KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DO TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC – DC, DC – AC

Chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vậy ta phải tận dụng được công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường. Bên cạnh đó, việc mô phỏng thành công nhiều thuật giải khác nhau đã mở thêm nhiều sự lựa chọn cho các ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể về chi phí giá thành hoặc hay tính hiệu quả của hệ thống.

KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DO TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC – DC, DC – AC SURVEY DETECTION ALGORITHM MAXIMUM POWER POINT (MPPT) AND ADAPTER DC - DC, DC - AC Nguyễn Hữu Phúc (*), Lý Công Nguyên (**) (*) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa Tp Hồ Chí Minh (**) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa ABSTRACT The cost of a solar system is now too high, so we have to take advantage of the maximum capacity, the changed conditions of environment Besides, the simulation algorithm successfully opened many different choices for different applications depending on specific conditions or cost or cost effectiveness of the system TÓM TẮT Chi phí cho hệ thống pin mặt trời cao, ta phải tận dụng công suất tối đa có thể, điều kiện thay đổi môi trường Bên cạnh đó, việc mô thành công nhiều thuật giải khác mở thêm nhiều lựa chọn cho ứng dụng khác tùy thuộc vào điều kiện cụ thể chi phí giá thành hay tính hiệu hệ thống I ĐẶT VẤN ĐỀ Năng lượng mặt trời nguồn lượng xem nguồn lượng vô tận, song song với nguồn lượng gió, lượng mặt trời lên nguồn lượng phổ biến thay lượng truyền thống, để đáp ứng nhu cầu ngày thiếu lượng Tuy nhiên, hạn chế lớn hệ thống quang điện (PV) có hiệu suất thấp vô hiệu vào ban đêm thời gian sự chi ếu nắng thấp điều kiện bị bóng che phần Chi phí vốn ban đầu cao vấn đề khác việc hạn chế phổ biến hệ thống PV Để nâng cao công suất giảm chi phí bắt buộc nguồn PV phải hoạt động điểm công suất tối đa công suất tối đa trích xuất II HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC LẬP Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) chia thành loại bản: Hệ PV làm việc độc lập, Hệ PV làm việc với lưới - Hệ PV độc lập thường sử dụng vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới điện không kéo đến - Còn hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời mắc với lưới điện qua biến đổi mà không cần dự trữ lượng Trong hệ này, biến đổi DC/AC làm việc với lưới phải đồng với lưới điện tần số điện áp Trong đề tài nghiên cứu hệ PV làm việc độc lập Hình 1- Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập III ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN MẶT TRỜI Điện áp hở mạch VOC hiệu điện đo mạch pin mặt trời hở Khi dòng mạch I =  q.( v  IRs )  (V  IR ) s I  I sc  I 01 e kT  1    R sh   Trong đó: Isc dòng quang điện (dòng ngắn mạch Rs Rsh) (A/m2) Dòng ngắn mạch ISC dòng điện mạch pin mặt trời làm ngắn mạch Lúc hiệu điện mạch pin V = I01 dòng bão hòa (A/m2) Đặc tính làm việc pin mặt trời thể qua hai thông số VOC lúc dòng Dòng điện ngắn mạch ISC điện áp Công suất pin tính theo công thức: T nhiệt độ (K) P = U.I Tại điểm làm việc U = VOC ; I = U = ; I = ISC , Công suất làm việc pin có giá trị q điện tích điện tử (C) = 1,6.10-19 k hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k) I, V, Rs, Rsh dòng điện ra, điện áp ra, điện trở nối tiếp song song pin mạch tương đương hình 2.3 * Nhận xét: Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ xạ chiếu sáng Ở tầng xạ thu điểm làm việc V = VMPP có công suất lớn thể hình vẽ sau Điểm làm việc có công suất lớn thể điểm chấm đen to hình vẽ (đỉnh đường cong đặc tính) Hình - Đường đặc tính làm việc V – I pin mặt trời Hình - Sơ đồ tương đương pin mặt trời Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von – ampe pin sau: Hình - Đường cong đặc trưng V - I pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ xạ Mặt trời IV CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI a) Bộ biến đổi DC – DC: a1 Mạch Buck Khóa K mạch khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT Mạch Buck có chức giảm điện áp đầu vào ( xuống thành điện áp nạp ắc quy Khóa transitor đóng mở với tần số cao Hệ số làm việc D khóa xác định theo công thức sau: D Ton  Ton fdãng c¾ t T Hình - Sơ đồ nguyên lý giảm áp Buck Vout = Vout.D ( Công thức cho thấy điện áp điều khiển cách điều khiển hệ số làm việc D thông qua mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc điều khiển cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton Do đó, biến đổi biết đến điều chế xung PWM Trong loại biến đổi DC/DC