng V mà P tăng thì tiếp tục tăng V, nếu P giảm thì ta giảm V
Bảng 2.1 Bảng tra theo giải thuật PO
Pertubation Chiều thay đổi công suất Next perturbation
Dương (+) Âm (-) Âm (-) Âm (-) Dương (+) Âm (-) Âm (-) Âm (-) Dương (+)
Giải thuật PO được thực hiện trong đề tài theo lưu đồ trình bày trong hình 2.3
2.1.3 Giải thuật Incremental Conductance (IncCond) Đặc tuyến mô tả quan hệ giữa công suất và điện áp làm việc của bộ pin năng lượng mặt trời tại một thời điểm như hình 2.4
Tại điểm công suất cực đại (MPP), đạo hàm của công suất theo điện áp sẽ có giá trị bằng không, bên trái điểm MPP đạo hàm này sẽ có giá trị dương, và ngược lại, có giá trị âm ở bên phải điểm MPP
V ref =V ref +m V ref =V ref -m V ref =V ref +m V ref =V ref -m k = k+1
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT PO
Hình 2.4 Dò tìm MPP với giải thuật IncCond
Có thể được viết lại như sau:
Phương pháp IncCond hoạt động dựa trên cơ sở so sánh tỉ số độ biến thiên dòng điện và điện áp với tỉ số dòng điện và điện áp tức thời Bằng cách duy trì giá trị này ở mức không đổi, phương pháp này có thể xác định điểm công suất cực đại MPP, điểm mà tại đó điện áp và dòng điện đạt giá trị tối ưu Khi các giá trị này tiến đến MPP, phương pháp IncCond giữ giá trị tỉ số này không thay đổi, giúp tối ưu hóa việc thu thập năng lượng từ nguồn năng lượng tái tạo.
Trong đề tài, lưu đồ giải thuật của phương pháp IncCond được thực hiện như hình 2.5
Vref là điện áp đặt, giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại có nhiệm vụ tính toán ra giá trị điện áp V ref , bộ pin mặt trời sẽ phải hoạt động ở giá trị điện áp này để đạt công suất cực đại
Tại MPP, Vref bằng với VMPP Khi thuật toán đã dò được điểm MPP, hệ thống sẽ được duy trì điểm làm việc này, cho đến khi có sự thay đổi về độ bức xạ, hoặc nhiệt độ hay thay đổi tải Trong trường hợp đó, giải thuật IncCond lại tiếp tục tính toán để thay đổi Vref tới điểm MPP mới
Bắt đầu Đo V(t), I(t) dI=I(t)-I(t-n) dV=V(t)-V(t-n) dV>0 dI/dV = -I/V dI = 0 dI/dV > -I/V dI > 0
Tăng V ref Giảm V ref Tăng V ref Giảm V ref
LƯU ĐỒ GIẢI THUẬT INC.COND
2.1.4 Giải thuật điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic): Ứng dụng thuật toán điều khiển Logic Mờ vào việc dò tìm điểm công suất cực đại đang dần phát triển trong khoảng một thập kỷ gần đây, do những ưu điểm của phương pháp này thể hiện trong các hệ thống với các ngõ vào không tiên đoán được (imprecise), không cần thiết lập mô hình toán chính xác, và có thể điều khiển được hệ phi tuyến [22] Ưu điểm của bộ điều khiển Logic mờ, bên cạnh việc bộ điều khiển có thể đáp ứng với tín hiệu ngõ vào không đoán trước được, không yêu cầu hệ thống thiết lập mô hình toán học chính xác, có thể điều khiển hệ phi tuyến, bộ điều khiển này còn có thể điều khiển nhanh, và giảm thiểu dao động quanh điểm MPP
17 Hơn nữa, bộ điều khiển Logic mờ còn đáp ứng tốt trong điều kiện thay đổi bức xạ, nhiệt độ dạng hàm nấc
Biến ngõ vào được chọn là sai số E=∆P/∆V và đạo hàm của sai số E theo thời gian (hay tốc độ thay đổi sai số) ∆E
Ngay tại điểm công suất cực đại MPP, E sẽ có giá trị bằng 0
Biểu thức E và ∆E đã được dẫn ở phần trên:
Giá trị ngõ ra của bộ điều khiển mờ: là mức độ thay đổi trong tín hiệu điện áp đặt của DC Link, ∆Vref
NB (Negative Big – âm nhiều) NM (Negative Medium – Âm vừa) NS (Negative Small – Âm ít) ZE (Zero - không), PS (Positive Small – Dương ít) PM (Positive Medium – Dương vừa)
PB (Positive Big – dương nhiều)
