Hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới

Để hệ thống điện mặt trời thực sự là thân thiện với môi trường thì cần phải loại bỏ hệ thống ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi hệ thống chính vì thế hệ thống điện mặt trời nối lưới cần đượ

Chương 1

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và vấn đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái tạo đã được thừa nhận rộng rãi Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng sạch, thân thiện với môi trường và là nguồn năng lượng trong tương lai Để hệ thống điện mặt trời thực sự là thân thiện với môi trường thì cần phải loại bỏ hệ thống ắc quy dùng để trữ điện ra khỏi hệ thống chính vì thế hệ thống điện mặt trời nối lưới cần được nghiên cứu để sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng này Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều Để hệ thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hoặc là phân phối thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ

ra của hệ Mặt khác do hiệu suất của PIN mặt trời còn thấp nên để tăng hiệu quả của

hệ thống thì một biện pháp nhằm tối ưu công suất phát của PIN cũng cần được nghiên cứu

Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử

lý tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng tâm trong lĩnh vực điện tử công suất So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông thường, bộ chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau:

- Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp

- Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp

- Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn Ngoài ra, việc sử dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ

- Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất đóng cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn

Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối

PV với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai đoạn hiện nay

* Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV với lưới được tóm tắt như sau:

Bài báo [1] trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha

với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu PWM Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt

và một công tắc Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc,

và - Vdc Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm Các kết quả thực nghiệm

so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD

* Ƣu điểm:

- Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin

- Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%)

- Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc của đường cong I-V ở giá trị cực đại Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào

- Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99)

- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép

- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự cố và mất điện

Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai [2] Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi hai MBA lưới để phát ra 9 mức điện áp Bộ PVPC được tích hợp với việc bù công suất phản kháng và công suất tác dụng, theo cách này, PVPC không chỉ cung cấp công suất tác dụng và công suất phản kháng mà còn nâng cao chất lượng điện năng trong hệ thống điện Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng dụng của phương pháp PWM lai Cuối cùng, các kết quả mô phỏng trên phòng thí nghiệm 380V/13kW sẽ được trình bày để chứng minh hệ thống PVPC được đưa

ra

* Ƣu điểm:

Các đặc điểm hấp dẫn của bộ PVPC đa bậc được đưa ra được tóm tắt như sau:

1 Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp): THDI < 2%

2 Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường

3 Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng

4 Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp

5 Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái cân bằng

6 Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp ghép tầng

* Hạn chế:

- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép

- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp

nguồn lưới bị sự cố và mất điện

Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang

điện nối lưới (GCPS) [3] để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của

GCPS trong việc thiết kế hệ thống Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt

trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính

cơ bản Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của

nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất Mô hình được mô tả với sự xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ

hệ thống điện Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích

để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá hiệc quả bảo vệ và điều khiển của GCPS về mặt phân tích quá độ điện từ

* Ƣu điểm:

Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển GCPS với sự phân tích chi tiết các vấn đề như:

- Hiệu quả điều khiển công suất của GCPS

- Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua bộ điều khiển bảo vệ

- Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để cung cấp công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào

- Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới

- Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) của dòng ngõ ra BNL bằng 2,5%

* Hạn chế:

- Tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao Bài báo trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời Bộ điều hòa công suất đưa ra sử dụng

một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi [4] để nâng cao công suất định mức cực đại trên cơ

sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn

* Ƣu điểm:

Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau:

- Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc thông thường

- Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng

- Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác

- Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng

- Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng điện thứ tự không trong mạch

* Hạn chế:

- Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường

- Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD)

- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép

1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới

là vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay Công trình nghiên cứu này có thể làm tài liệu tham khảo và là nền tảng để phát triển cho các hướng nghiên cứu sau này

Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới điện bằng biến tần lai

1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tƣợng nghiên cứu

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài

a Nhiệm vụ nghiên cứu

- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập

- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV

- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần

đa bậc lai

- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần mềm MATLAB

- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai

- Đánh giá kết quả mô phỏng

- Kết luận

b Giới hạn của đề tài

Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau:

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua

mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực

1.5 Phương pháp nghiên cứu

- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet)

- Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu

- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink

- Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng

Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm và đầu tư Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn

đề lớn Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu

về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than, v.v

Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện Chỉ có những tia bức xạ (ứng với bước sóng (  ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện

Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap (hiểu như mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng) của silicon (h < Eg) 30,2 % khác cũng bị mất đi ở các vùng năng lượng (h > Eg) Chỉ có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang điện”

Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trời [ERDA/NASA-1997]

Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời

và pin quang điện:

• Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ để

tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng

• Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn Điện năng được sinh ra khi

có ánh sáng mặt trời chiếu đến Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn tạo thành dòng điện Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên liệu

Đề tài này sẽ trình bày về pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời và xây dựng mô hình sử dụng tối ưu công suất từ pin quang điện và kết nối lưới điện

2.2 Pin quang điện (PV)

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV

Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng

Kỹ thuật tạo PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor, diode… Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV

Có thể nói PV là sự ngược lại của diode quang Diode quang nhận điện năng tạo thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng

2.2.2 Mạch tương đương của PV

Hình 2.3: Mạch tương đương của PV.

Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc

I

2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao

Cũng như diode, pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn

hao này là các thông số Rs và Rp

Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế

Hình 2.6 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rs

Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua Rs:

Hình 2.7 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp

Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng cả Rp và Rs:

Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp

Công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rs và Rp:

Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ Một pin PV

có điện áp làm việc khoảng 0.6V Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song Một tấm PV thông thường để có điện áp 21.6 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin

PV Một số mô đun 12 Vdc chỉ cần 20 pin PV

Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV.

Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I-V của môđun PV

Điện áp của môđun PV:

Hình 2.12: Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp

Nối song song nhiều môđun PV để tăng dòng điện

Hình 2.13: Array PV nối song song

Hình 2.14: Đường đặc tính I-V của Array PV nối song song

Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng như ở hình 2.15

Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp

Hình 2.16: Đường đặc tính I-V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp 2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV

Đặc tính của PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt

độ môi trường, hiện tượng bóng râm, v.v Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công suất thu được của PV càng cao, dòng Isc tăng lên Nhưng ngược lại nhiệt độ cao thì

V0 bị suy giảm

2.3.1 Cường độ chiếu sáng

Biên độ dòng quang điện là lớn nhất trong điều kiện đầy đủ ánh sáng Vào những ngày nắng không hoàn toàn, dòng quang điện suy giảm tỷ lệ cường độ chiếu sáng Đặc tính I-V dịch xuống phía cường độ chiếu sáng thấp hơn như hình 2.17

Do đó, vào những ngày có mây dòng ngắn mạch giảm đáng kể Tuy nhiên, điện áp

hở mạch chỉ giảm một phần nhỏ

Hiệu suất chuyển đổi quang điện của tế bào quang điện rất nhạy với bức xạ mặt trời trong tầm làm việc thực tế Ví dụ, hình 2.18 cho thấy hiệu suất gần như

không đổi với bức xạ 500W/m2 và 1.000W/m2 Điều này có nghĩa là hiệu suất chuyển đổi là như nhau vào những ngày nắng gắt và những ngày có mây Chúng ta

sẽ thu được công suất thấp hơn vào những ngày có mây bởi vì ít năng lượng mặt trời hơn đi vào tế bào quang điện

Hình 2.17: Đặc tính I-V dịch xuống khi chiếu độ giảm và có sự giảm nhẹ về điện áp

Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này

ổn định khi bức xạ tăng

2.3.2 Góc chiếu sáng

Dòng ngõ ra tế bào quang điện được cho bởi I =I0 cos , trong đó I0 làdòng điện trong điều kiện mặt trời bình thường (để tham khảo), và  là góc chiếu sáng được đo trong điều kiện bình thường Luật cosin đảm bảo góc chiếu sáng dao động

từ 0 đến 50 Ngoài 50, ngõ ra điện lệch đáng kể khỏi luật cosin , và tế bào quang điện không phát ra công suất ngoài 85, mặc dù luật cosin toán cho biết sẽ phát ra 7.5 phần trăm công suất Đường cong công suất- góc của tế bào quang điện được gọi là cosin Kelly, và được chỉ ra trong hình 2.19 và bảng 2.1

Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0 đến 90

Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic

2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ

Hệ thống pin quang điện có thể bao gồm nhiều dãy pin nối tiếp mắc song song Hai dãy được minh họa trong hình 2.20 Hệ thống pin quang điện lớn có thể bị hiện tượng bóng mờ một phần do kết cấu của hệ thống Nếu một tế bào trong dãy dài bị che phủ hoàn toàn, nó sẽ mất điện áp quang điện, nhưng vẫn còn mang dòng điện của cả dãy pin do việc mắc nối tiếp các tế bào trong một dãy Điện áp bên trong không sinh ra , nó không thể sinh ra công suất Thay vào đó, nó sẽ hoạt động như

tải, sinh ra công suất tổn hao I2R và nhiệt Các tế bào còn lại trong dãy phải hoạt động ở điện áp cao hơn để bù điện áp bị mất do hiện tượng bóng mờ Điện áp sẽ cao hơn trong các tế bào hoạt động bình thường có nghĩa là dòng điện trong một dãy sẽ thấp hơn như trên đặc tính I-V của dãy Điều này được chỉ ra trong vùng dưới bên trái của hình 2.20 Việc hao hụt dòng điện không tỷ lệ với điện tích bị che mờ Tuy nhiên, nếu nhiều tế bào bị che mờ với số lượng vượt ra ngoài giới hạn cho phép, đường cong I-V sẽ có điện áp hoạt động của dãy rất thấp, làm cho dòng dãy giảm đến giá trị zero, lúc đó tất cả công suất của dãy sẽ không còn nữa

Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện Việc giảm công suất

không đáng kể đến khi bóng mờ vượt quá giới hạn cho phép

Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công

suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều

Phương pháp thường hay dùng nhất để loại bỏ tổn hao của dãy do hiệu hứng bóng mờ là chia nhỏ chiều dài mạch thành nhiều phần có diode thông (bypass diode) (hình 2.21) Diode của phần bị che mờ sẽ nối tắt qua phần của dãy pin Việc này làm hao hụt tương ứng điện áp và dòng điện dãy pin mà không bị mất toàn bộ công suất dãy pin Một số hệ thống pin quang điện hiện đại được lắp diode thông ở bên trong

2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ

Khi nhiệt độ tăng, dòng ngắn mạch của tế bào tăng trong khi đó điện áp hở mạch giảm (hình 2.22) Hiệu ứng nhiệt độ đối với công suất được đánh giá định lượng bằng cách kiểm tra hiệu ứng trên dòng và áp một cách riêng biệt I0 và U0 là dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch tại nhiệt độ tham khảo T, và ,  là hệ số nhiệt

độ tương ứng Nếu nhiệt độ hoạt động tăng lên khoảng T , dòng và điện áp mới đươc cho bởi phương trình sau:

Isc=Io(1+.ΔT) and Voc=Vo(1−.ΔT) (2.8) Bởi vì dòng và điện áp hoạt động thay đổi xấp xỉ tỷ lệ với dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch, công suất mới có phương trình là

P = V.I = Io(1+.T).Vo(1−.ΔT) (2.9)

Có thể được rút gọn bằng cách bỏ đi lượng nhỏ không đáng kể

P = Po.[1+(-).T] (2.10) Đối với những tế bào Si đơn tinh thể điển hình,  là 500u/C và  là 5mu/C

Vì vậy, công suất là:

P = Po.[1+(500μu −5 mu).ΔT] hoặc Po[1−0.0045ΔT] (2.11)

Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V Tế bào sinh ít dòng nhưng

nhiều điện áp hơn với việc đạt được công suất ngõ ra khi nhiệt độ thấp

Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V Tế bào phát ra nhiều công suất hơn

khi nhiệt độ thấp Điều này cho thấy khi nhiệt độ hoạt động tăng 1C, vượt qua nhiệt độ tham khảo, công suất ngõ ra tế bào quang điện Si giảm 0.45% Bởi vì việc tăng dòng điện thì ít hơn nhiều việc so với việc giảm điện áp, nên việc ảnh hưởng đến toàn bộ công suất là không đáng kể ở nhiệt độ hoạt động cao

Ảnh hưởng của việc thay đổi nhiệt độ đối với công suất ngõ ra được chỉ ra trong đặc tính P-V tại hai nhiệt độ họat động hình 2.23 Hình vẽ cho thấy công suất cực đại có sẵn ở nhiệt độ thấp cao hơn ở nhiệt độ cao Do đó, nhiệt độ thấp thực sự tốt hơn cho pin quang điện, vì nó phát ra nhiều công suất hơn Tuy nhiên, hai điểm công suất cực đại không cùng giá trị điện áp Để trích ra công suất lớn nhất tại tất cả các nhiệt độ, hệ thống pin quang điện phải được thiết kế sao cho điện áp ngõ ra pin

quang điện có thể tăng tới V2 để nhận được công suất Pmax2 ở nhiệt độ thấp hơn và

có thể giảm tới V1 để nhận được Pmax1 ở nhiệt độ cao hơn

2.3.5 Hiệu ứng thời tiết

Trong những ngày ít mây, hệ thống pin quang điện có thể phát ra 80% công suất chiếu sáng Thậm chí trong những ngày đầy mây, nó có thể sinh ra khoảng 30% công suất Tuyết không tích tụ nhiều trên tấm pin quang điện do nó có góc nghiêng nhất định và khi có ánh sáng mặt trời nó sẽ tan chảy Ngoài ra, hệ thống còn được thiết kế có xem xét đến hiện tượng mưa đá

2.3.6 Hòa hợp tải điện

Điểm hoạt động của bất kì hệ thống năng lượng nào là giao của đường đặc tính nguồn với đặc tính tải Nếu nguồn , có đặc tính I-V và P-V được vẽ trên hình 2.24 (a), đang cấp công suất cho tải trở Rl, nó sẽ hoạt động tại điểm A1 Nếu điện trở tải tăng tới R2 hoặc R3, điểm hoạt động sẽ di chuyển đến A2 hoặc A3 Công suất cực đại được trích ra từ hệ thống pin quang điện khi điện trở tải là R2 (hình 2.24b) Việc hòa hợp tải với nguồn như thế luôn cần thiết cho việc trích công suất cực đại ra từ hệ thống pin quang điện

Việc hoạt động với tải công suất là hằng số được chỉ ra trên hình 2.24 (c) và (d) Đặc tính tải công suất hằng số có hai điểm giao với đặc tính nguồn, được minh họa bởi B1 và B2 Chỉ điểm B2 là ổn định, bất kì sự dao động nào từ nó cũng phát

ra công suất dự trữ để trở về điểm hoạt động B2 Vì thế, hệ thống sẽ vận hành tại điểm B2