trên, Buck sử dụng nhiều hệ thống pin mặt trời nhiều ưu điểm phù hợp với đặc điểm hệ pin mặt trời a2 Mạch Boost Hình - Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Hình - Dạng sóng điện áp dòng điện mạch Buck Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng qua, điện áp chiều nạp vào tụ C2 cấp lượng cho tải qua cuộn kháng L Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, lượng chiều từ đầu vào Tuy nhiên tải cung cấp đầy đủ điện nhờ lượng lưu cuộn kháng tụ điện Điốt khép kín mạch Như cuộn kháng tụ điện có tác dụng lưu giữ lượng thời gian ngắn để trì mạch khóa K đóng Hình - Dạng sóng dòng điện mạch Boost Giống Buck, hoạt động Boost thực qua cuộn kháng L Khóa K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (Ton) cuộn kháng tích lượng, K đóng (Toff) cuộn kháng giải phóng lượng qua điôt tới tải ( V1  V0  L dI L dt ( Mạch tăng điện áp võng phóng ắc quy lên để đáp ứng điện áp Khi khóa K mở, cuộn cảm nối với nguồn chiều Khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt Với hệ số làm việc D khóa K, điện áp tính theo: Vout  Vin 1 D Với phương pháp điều chỉnh Ton chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào V1 điểm công suất cực đại theo điện áp tải Vo a3.Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy Vout  Vin D 1 D Công thức (2-11) cho thấy điện áp lớn hay nhỏ điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D Khi D = 0.5 Vin = Vout Khi D < 0.5 Vin > Vout Khi D > 0.5 Vin < Vout ( * Nhận xét: Như nguyên tắc điều khiển điện áp biến đổi cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K Việc sử dụng biến đổi hệ tùy thuộc vào nhu cầu mục đích sử dụng Để điều khiển tần số đóng mở khóa K để hệ đạt điểm làm việc tối ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn (MPPT) trình bày chi tiết chương tiếp sau b) Bộ biến đổi DC – AC: Hình -Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost Hệ PV độc lập thường sử dụng biến đổi loại nguồn áp pha Từ công thức (2-10): Do D < nên điện áp lớn điện áp vào Vì mạch Boost tăng áp mạch Buck trình bày giảm điện áp vào Kết hợp hai mạch với tạo thành mạch Buck – Boost vừa tăng giảm điện áp vào Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện điện cảm tăng dần theo thời gian Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng trì dòng điện qua tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận Tùy vào tỷ lệ thời gian đóng khóa mở khóa mà giá trị điện áp nhỏ hơn, hay lớn giá trị điện áp vào Trong trường hợp dấu điện áp ngược với dấu điện áp vào, dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Ta có công thức: Hình 10 -Bộ biến đổi DC/AC pha dạng nửa cầu hình cầu Khóa điện tử S1 S2 điều khiển chu kỳ đóng cắt theo luật định để tạo điện áp xoay chiều Điện áp rơi tụ Vdc/2 Lf Cf có nhiệm vụ lọc bỏ thành phần sóng hài bậc cao đầu biến đổi tạo điện áp xoay chiều có tần số mong muốn Các loại biến đổi ngăn chặn thành phần dòng điện sóng hài điều chỉnh hệ số công suất để nâng cao chất lượng điện 350 X: 4.98 Y: 340.3 300 Power (W) Ưu điểm: Bộ biến đổi DC/AC pha dạng nửa cầu có số khóa điện tử nửa so với biến đổi DC/AC pha hình cầu nên có cấu trúc đơn giản rẻ Giai thuat P&O cai tien 400 250 200 150 100 V KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Các phương pháp MPPT a) Phương pháp P&O Chiếu độ: 1000 50 0 Current(A) c) Phương pháp hở mạch Chiếu độ: 1000 P&O MPPT 400 Giai thuat Fraction 400 350 X: 67.14 Y: 339.2 350 250 300 200 250 Power (W) Power (W) 300 150 100 200 150 100 50 X: 69.26 Y: 340.4 20 40 60 Voltage (V) 80 50 100 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 P&O MPPT 400 20 40 60 Voltage (V) 80 100 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 400 300 350 250 300 200 250 Power (W) Power (W) Giai thuat Fraction 350 150 100 20 40 60 Voltage (V) 80 150 50 100 20 40 60 Voltage (V) 80 100 MPPT tracking Giai thuat P&O cai tien 400 400 350 350 X: 4.978 Y: 340.5 300 Power (W) 200 150 250 200 150 100 100 50 50 Current(A) X: 68.4 Y: 340.5 300 250 0 d) Phương pháp tăng tổng dẫn Chiếu độ: 1000 b) Phương pháp P&O cải tiến Chiếu độ: 1000 Power (W) 200 100 50 X: 69.26 Y: 338.7 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 0 20 40 60 Voltage (V) 80 100 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 Các điểm MPP xác định ổn định so với thuật toán P&O xác so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch Một nhược điểm phương pháp phức tạp việc cài đặt MPPT tracking 400 350 Power (W) 300 250 200 Các chuyển đổi kết hợp MPPT a) Kêt hợp phương pháp P&O 150 X: 70.48 Y: 76.52 100 Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia 50 e) 20 40 60 Voltage (V) 80 100 50 Đánh giá, nhận