Hàm liên thuộc: Đối với ngõ vào E, tầm giá trị được chọn là từ -100 tới +100 ứng với giá trị lớn nhất của |∆P/∆V|0W/V Tại điểm MPP thì E=0 do đó hàm ZE chỉ có giá trị bằng 0 Đối với ngõ vào dE (∆E), tầm giá trị được chọn là từ -30 tới +30 ứng với giá trị lớn nhất của |dE|0W/(V.s) Hàm ZE cũng chỉ có giá trị duy nhất bằng 0 Đối với ngõ ra dU (∆Vref): tầm giá trị được chọn là từ -6 tới +6 ứng với giá trị lớn nhất của |dU|=6 (V) Hàm ZE cũng chỉ có giá trị duy nhất bằng 0 Khi đã hệ thống đã đạt tới điểm MPP thì không thay đổi Vref nữa, loại bỏ được trường hợp dao động quanh giá trị MPP
Hình 2.6 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào E
Hình 2.7 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào dE
Hình 2.8 Hàm liên thuộc cho biến ngõ ra ∆Vref
Một cách tổng quát, khi điểm làm việc hiện tại của hệ thống đang ở xa về phía bên phải của điểm MPP, E có giá trị âm nhiều, ứng với biến ngôn ngữ NB, đồng thời nếu lúc này ∆E có giá trị bằng 0, ứng với biến ngôn ngữ ZE Như vậy, để tiến nhanh tới điểm MPP, điện áp đặt cho bộ DC/DC cần phải được giảm xuống nhanh, do đó ∆V phải là NB (âm nhiều)
Căn cứ vào những suy luận trên, bảng luật mờ được xây dựng như trong Bảng 2.2
Mô tả E\∆E NB NM NS ZE PS PM PB
NB NB NB NB NB NM NS ZE
NM NB NB NB NM NS ZE PS
NS NB NB NM NS ZE PS PM
MPP ZE NB NM NS ZE PS PM PB
PS NM NS ZE PS PM PB PB
PM NS ZE PS PM PB PB PB
PB ZE PS PM PB PB PB PB
Biến ngõ vào E và ∆E đều có 7 giá trị ngôn ngữ, như vậy ta sẽ có tất cả 49 luật suy diễn mờ, được thể hiện bằng cấu trúc “If-then”
2.1.5 So sánh và lựa chọn:
- Giải thuật PO là giải thuật đơn giản nhất trong việc dò tìm điểm công suất cực đại của bộ pin mặt trời Kết quả của mỗi vòng lặp tính toán của giải thuật PO luôn là tăng hay giảm Vref một lượng m cố định Việc tăng hay giảm này phụ thuộc vào kết quả so sánh công suất tại thời điểm hiện tại (k), và thời điểm lấy mẫu trước đó (k-1), và so sánh chiều thay đổi của điện áp V(k) so với V(k-1) Điện áp của bộ pin sẽ không cố định tại đúng điểm V PV_MPP , mà dao động quanh điểm này, tức là hệ thống cũng dao động quanh điểm công suất cực đại Khi bước thay đổi Vref m giảm nhỏ, mức độ dao động sẽ giảm xuống, thời gian xác lập tăng lên và khối lượng tính toán cũng tăng Tuy nhiên, dù vậy thì hệ thống vẫn dao động quanh điểm công suất cực đại, kể cả khi điều kiện môi trường không đổi Ngoài ra giải thuật PO có thể không dò được MPP trong trường hợp điều kiện môi trường thay đổi đột ngột [32]
- Giải thuật IncCond, dò MPP dựa trên đạo hàm công suất so với điện áp bộ pin dP/dV, đạo hàm này bằng “0” ứng với điểm MPP Khi giá trị đạo hàm này khác
“0”, bộ điều khiển sẽ thay đổi Vref từng bước một cho đến khi dP/dV=0 (tại MPP)
Mô hình hoá và mô phỏng
Mô hình mô phỏng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại MPP với các giải thuật PO, IncCond và Fuzzy trong đề tài như hình 2.9 Trong đó khối MPPT có thể tuỳ chọn giải thuật điều khiển là PO, hay IncCond, hoặc Fuzzy Ngõ ra bộ MPPT là giá trị Vref, tức là giá trị mà bộ điều khiển tầng DC/DC sử dụng để thiết lập cho pin mặt trời làm việc tại giá trị điện áp này Đó cũng là giá trị điện áp tối ưu của hệ thống ứng với điểm công suất cực đại mà thuật toán MPPT có thể tìm được Để chứng minh giải thuật MPPT theo Logic mờ có kết quả đáp ứng tốt hơn khi điều kiện môi trường thay đổi đột ngột (thay đổi về bức xạ, nhiệt độ theo hàm nấc), ta thực hiện các mô phỏng sau:
Hình 2.9 Mô hình mô phỏng giải thuật MPPT Mô phỏng 1
Trong mô phỏng này, ta cho bức xạ thay đổi theo các bước như trên đồ thị
Từ giây thứ 0,15 đến 0,25, cường độ bức xạ tăng từ 200W/m2 lên 1000W/m2, sau đó giảm xuống 600W/m2 tại giây thứ 0,35 Sự thay đổi cường độ bức xạ giữa các bước thời gian này không quá lớn.