Điều kiện cần thiết cho sự ổn định vận hành điện của pin quang điện là

source load dV

dP dV

Hình 2.24: Hoà hợp tải và ổn định vận hành với tải trở và tải công suất hằng số

Một vài loại tải như lò hơi có điện trở cố định, công suất thay đổi tỷ lệ bình phương điện áp Mặt khác, một vài tải như động cơ cảm ứng hoạt động giống tải công suất cố định, tạo ra nhiều dòng hơn tại điện áp thấp hơn Trong hầu hết các hệ thống lớn có tải hỗn hợp, công suất thay đổi xấp xỉ tỷ lệ tuyến tính với điện áp

2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời

Nhiều năng lượng hơn được thu thập vào cuối ngày nếu hệ thống pin quang điện được lắp đặt trên bộ xoay theo hướng mặt trời, có bộ điều chỉnh để theo hướng mặt trời tạo thành hình bông hướng dương (hình 2.25) Có hai loại bộ xoay chính:

 Loại bộ xoay một trục: sẽ xoay theo mặt trời từ hướng Đông sang hướng Tây suốt cả ngày

 Loại bộ xoay hai trục sẽ xoay theo mặt trời từ hướng Đông sang hướng Tây suốt cả ngày, và từ hướng Bắc sang hướng Nam trong suốt mùa của năm

Hình 2.25: Bộ xoay hai trục xoay theo măt trời giống như bông hướng dương

Thiết kế bộ xoay theo hướng mặt trời có thể tăng năng lượng cung cấp lên tới 40% trong cả năm so với thiết kế dãy pin cố định Bộ theo xoay theo hướng mặt trời hai trục được thực hiện bởi hai động cơ điều khiển tuyến tính, hai động cơ… Suốt

cả ngày, nó sẽ xoay theo hướng mặt trời từ Đông sang Tây Vào buổi tối, nó xoay sang hướng Đông để định vị cho mặt trời buổi sáng hôm sau Bộ xoay cũ thực hiện việc này sau khi hoàng hôn xuống dùng bộ acqui NiCad nhỏ Thiết kế mới bỏ ắc qui bằng cách thực hiện vào lúc nhá nhem tối hoặc lúc bình minh

2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT

2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP)

Điểm công suất cực đại MPP (Maximun Power Point ), tức là điểm làm việc hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được Do sự thay đổi theo nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP Xét một đường cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện trở thuần R , thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ

và có độ dốc với trục 0V với tgα =1/R; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và

R là điểm làm việc Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho tải , nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của PV được cung cấp cho tải Như vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất

Do đó, ở mỗi điểm làm việc khác nhau ta sẽ có một công suất khác nhau, vấn

đề là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất

Hình 2.26 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ

Để đơn giản vấn đề xét tải là một điện trở, có công thức Ohm mô tả như sau:

1 or

Hình 2.28: Điểm MPP của PV

Ta thấy rằng cùng với một pin PV hoạt động dưới điều kiện nhất định, khi thay đổi tải khác nhau ta thu được các điểm làm việc khác nhau, tương ứng là các công suất thu được khác nhau P = U x I

Trong vô số điểm làm việc khác nhau, có một điểm mà tại đó công suất thu được cực đại ta gọi là điểm MPP, tương ứng với nó là các thông số Vm, Im, Pm Nếu giữ cố định điện trở ta thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ta thu được một họ các đường đặc tính PV, và đồng thời cũng có vô số các điểm làm việc khác nhau Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực đại

Hình 2.29: Các điểm làm việc của tải thuần trở

2.4.2 Bộ điều khiển MPPT

Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều này người ta dùng bộ dò tìm MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều khiển bộ DC/DC để đạt được điểm làm việc này

Thực tế bộ MPPT là một khối nhận lấy các tín hiệu của pin PV (dòng, áp) sau

đó dùng các thuật toán khác nhau để xác định điểm làm việc MPP và truyền các tín hiệu điều khiển này điều khiển đóng cắt bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC để thu được công suất lớn nhất

Điểm MPP thường nằm ở khủy của đường cong (I,V) của pin PV Sau khi hệ MPPT tính toán được điểm MPP sẽ đưa tín hiệu điều khiển về điều khiển đóng cắt

bộ DC/DC

Hình 2.30: Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter

2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter)

Có nhiều loại DC/DC converter được sử dụng tùy thuộc vào hệ thống PV và tải Nếu hệ thống PV có điện áp lớn và tải có điện áp nhỏ bộ Buck converter sẽ được sử dụng, ngược lại sẽ dùng bộ Boost converter Nếu muốn điều khiển cả tăng giảm điện áp bộ Buck-Boost converter sẽ được sử dụng Sau đây sẽ trình bày tóm tắt về bộ Buck-Boost converter:

Hình 2.31: Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter)

Ta phân tích hai trạng thái đóng ngắt của bộ Buck_Boost Converter:

Hình 2.32: Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter

Khi khóa (Mosfet) đóng điện áp Vi xuyên qua cuộn dây, dẫn toàn bộ dòng nguồn lúc này là IL chạy qua cuộn dây Trong suốt thời gian này năng lượng được tích tụ trên cuộn dây Nếu khóa vẫn còn đóng, cuộn dây sẽ dẫn dòng ngắn mạch và pin quang điện sẽ phát ra dòng ngắn mạch và điện áp bằng zero