xét Ưu điểm: Trong trường hợp chiếu độ không đổi tất thuật toán hoạt động ổn định xác định điểm công suất cực đại MPP Khuyết điểm Đối với giải thuật P&O cải tiến: xác định MPP chiếu độ thay đổi, nhiên điểm MPP có dao động lớn -50 0.02 Đối với thuật toán tăng tổng dẫn: 0.04 0.025 0.03 Thoi gian 0.035 0.04 b) Kêt hợp phương pháp hở mạch Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia 80 60 40 20 -20 -40 -60 -80 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Thoi gian Dong dien sau qua bo loc 0.03 0.035 0.04 50 X: 0.02596 Y: 32.84 Dong dien (A) Bên cạnh đó, điện áp hở mạch môđun thay đổi theo nhiệt độ Vì nhiệt độ môđun thay đổi, điện áp hở mạch môđun thay đổi dẫn đến phải thường xuyên đo điện áp hở mạch Trong điện áp hở mạch, cần phải cách li tải khỏi môđun nên công suất hệ quang điện thời gian không sử dụng 0.02 0.03 Thoi gian Dong dien sau qua bo loc Đối với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch: Có thể xác định MPP chiếu độ thay đổi Tuy nhiên, độ xác không cao điện áp điểm cực đại xác định thông số tỷ lệ k=0.71 ~0.78, việc chọn giá trị dựa vào kinh nghiệm dẫn đến khác biệt 0.01 50 Dong dien (A) Trong trường hợp chiếu độ thay đổi: giải thuật P&O cải tiến, giải thuật tăng tổng dẫn, giải thuật tỷ lệ điện áp hở mạch hoạt động ổn định xác định điểm MPP, riêng thuật toán P&O xác định MPP -50 -50 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 Thoi gian 0.034 0.036 0.038 0.04 c) Kêt hợp phương pháp tăng tổng dẫn Mô thành công mô hình gồm hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm công suất cực đại với biến đổi DC/DC DC/AC Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia 80 60 40 20 Xây dựng hệ thống lượng mặt trời sử dụng công cụ DSP để cài đặt thuật toán MPPT, sau khảo sát đánh giá khả ứng dụng thực tiễn hệ thống -20 -40 -60 -80 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 Thoi gian 0.03 0.035 0.04 Dong dien sau qua bo loc Dong dien (A) 50 Nghiên cứu ảnh hưởng dòng điện điện áp lên thiết bị hòa lưới Và từ phát triển hệ thống điện mặt trời công suất lớn, hòa lưới điện mặt trời vào lưới điện quốc gia, giải vấn đề thiếu điện trầm trọng VII.TÀI LIỆU THAM KHẢO -50 0.02 0.025 0.03 Thoi gian 0.035 [1] Partial Shadowing, MPPT Performance and Inverter Configurations: Observations at Tracking PV Plants - Miguel Jose Miguel Maruri, Luis Marroyo, Eduardo Lorenzo and Migue [2] A New Maximum Power Point Tracking for Photovoltaic Systems - Mohamed Azab [3] Two Stages Maximum Power Point Tracking Algorithm for PV Systems Operating under Partially Shaded Conditions - Hamdy Radwan, Omar Abdel-Rahim, Mahrous Ahmed, IEEE Member, Mohamed Orabi, IEEE Senior Member [4] Innovative Decision Reference Based Algorithm for Photovoltaic Maximum Power Point Tracking - Siamak Mehrnamiyand Shahrokh Farhangiy [5] A comparison of two MPPT techniques for PV system - NAZIH MOUBAYED, ALI ELALI, RACHID OUTBIB [6] Artificial intelligence based P&O MPPT method for photovoltaic systems - B Amrouche, M Belhamel and A Guessoum [7] A Modified MPPT Scheme for Accelerated Convergence - Michael Sokolov, Doron Shmilovitz, Member, IEEE [8] 19.Novel Control Strategy for Grid-Conneted DC - AC Converters with Load Power Factor and MPPT Control - Pedro G Barbosa,Luís G.B Rolim , Vladimir V Wavares, Edson H Watanabe and R Hanitsch [9] Renewable and Efficient Electric Power Systems - Gilbert M Masters Stanford University 0.04 d) Đánh giá, nhận xét Việc chọn giải thuật MPPT phụ thuộc vào ứng dụng cụ thể phụ thuộc vào yếu tố sau: tính hiệu giải thuật, độ phức tạp giải thuật giá thành Đối với giải thuật tỷ lệ điện áp hở mạch có ưu điểm dễ cài đặt, mạch tương tự phí thấp Tuy nhiên, hiệu suất không cao so với hai giải thuật lại, đồng thời giải thuật phù hợp với ứng dụng mà nhiệt độ môi trường thay đổi Đối với ứng dụng cần hiệu suất cao nên sử dụng thuật toán P&O cải tiến thuật toán tăng tổng dẫn thuật toán tìm điểm công suất cực đại nhanh xác so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch Khuyết điểm phương pháp phức tạp chi phí cao cần sử phải sử dụng vi xử lý để điều khiển VI KẾT LUẬN Xây dựng thuật toán mô thành công thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn, thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học học viên có xác nhận đề xuất cho đăng Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm bảo hộ Luật xuất Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam Nghiêm cấm hình thức xuất bản, chụp, phát tán nội dung chưa có đồng ý tác giả Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP Hồ Chí Minh ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp Hồ Chí Minh