Hình 2.10 Đồ thị bức xạ cho mô phỏng 1
Kết quả dò tìm MPPT của các giải thuật lần lượt được trình bày trong các hình từ 2.11 đến 2.16
22 Ta có nhận xét sau:
Ở giai đoạn đầu, bộ điều khiển Fuzzy có thời gian xác lập lâu hơn 2 bộ PO và IncCond Khi giá trị bức xạ ban đầu thấp, tương ứng với công suất đạt được của bộ pin thấp thì thời gian xác lập của 2 bộ PO và IncCond như nhau (0,04 giây), còn bộ Fuzzy mất đến 0,126 giây mới xác lập được.
+ Tuy nhiên sau đó, khi giá bị bức xạ thay đổi, ta thây bộ Fuzzy đáp ứng tốt hơn hẳn, thể hiện ở các điểm: thứ nhất, thời gian dò điểm MPP mới nhanh hơn, đáp ứng xác lập không bị dao động, giá trị công suất được giữ cố định Điều này đạt được là do trong giải thuật Fuzzy, ngoài việc xác định điều kiện dP/dV=0 tại MPP, còn xét đến chiều thay đổi tỷ số này, tín hiệu điều khiển (∆Vref) luôn được thiết lập bằng 0 giữ cho Vpv và Ppv không đổi Ngoài ra đáp ứng Vpv bám theo Vref tốt và hầu như không có vọt lố
Hình 2.11 Giải thuật PO dò công suất cực đại
Hình 2.12 Giải thuật PO - Vref và Vpv
Hình 2.13 Giải thuật IncCond - dò MPP
Hình 2.14 Giải thuật IncCond - Vpv và Vref
Hình 2.15 Giải thuật Fuzzy - dò MPP
Hình 2.16 Giải thuật Fuzzy – Vref và Vpv
24 + Giải thuật PO tại một số giai đoạn khảo sát còn chưa kịp xác lập Giải thuật IncCond xác lập chậm hơn Fuzzy và Vref dao động
Trong mô phỏng 2, đáp ứng của bức xạ được cho như sau:
Hình 2.17 Đồ thị bức xạ 2
Trong mô phỏng này, bức xạ sẽ thay đổi với bước lớn hơn Ta có các kết quả đáp ứng của các bộ MPPT theo các giải thuật khác nhau như những hình sau:
Hình 2.18 PO - dò MPPT - mô phỏng 2
+ Ở thời gian đầu, thời gian xác lập của bộ MPPT theo Fuzzy cũng lớn hơn so với IncCond và PO
+ Tuy nhiên khi thay đổi bức xạ đột ngột, bộ MPPT Fuzzy có đáp ứng tốt hơn (dò được MPP nhanh hơn và không bị dao động)
Ví dụ, trong khoảng thời gian 0.15s đến 0.25s, tại thời điểm 0.15s bức xạ tăng đột ngột từ 200W/m 2 tới 1000W/m 2 , tới thời điểm 0.19s bộ fuzzy đã dò được
Trong quá trình khảo sát 0,25 giây, bộ IncCond chưa đạt được công suất cực đại 162W (giá trị cuối khảo sát đạt 161,7V), trong khi bộ PO đạt được giá trị 159,9V.