Khi khóa mở dòng vẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây nhưng lúc này năng lượng tích lũy trong cuộn dây bắt đầu giảm đi (dòng chạy qua cuộn dây không thể thay đổi đột ngột) Dòng lúc này sẽ chạy qua diode, tụ điện và tải, dòng cuộn dây sẽ nạp cho

tụ một điện áp (phân cực ngược) cấp cho tải để có thể duy trì năng lượng trên tải khi khóa đóng lại

Nếu khóa đóng cắt đủ nhanh thì dòng trên cuộn dây không thể giảm nhiều Với khóa đóng cắt đủ nhanh và cuộn dây đủ lớn mạch có thể thiết kế với dòng cuộn dây gần như là hằng số

Nếu khóa đóng cắt đủ nhanh thì điện áp trên tụ không thể thay đổi nhiều Tương tự ta cũng có thể thiết kế được mạch với điện áp tụ gần như là hằng số Cuối cùng chúng ta cần nói đến chu kỳ đóng cắt của switch (D) Nó ảnh hưởng trực tiếp giữa điện áp vào và ra của bộ chuyển đổi Với bộ buck_boost converter ta có:

Hình 2.33: Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter

- Khi switch đóng trong khoảng thời gian từ t = 0 đến t = DT , điện áp trên L là Vi

Khi đó công suất trên L là:

P

0 0

11

(2.13) Với điều kiện dòng qua L là một hằng số, ta có công suất qua L như sau:

D I V dt I V T

DT L i

DT L

DT L L

T dt I V T

0

1 1

(2.15) Với điều kiện lý tưởng thì V0 và IL là hằng số lúc đó Pout là:

)1()

(

1

0

0I T DT V I D V

0

D

D V

V

Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung

kích ta có thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn nhờ điều chỉnh D và áp ra có cực

tính ngược với áp đầu vào Mạch công suất là mạch tăng áp nên áp ra có thể lớn hơn

áp vào

2.4.4 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT)

2.4.4.1 Xáo trộn và theo dõi P&O

Đây là thuật toán thường được dùng nhất để tìm điểm công suất cực đại, nó

dựa vào việc làm thay đổi điện áp và theo dõi tỷ số dP/dt Dấu của đạo hàm điện áp

cho biết điện áp tăng hay giảm và điện áp có thể giảm hoặc tăng tới khi đạt được

điểm công suất cực đại và lúc đó đạo hàm bằng 0 Bởi vì thuật toán này dựa trên

việc thay đổi, nên sẽ có sự dao động thậm chí khi đạt được điểm công suất cực đại

Thuyết minh thuật toán P&O (hình 2.34):

- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp

- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp

* Nhược điểm của thuật toán P&O:

Theo lưu đồ trên ta thấy thuật toán P&O phụ thuộc rất lớn vào thời gian lấy

mẫu so sánh Trong trường hợp cường độ chiếu sáng không đổi giải thuật P&O hoạt

động rất tốt khi truy tìm điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi

thuật toán P&O sẽ sai bởi vì hệ MPPT không hiểu được công suất tăng do thay đổi

cường độ chiếu sáng chứ không phải do sự dao động điện áp khi làm việc Kết quả là

thuật toán sẽ giảm điện áp hoặc tăng điện áp liên tục do nhận thấy công suất đo lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu

Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán P&O

Ta xét một hệ PV phát năng lượng về lưới điện:

Hình 2.35: Hệ PV phát năng lượng về lưới điện

Khi chiếu độ tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 sang P2 (hình 2.36) Giả sử ở thời điểm k hệ MPPT đang điều khiển PV hoạt động ở điểm A, thời điểm k+1 chiếu độ tăng nhanh Lúc đó P[k+1] > P[k] và giả sử điện áp lúc đó V[k+1] > V[k] , thì theo thuật toán P&O hệ MPPT sẽ tăng điện áp lên và lúc đó điểm làm việc sẽ là điểm C (không phải điểm cực đại)

Hình 2.36: Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O

Ta nhận thấy nguyên nhân dẫn đến sự hoạt động sai của thuật toán P&O là không phân biệt được sự thay đổi công suất do thay đổi điện áp với sự thay đổi công suất do thay đổi cường độ chiếu sáng

Yêu cầu đề ra để giải quyết sự hoạt động sai này là:

1 thuật toán MPPT chỉ hoạt động hiệu quả khi không có sự thay đổi chiếu độ (trên cùng một đường cong công suất)

2 Khi có sự thay đổi chiếu độ thì giữ nguyên điện áp đang hoạt động ở điểm MPP cũ đến khi chiếu độ ổn định thì mới tiếp tục truy tìm MPP theo điện áp

Và thuật toán P&O cải tiến sẽ giải quyết vấn đề này

* Thuật toán P&O cải tiến [19]:

Giải thuật này dựa vào sự tính toán và so sánh dòng ngắn mạch Isc Ta biết mỗi loại pin PV tương ứng với mỗi cường độ chiếu sáng có một dòng ngắn mạch (ứng với