+ Do giải thuật Fuzzy điều chỉnh bước tăng Vref linh hoạt tuỳ vào tỷ số dP/dV và chiều thay đổi tỷ số này, bên Vpv của bộ pin bám theo Vref, không dao động
Hình 2.19 PO - đáp ứng Vref và Vpv – mô phỏng 2
Hình 2.20 IncCond - dò MPP - mô phỏng 2
Hình 2.21 IncCond - Vref, Vpv - mô phỏng 2
Hình 2.22 Fuzzy - dò MPP - mô phỏng 2
Hình 2.23 Fuzzy - đáp ứng Vref, Vpv - mô phỏng 2
+ Tất cả các giải thuật đều vọt lố Vpv ở những thời điểm bức xạ tăng đột ngột, còn khi bức xạ giảm thì không có vọt lố
Trong mô phỏng này ta sẽ cho bức xạ giữ nguyên giá trị là 1000W/m 2 , còn nhiệt độ pin thay đổi theo hàm nấc
Hình 2.24 Đồ thị nhiệt độ - mô phỏng 3
Ban đầu nhiệt độ là 25ºC, tại thời điểm 0.15s tăng tới 50ºC, tại 0.25s giảm xuống 30ºC, sau đó tại 0.35s tăng lên lại 40ºC Cuối cùng tại 0.4s giảm xuống 20ºC
Các đáp ứng thu được như sau:
Hình 2.25 PO – dò MPP – mô phỏng 3
Hình 2.26 PO - đáp ứng Vref, Vpv – Mô phỏng 3
Hình 2.27 IncCond – dò MPP - Mô phỏng 3
Hình 2.28 IncCond – đáp ứng Vref, Vpv - mô phỏng 3
Hình 2.29 Fuzzy – dò MPP – mô phỏng 3
Hình 2.30 Fuzzy – đáp ứng Vref, Vpv – mô phỏng 3
+ Bộ Fuzzy vẫn đáp ứng chậm hơn ở thời gian khởi động, tuy nhiên sau khi đã làm việc ổn định, khi nhiệt độ thay đổi đột ngột, bộ Fuzzy dò điểm MPP mới nhanh hơn
+ So với đáp ứng khi thay đổi bức xạ, trong trường hợp mô phỏng này (thay đổi nhiệt độ) các bộ PO và IncCond đáp ứng tốt hơn trường hợp trước
Tuy nhiên, thực tế thông thường nhiệt độ không thay đổi đột ngột được, mà phải thay đổi từ từ theo thời gian Còn bức xạ là yếu tố thường đột ngột thay đổi, chẳng hạn có đám mây bay ngang qua, sẽ làm bức xạ giảm xuống rất thấp trong một thời gian ngắn, rồi sau đó sẽ lập tức tăng lên lại, khi đó bộ Fuzzy thể hiện rõ ưu điểm trong việc nhanh chóng bắt được điểm MPP mới và thiết lập hệ thống làm việc tại điểm công suất lớn nhất của bộ pin mặt trời
KẾT QUẢ XÂY DỰNG GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
Điều khiển tầng biến đổi điện áp một chiều DC/DC
3.1.1 Cấu hình công suất tầng DC/DC
DC/DC CONVERTER CẤU HÌNH PUSH-PULL
Hình 3.1 Bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC dạng Push-pull
Trong đề tài, bộ biến đổi công suất một chiều DC/DC được sử dụng thiết kế theo cấu hình Push-Pull như trình bày trong hình 3.1
Hai khoá bán dẫn Q1, Q2 thay phiên nhau đóng cắt để biến đổi điện áp ngõ vào một chiều (từ pin mặt trời) thành điện áp xoay chiều Biến áp tần số cao với tỉ số vòng dây quấn bên thứ cấp lớn hơn bên sơ cấp, làm tăng giá trị điện áp xoay chiều lên Sau đó bộ chỉnh lưu gồm 4 diode chuyển mạch nhanh tạo thành ngõ ra DC, ngõ ra này được lọc qua bộ lọc LC để có chất lượng điện áp tốt
Tầng DC/DC giữ vai trò nhận công suất từ pin mặt trời, và phải đảm bảo được lượng công suất nhận về là lớn nhất trong khả năng cung cấp của tấm pin Để thu được công suất cực đại, cần dùng để giải thuật MPPT như đã trình bày trong chương 2
3.1.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển DC/DC
Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng DC/DC được diễn tả như hình sau:
SƠ ĐỒ ĐIỀU KHIỂN TẦNG DC/DC VỚI BỘ MPPT
+ V ERR I REF + Điều khiển điện áp
Mạch lái MOSFET PWM duty Điều khiển dòng điện
Hình 3.2 Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng DC/DC với giải thuật MPPT
Bộ MPPT (Maximum Power Point Tracker – bộ dò tìm điểm công suất cực đại của bộ pin PV) nhận các thông số ngõ vào là dòng và áp hiện thời của bộ pin PV (IPV và VPV), ngoài ra tín hiệu hồi tiếp điện áp DC Link VBUS được sử dụng để bảo vệ hệ thống trong trường hợp xảy ra sự cố quá áp DC Link Nhiệm vụ của bộ MPPT là tính toán ra Vref (là điện áp mà hệ thống cần phải bám theo để tiến tới điểm làm việc MPP) Khi đạt tới MPP Vref chính là V PV_MPP (điện áp của bộ pin tại điểm MPP)
Vref được so sánh với điện áp bộ pin hiện tại (Vref-VPV) Giá trị sai lệch VERR là ngõ vào của bộ điều khiển điện áp Bộ điều khiển này cho tín hiệu ngõ ra là I ref Khi V PV >V ref , I ref sẽ tăng, làm giảm V PV xuống Vref Khi VPV < Vref, I ref sẽ giảm, làm tăng V PV lên V ref
Vòng điều khiển cuối cùng là vòng điều khiển dòng điện, mục đích là để hệ thống làm việc đúng tại giá trị Iref được tính toán sau bộ điều khiển áp Giá trị sai lệch giữa Iref và I PV sẽ là tín hiệu ngõ vào cho bộ điều khiển này (I ERR =I ref -I PV ) Tín
31 hiệu ngõ ra của bộ điều khiển chính là chu kỳ nhiệm vụ (duty cycle) của các kênh xung PWM kích các MosFET của bộ biến đổi DC/DC Giá trị duty cycle cũng được chặn trên và chặn dưới (giá trị lớn nhất D max =0.45, D min =0.16) Trong trường hợp quá áp DC Link, chu kỳ nhiệm vụ sẽ được giảm về giá trị D min
Như vậy, nhờ bộ điều khiển tầng DC/DC hệ thống sẽ làm việc tại điểm công suất cực đại (V ref =V PV_MPP , I ref =I PV_MPP ) của hệ pin PV mà bộ MPPT dò được Đồng thời bộ điều khiển sẽ giữ cho hệ thống làm việc ổn định tại điểm này đặc biệt là khi tải (tầng DC/AC) thay đổi
Trong điều kiện có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ, bức xạ của môi trường, bộ MPPT sẽ nhanh chóng dò tìm điểm công suất cực đại mới, tính lại Vref, Iref và điều chỉnh điểm làm việc của hệ thống về MPP mới
Bộ điều khiển 2P2Z được sử dụng trong tất cả các khâu điều khiển dòng, áp và PLL trong đề tài Bộ điều khiển 2P2Z là một bộ điều khiển bậc hai, với hàm truyền gồm 2 cực, 2 zero, sử dụng công thức như bộ lọc IIR bậc 2 với khâu bão hoà ở ngõ ra
Hàm truyền của bộ điều khiển trong miền z như sau:
Điều khiển tầng nghịch lưu DC/AC
3.2.1 Tổng quát về bộ điều khiển tầng DC/AC
Trong đề tài, bộ nghịch lưu dòng nguồn áp được dùng để tạo thành nguồn năng lượng xoay chiều cấp cho tải Đối với bộ nghịch lưu dạng này, thông số điều khiển ở ngõ ra chính là dòng điện
Phía trước bộ nghịch lưu, tầng DC/DC thực hiện nhiệm vụ boost điện áp từ PV lên giá trị DC Bus, tuy nhiên tầng DC/DC không điều khiển giá trị điện áp DC Bus này, mà đó lại là nhiệm vụ của tầng DC/AC
Khi điện áp DC Bus có xu hướng vượt ngưỡng, bộ phận DC/AC sẽ tự động tăng giá trị dòng điện ngõ ra Sự gia tăng này giúp kéo điện áp DC Bus về mức cố định đã thiết lập trước, duy trì sự ổn định trong hệ thống.