V = 0) với cường độ tương ứng Dòng ngắn mạch này thuộc về bản chất vật lý của

Hình 2.37: Cấu tạo một Cell PV

Ta dùng hệ số n thay thế cho tham số Rs và Rp gọi là hệ số không lý tưởng của diode, suy ra:

T (°K) : nhiệt độ tuyệt đối

n = 1-5, hệ số không lý lưởng của diode

q = 1,062 x 10-19 : điện tích electron

Ta thấy I, V có thể đo được, các thông số còn lại đều có thể biết được do nhà sản xuất cung cấp Ta có thể xác định Isc

Isc = I / ( 1 - e(V-Voc)/(ns.Vt)) (2.20) Bất cứ điểm làm việc ở đâu, mỗi cặp giá trị (I,V) đều là duy nhất trong mô hình

PV, do đó ta có thể tính toán ngược về Isc

Nếu không có sự thay đổi cường độ chiếu sáng, bất cứ điểm làm việc ở đâu đều

có thể xác định được giá tri Isc giống nhau Khi có sự thay đổi cường độ chiếu sáng, Isc

sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với cường độ chiếu sáng

Ta sẽ dùng Isc làm cơ sở so sánh, nếu Isc không đổi sẽ cho hệ MPPT hoạt động

theo giải thuật P&O truy tìm điểm cực đại theo điện áp Nếu Isc thay đổi sẽ giữ nguyên điện áp làm việc

Hình 2.38: Đặc tính P- I của môđun PV khi chiếu độ thay đổi

Lưu đồ thuật toán này sẽ được giải thích và mô phỏng ở phần 4.2.2.1

2.4.4.2 Tăng tổng dẫn INC

Trong thuật toán INC, nhược điểm của thuật toán P&O (dao động quanh điểm công suất cực đại) sẽ đuợc khắc phục Việc này được thực hiện bằng cách dùng điện dẫn lũy tiến của dãy pin quang điện để tính tỷ số dP/dt mà không xảy ra dao động Thuật toán sử dụng biểu thức:

(với P là công suất môđun; V là điện áp môđun; I là dòng điện môđun)

Đạo hàm theo V ta được

Dựa vào biểu thức này thuật toán sẽ tìm ra điểm công suất đỉnh

Tại điểm công suất đỉnh:

Thuật toán này có ưu điểm là nó có thể xác định được khi nào MPPT đạt đến MPP, trong khi phương pháp P&O chỉ dao động quanh MPP Hơn nữa, tổng dẫn tăng có thể dò rất nhanh sự tăng hay giảm các điều kiện bức xạ với độ chính xác cao hơn so với phương pháp P&O Nhược điểm của phương pháp này là phức tạp hơn phương pháp P&O

Hình 2.39: Lưu đồ thuật toán INC 2.4.4.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch

Cơ sở của phương pháp vòng hở là giả sử điện áp tại điểm công suất cực đại

VMPP là hàm tuyến tính của điện áp hở mạch VOC Ví dụ VMPP = k.VOC, k ≈ 0.76

Trong đó, k là hệ số tỷ lệ Vì k phụ thuộc vào đặc trưng của PV nên nó thường được ước lượng trước theo kinh nghiệm xác định VMPP và VOC cho dãy PV ở những chiếu độ và nhiệt độ khác nhau Hệ số k thường được xác định trong khoảng 0.71 và 0.78

Giả thiết này có độ chính xác vừa phải trong những trường hợp dòng ngắn mạch PV và nhiệt độ có phạm vi thay đổi rộng Bằng cách đo điện áp hở mạch, một điện áp điều khiển có thể được tạo ra điều khiển điện áp của môđun quang điện đến điểm công suất cực đại

Nhược điểm của phương pháp này là điện áp hở mạch của môđun thay đổi theo nhiệt độ Vì thế khi nhiệt độ của môđun tăng điện áp hở mạch của môđun thay đổi và chúng ta phải đo điện áp hở mạch của môđun thường xuyên Do vậy tải phải được tháo khỏi môđun để đo điện áp hở mạch Công suất của hệ quang điện trong thời gian này không được sử dụng

2.5 Các dạng cấu trúc bộ chuyển đổi PV

Để chuyển đổi nguồn áp DC từ hệ PV thành áp AC cho các mục đích khác nhau, người ta sử dụng các dạng bộ nghịch lưu được mô tả ở hình 2.40 [4]

Hình 2.40: Tổng quan theo lịch sử của các bộ chuyển đổi PV (a) Công nghệ tập

trung trong quá khứ (b) Công nghệ theo dãy hiện nay (c) Công nghệ đa dãy hiện tại và tương lai (d) Công nghệ pin AC và modul AC hiện tại và tương lai