32 Ngược lại, khi áp DC Bus có xu hướng giảm xuống, bộ nghịch lưu sẽ giảm dòng điện ngõ ra, từ đó giảm công suất ngõ ra, để giữ điện áp DC Bus không đổi
Sơ đồ khối tổng quát bộ điều khiển tầng DC/AC như hình sau:
Ksv Áp lưới Bộ tạo sóng sine
Hình 3.3 Sơ đồ bộ điều khiển tầng nghịch lưu DC/AC
Bộ điều khiển tầng DC/AC cũng bao gồm 2 vòng Vòng điều khiển bên trong là điều khiển dòng điện xoay chiều ngõ ra, vòng bên ngoài điều khiển điện áp DC
Bus Vòng điều khiển điện áp có nhiệm vụ duy trì áp DC Bus giữ tại giá trị Vref Bộ điều khiển này sẽ tính ra biên độ dòng nghịch lưu Im I m nhân với khối tạo sóng sine sẽ có được giá trị đặt Iref Vòng điều khiển dòng điện sẽ làm nhiệm vụ điều chỉnh hệ thống sao cho bộ nghịch lưu có dòng điện ngõ ra đúng bằng giá trị I ref này
Vòng điều khiển dòng điện và vòng điều khiển điện áp đều sử dụng bộ điều khiển 2 cực – 2 zero như đã trình bày tại mục trước
3.2.2 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ba pha
Cấu hình công suất bộ nghịch lưu sáu khoá được sử dụng để tạo điện áp xoay chiều ba pha trong đề tài
Cấu tạo của bộ bao gồm 6 khóa bán dẫn (MOSFET hoặc IGBT), có chức năng biến đổi điện áp DC ở ngõ vào thành điện áp xoay chiều ba pha ở ngõ ra Các khóa (S1, S2), (S3, S4), (S5, S6) được kích đối nghịch và tạo một khoảng thời gian trễ để tránh ngắn mạch nguồn DC Ba cặp khóa này tạo ra 8 trạng thái đóng ngắt, ứng với mỗi trạng thái, ta tính được điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu
Hình 3.4 Cấu hình bộ nghịch lưu sáu khoá
Có rất nhiều phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu để tạo ra điện áp có biên độ và tần số mong muốn Trong đó, phương pháp điều chế vector không gian được xem là phương pháp chính xác và hiện đại nhất
Mục đích của kỹ thuật điều chế độ rộng xung theo vector không gian (SVPWM) là xấp xỉ vector điện áp đặt sử dụng tám mẫu đóng ngắt của 3 khóa S1,
S3, S5 Một phương pháp xấp xỉ đơn giản là lấy trung bình ngõ ra của bộ nghịch lưu trong chu kì nhỏ
Tám tổ hợp trạng thái đóng ngắt được trình bày ở phần trên là tám vector chuẩn (V0…V7) Trong đó, V0 và V7 là hai vector không vì điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu bằng không Tám vector này chia mặt phẳng thành 6 phần bằng nhau, mỗi phần có độ lớn là 60 o được gọi là một sector
Tùy vào vị trí của vector điện áp tham khảo nằm trong sector nào, hai vector điện áp chuẩn liền kề sẽ được chọn để thực hiện vector điện áp đó Để chuyển từ vector này sang vector khác chỉ nên thay đổi trạng thái của một khóa, điều này tránh được sự đóng ngắt quá nhiều của các khóa, từ đó giảm được tổn hao do đóng ngắt và đặc biệt là giảm được tổn hao do sóng hài bậc cao được tạo ra trong quá trình đóng ngắt tần số cao Ta có giản đồ đóng cắt các khóa Trong mỗi sector đều tồn tại trạng thái 0 hoặc 7
Hình 3.5 Các vector điện áp chuẩn và các sector.
Nhúng thuật toán điều khiển trên bộ xử lý DSP
Mô hình trong đề tài có thể sử dụng với chip DSP thuộc dòng C2000 của hãng Texas Instruments (TI) TMS320F28335 hoặc TMS320F28035
DSP F28335 thuộc dòng Delfino, trong khi đó DSP F285035 thuộc dòng Piccolo, hai chip DSP này tương thích với nhau về code Dòng Delfino vốn là dòng DSP ra đời trước, sau đó TI phát triển thêm dòng Piccolo, gần như tương tích toàn bộ với dòng Delfino, tuy nhiên tốc độ xử lý chậm hơn và giảm giá thành đáng kể
Nhìn chung 2 dòng chip này có những đặc điểm nổi bật sau:
+ Lõi CPU 32-bit mạnh mẽ, hiệu quả, đối với F28335 có thể chạy ở tốc độ tối đa 150Mhz, đối với F28035 là 60Mhz
+ Ngoài nhân xử lý chính là CPU, có thêm nhân CLA (Control Law Accelerator), hỗ trợ tính toán số thực dấu chấm động (Floating Point) 32-bit Nhân
CLA hoạt động độc lập với CPU, giúp nâng cao tốc độ xử lý của hệ thống bằng cách xử lý các phép toán số thực Yếu tố này đóng vai trò quan trọng trong các ứng dụng điện tử công suất, như trong đề tài nghiên cứu này.