2.5.1 Bộ chuyển đổi tập trung (Centralized Converters)

Đây là một công nghệ cũ, dựa trên sự kết nối số lượng lớn các modul PV đến

bộ chuyển đổi (Hình 2.40a) Ưu điểm của cấu trúc này là cần ít bộ chuyển đổi nên tổn thất ở tầng chuyển đổi công suất khá thấp và khả năng kết nối nhiều modul nối tiếp để thu được điện áp đầu vào cao và vì thế tránh được sự mở rộng sau này Tuy nhiên, các hạn chế là rất lớn, như việc sử dụng cáp DC điện áp cao giữa các modul

PV và bộ chuyển đổi, các tổn thất công suất vì MPPT tập trung, các tổn thất do sự không cân bằng giữa các modul PV, các tổn thất trên các điốt mỗi dãy pin, và sự thiết kế không linh hoạt ở chỗ các lợi ích của việc sản xuất hàng loạt không thể đạt được

2.5.2 Bộ chuyển đổi theo dãy (String Converters)

Như trên hình 2.40b), bộ chuyển đổi theo dãy là phiên bản rút gọn của cấu trúc tập trung, ở đó mỗi dãy được nối tới một bộ chuyển đổi Ở cấu trúc này chúng ta có

thể đạt được thuận lợi ở điện áp đầu vào cao, nếu một lượng lớn modul PV được nối nối tiếp Nếu điện áp ngõ vào thấp thì sử dụng máy biến áp hay bộ chuyển đổi DC-

DC để tăng điện áp Vì chỉ có một dãy pin cho mỗi bộ chuyển đổi nên không cần sử dụng điốt cho các dãy pin, và nó cho phép sử dụng MPPT riêng lẻ cho mỗi dãy Các tổn thất không cân bằng cũng được giảm, nhưng không được loại bỏ Nói chung cấu túc này tăng hiệu suất toàn hệ thống so với cấu trúc bộ chuyển đổi tập trung, và nó

sẽ giảm giá thành vì khả năng sản xuất hàng loạt

2.5.3 Bộ chuyển đổi đa dãy (Multi-String Converters)

Bộ chuyển đổi đa dãy như trên hình 2.40c), là sự phát triển thêm của bộ chuyển đổi theo dãy, và có nhiều ưu điểm của cả bộ chuyển đổi tập trung và bộ chuyển đổi theo dãy Ở cấu trúc này, có một bộ chuyển đổi DC-DC kết hợp MPPT cho mỗi ngõ vào, tất cả được nối tới một bộ nghịch lưu Điều này có lợi vì MPPT

có thể được điều khiển riêng lẻ cho mỗi dãy, và một nhà máy có thể được thực hiện với ít các bộ nghịch lưu hơn so với cấu trúc bộ chuyển đổi theo dãy Điều này mang lại sự thiết kế linh hoạt với hiệu suất cao, và có thể sẽ trở thành chuẩn hóa ở những nơi mà các bộ chuyển đổi theo dãy và tập trung hiện nay đang sử dụng

2.5.4 Bộ chuyển theo modul AC (AC-Module Converters)

Với cấu trúc này, một modul PV được tích hợp cùng với bộ chuyển đổi trong một thiết bị điện, như trên hình 2.40d) Bằng cách kết hợp modul PV và bộ chuyển đổi vào một thiết bị, thì khả năng tạo ra một modul dựa vào thiết bị “cắm và sử dụng” sẽ xảy ra, và nó có thể được sử dụng bởi những người không biết gì về việc lắp đặt điện Ở cấu trúc này, các tổn thất không cân bằng giữa các modul PV được loại bỏ, và nó có thể tối ưu hóa bộ chuyển đổi tới modul PV, và vì vậy cũng cho phép MPPT riêng lẻ của mỗi modul Vì sẽ có nhu cầu cho nhiều thiết bị hơn so với các cấu trúc đã đề cập ở trên, nên nó sẽ mang lại lợi ích lớn khi sản xuất hàng loạt,

và vì vậy giá thành sẽ thấp hơn Mặt khác, điện áp ngõ vào trở nên thấp, đòi hỏi sự

mở rộng điện áp cao có thể sẽ giảm hiệu suất toàn hệ thống

2.6 Các dạng pin quang điện nối lưới và hoạt động độc lậ p

2.6.1 Dạng nối lưới

Hệ thống pin quang điện nối lưới là ứng dụng tương đối mới mẻ trong đó hệ thống pin quang điện được lắp đặt để cung cấp công suất cho tòa nhà hoặc tải khác nối với lưới điện lực Hệ thống thường cung cấp điện ngược về lưới điện khi hệ thống pin quang điện cung cấp điện vượt nhu cầu của tải Các hệ thống này được tích hợp vào kết cấu đã có sẵn và trở nên thông dụng bởi tiềm năng to lớn của nó Chúng được sử dụng để cấp điện cho các hộ gia đình, khu thương mại, khu công nghiệp Công suất pin quang điện phụ thuộc ngân sách hoặc không gian có sẵn So sánh với ứng dụng hoạt động độc lập của pin quang điện, chi phí hệ thống thấp hơn bởi vì không có bộ lưu năng lượng, acqui, , một yếu tố giúp nâng cao hiệu quả của pin quang điện