Các dòng chip F28035 và F28335 phù hợp với các ứng dụng không những cần tính toán số thực với tốc độ cao, mà còn đòi hỏi bộ điều khiển có thể hoạt động real-time, nhằm cung cấp một giải pháp điều khiển tin cậy, ổn định và linh hoạt
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Thiết kế mạch công suất
Mạch công suất đóng vai trò tối quan trọng quyết định đến thành công của đề tài Cả sơ đồ nguyên lý lẫn thiết kế mạch in
(PCB) phải đảm bảo tuân thủ các quy tắc thiết kế nghiêm ngặt để hạn chế nhiễu, gai áp do đóng cắt
Bộ biến đổi điện áp DC/DC được thực hiện trong đề tài có nhiệm vụ lấy điện áp từ bộ pin PV (điện áp thấp) và tăng áp lên mức VBUS Điện áp này còn gọi là mức điện áp tại tầng DC-link, trước khi đưa điện áp DC-link này vào bộ nghịch lưu
DC/DC CONVERTER CẤU HÌNH PUSH-PULL
+/- 15V cảm biến 5V/3.3V DSP 5V/ 3.3V Ngoại vi 5V/3.3V cách ly
Mạch lái MOSFET 15V mạch lái
LEDs trạng thái Mạch xử lý tín hiệu Analog
Hình 4.1 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp DC/DC dạng push-pull được thiết kế trong đề tài
Cấu hình công suất sử dụng để thiết kế là cấu hình push-pull Bộ DC/DC sử dụng các cảm biến đo dòng, áp của hãng LEM và được điều khiển bằng một card DSP Piccolo F28035 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời – MPPT được ứng dụng trong tầng DC/DC để đạt được giá trị công suất tối ưu
Các khoá bán dẫn sử dụng trong mô hình là MosFET Mỗi nhánh gồm 2 MosFET mắc song song MosFET sử dụng linh kiện có mã hiệu IPP60R250CP của
36 hãng Infineon Biến áp sử dụng trong tầng DC/DC phải đáp ứng được tần số cao (HF – high frequency transformer) bằng tần số đóng cắt MosFET (trong đề tài là 100kHz) Điện áp tại cuộn thứ cấp của biến áp là xoay chiều do đó cần bộ chỉnh lưu diode để chuyển thành DC Diode dùng trong bộ chỉnh lưu này phải đáp ứng được tần số đóng cắt cao (diode có thời gian phục hồi nhanh – ultrafast soft-recovery diode) Ngõ ra của bộ DC/DC được lọc qua bộ lọc LC
Bộ nghịch lưu có nhiệm vụ chính là nhận điện áp DC-link từ ngõ ra của tầng DC/DC rồi biến đổi thành điện áp xoay chiều một pha Điện áp xoay chiều này phải đồng bộ với lưới điện để khi hòa vào lưới không gây ra nhiễu hoặc mất ổn định cho lưới.
Linh kiện bán dẫn được dùng với chức năng khoá điện tử trong phần nghịch lưu là IGBT của hãng Fairchild với mã hiệu FGP10N60UND.