2.6.1.1 Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui

Hệ thống pin quang điện nối lưới được thiết kế để hoạt động song song và phối hợp với lưới điện lực Các thành phần cơ bản trong hệ thống pin quang điện nối lưới

là bộ inverter, hoặc PCU (power conditioning unit) PCU chuyển đổi điện DC do pin quang điện phát ra thành điện AC đáp ứng nhu cầu điện áp và chất lượng điện năng của lưới điện, và tự động ngừng cấp điện cho lưới khi lưới mất điện Giao diện hai chiều được thực hiện giữa mạch ra AC hệ thống pin quang điện và mạng điện lực, được lắp đặt trong tủ phân phối điện tại chỗ hoặc ở lối ra vào Điều này cho phép nguồn AC được sinh ra bởi pin quang điện tới nguồn cấp cho tải tại chỗ hoặc nguồn lưới khi ngõ ra hệ thống pin quang điện lớn hơn nhu cầu tải tại chỗ Vào buổi tối hoặc trong suốt các giai đoạn khác khi nhu cầu tải điện lớn hơn công suất ngõ ra của pin quang điện, phần công suất dư do tải yêu cầu sẽ được nhận từ nguồn điện Khi mạng mất điện, các hệ thống này tự động ngưng hoạt động và rã lưới Đặc tính

an toàn này được yêu cầu trong tất cả các hệ thống pin quang điện nối lưới, và đảm bảo rằng hệ thống pin quang điện sẽ không tiếp tục vận hành và cấp điện ngược trở lại lưới điện khi lưới mất điện hoặc sửa chữa

Hình 2.41: Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui 2.6.1.2 Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui

Hệ thống điển hình là một dãy các pin đặt trên nền đất Loại này khá phổ biến cho các hộ tiêu thụ và các doanh nghiệp nhỏ trong đó cần phải dự phòng nguồn điện cho các tải quan trọng như việc làm lạnh, máy bơm nước, chiếu sáng và các nhu cầu khác Thông thường hệ thống này hoạt động theo kiểu nối lưới, cung cấp cho tải tại chỗ hoặc gửi công suất dư thừa về lưới trong khi vẫn sạc đầy ắc qui Trong trường hợp mạng bị mất điện, mạch điều khiển trong inverter sẽ ngắt khỏi lưới điện thông qua cơ cấu chuyển đổi thanh cái, và kích hoạt bộ inverter từ ắc qui để cấp điện tới tải quan trọng được yêu cầu Với cấu hình của hệ thống như vậy, tải quan trọng được cung cấp chủ yếu từ tủ tải phụ được yêu cầu

Mỗi hệ thống như vậy có thể cung cấp công suất cho tải DC Với sự kết hợp của bộ inverter trong hệ thống, mỗi hệ thống cũng có thể cung cấp cho tải AC Không giống như các hệ thống nối lưới khác, hệ thống này phải phát ra tất cả công suất sẵn có tới tải Do đó, việc xác định kích cỡ các dãy pin và yêu cầu tải là các yếu

tố quan trọng để đáp ứng nhu cầu khách hàng

PV array Inverter/Power

Conditioner

Distribution Panel

AC Loads

Electric Utility

Hình 2.42: Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui 2.6.2 Dạng độc lập

Hệ thống pin quang điện hoạt động độc lập trong gia đình cung cấp điện cho những hộ gia đình ở những khu vực xa xôi Hệ thống cung cấp điện cho chiếu sáng,

tủ lạnh, và những tải khác tiêu thụ ít năng lượng Các ứng dụng này hầu như có mặt khắp nơi trên thế giới, đặc biệt là những khu nông thôn ở các nước đang phát triển Pin quang điện là kỹ thuật thích hợp nhất để đáp ứng nhu cầu của các khu công đồng xa xôi Hệ thống pin quang điện hoạt động độc lập thường được ứng dụng hiệu quả ở những khu cách xa điện lưới từ 1-2km, những nơi điện lưới không thể tới được

Ứng dụng hệ thống pin quang điện hoạt động độc lập cho khách hàng là ứng dụng mang tính thương mại đầu tiên đối với hệ thống pin quang điện Chúng cung cấp công suất cho hầu hết các ứng dụng như đồng hồ, máy tính, viễn thông, máy bơm, phương tiện hỗ trợ di chuyển bằng đường biển, đèn cảnh báo hàng không, … Những ứng dụng này dùng rất ít công suất điện nhưng giá thành năng lượng mặt trời cho các ứng dụng này lại rất cao Ngày nay, hệ thống pin quang điện cũng được

sử dụng trong đèn đường, đồng hồ đo cho bãi đậu xe, và thậm chí cho cả xe hơi

2.6.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước

Việc bơm nước là ứng dụng quan trọng của hệ thống pin quang điện Hệ thống điển hình bao gồm một dãy các pin đặt trên nền đất ( có hoặc không có bộ phận xoay cơ khí), bộ điều khiển bơm, bộ inverter cho động cơ bơm AC, và việc lắp đặt bơm/ động cơ cần điện DC hoặc AC Nước được bơm chỉ trong các giờ ban ngày và

Battery Storage

Critical Load

Sub Panel

Critical

AC Loads