Thiết kế mạch điều khiển và đo lường
Cảm biến dòng và áp được sử dụng trong đề tài là sản phẩm của hãng LEM, dựa trên hiệu ứng Hall, có độ tuyến tính cao và cách ly phần sơ cấp (dòng hoặc áp lớn của mạch công suất) với phần mạch điện tử đo lường ở phần thứ cấp
Cảm biến áp được dùng là LEM LV25-P, có tín hiệu ngõ ra là dòng điện tuyến tính so với điện áp đo Cảm biến đo dòng được sử dụng trong đề tài là cảm biến LEM LA25-NP Tín hiệu ngõ ra của cảm biến là dòng điện tuyến tính với cường độ dòng điện ngõ vào
4.2.2 Mạch xử lý trung tâm sử dụng KIT DSP F28035
Mỗi tầng DC-DC và DC-AC sử dụng một KIT điều khiển chính với chip DSP F28035 (hoặc F28335) Trên KIT có các LED chỉ thị mode hoạt động và các mạch lọc thông thấp LC tại mỗi chân ADC
Mạch DSP tầng DC/DC thực hiện nhiệm vụ:
+ Đọc các giá trị cảm biến dòng, áp từ pin PV và giá trị áp trên DC-link
+ Thực hiện thuật toán MPPT dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, điều chỉnh duty cycle của các kênh PWM để thay đổi điểm làm việc của hệ thống tới điểm công suất tối ưu (MPP)
+ Giao tiếp với tầng DC/AC và GUI để nhận dữ liệu điều khiển
37 + Báo chỉ thị mode, bảo vệ mạch khi có sự cố quá áp tại DC-bus
Mạch DSP tầng DC/AC thực hiện nhiệm vụ:
+ Đọc giá trị điện áp DC Bus, áp lưới, dòng điện sau bộ nghịch lưu
+ Điều khiển bộ nghịch lưu
+ Bảo vệ sự cố (quá áp, thấp áp, quá dòng, không đủ dòng, quá tần số, thấp tần số, mất liên kết với tầng DC/DC)
Mạch cách ly tín hiệu số được thiết kế dựa trên chip cách ly số ISO72xx (digital isolator) của Texas Instruments
Mạch giao tiếp với máy tính thông qua cổng UART được thực hiện bởi một chip chuyển đổi USB – UART của hãng FTDI (FT232RL), nhờ đó DSP có thể kết nối với giao diện đồ hoạ người dùng (GUI) trên máy tính, cập nhật thông tin trạng thái của mạch đang vận hành (các số liệu đo lường, chế độ hoạt động) lên PC và nhận các giá trị thông số thiết lập từ máy tính gửi xuống
Hình 4.2 Thử nghiệm toàn bộ hệ thống
Kết quả thực nghiệm
Hình 4.3 Chạy thực nghiệm mô hình DC/DC (không kết nối với mạch nghịch lưu )
Bộ DC/DC có thể đáp ứng tần suất đóng cắt lên đến 100Khz Hình ảnh minh họa dạng xung kích ở tần số này cho thấy: kênh vàng (CH1) và tím (CH3) là xung kích cho mỗi nhánh FET (chênh lệch pha 180 độ), đo được tại ngõ ra PWM của DSP; kênh xanh (CH2) là xung PWM của nhánh FET 1 sau tầng mạch kích, với biên độ xung là 15V.
Hoạt động của bộ DC/DC tại duty = 0,25 được minh họa qua hình ảnh Cụ thể, CH1 và CH2 là các xung kích đo được tại chân MosFET, còn CH3 là điện áp VDS (Drain-Source) của MosFET nhánh 1 (tương ứng với xung kích CH1) Thử nghiệm được thực hiện ở điện áp DC đầu vào 12V và tần số đóng ngắt 100KHz.
Khi tăng giá trị duty cycle sẽ giảm được gai điện áp tại dạng xung trên linh kiện công suất, hay nói cách khác, ở giá trị duty càng nhỏ, xung áp càng dễ xuất hiện gai nhiễu Trong kết quả đo đạc, tại giá trị duty nhỏ (0.25), ta thấy được dạng xung kích và điện áp trên FET rất tốt
Hình 4.4 Xung kích trên FET và V DS tại duty=0.25
Dạng dòng điện nghịch lưu và kết quả phân tích FFT tương ứng được cho trong hình sau, với kết quả này, dòng điện ngõ ra có dạng sine với độ méo dạng chấp nhận được Tần số điện áp nghịch lưu thay đổi trong khoảng 49.9Hz đến 50.2Hz
Hình 4.5 Dạng dòng điện nghịch lưu (CH3) và phân tích FFT dòng điện nghịch lưu
Dạng điện áp và dòng điện ba pha sau bộ nghịch lưu như hình dưới đây:
Hình 4.6 Điện áp ba pha và dòng điện ba pha sau bộ nghịch lưu
Trong hình trên thể hiện kết quả thí nghiệm cho thấy khi tải tăng từ 1/4 tải định mức (250W) lên đến tải định mức (1kW), điện áp ở DC-Link giảm (đường trên), dòng điện sau bộ nghịch lưu tăng (đường dưới).
Hình 4.7 Điện áp DC-Link và dòng điện pha ngõ ra
Hiệu suất của bộ biến đổi điện áp DC/DC được đo ở các điều kiện tải khác nhau và được trình bày trong Bảng 4.1 Dựa vào bảng này, ta thấy hiệu suất đạt giá trị cao nhất là 91,2% khi công suất ngõ ra của biến đổi là 1kW.
Bảng 4.1 Hiệu suất bộ biến đổi DC/DC
