Xây dựng giải thuật nâng cao hiệu suất của cánh đồng pin mặt trời (phần điện)

1 CHƯƠNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ hình pin mặt trời Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả biến đổi trực tiếp lượng xạ mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện gọi pin mặt trời Mạch điện tương đương pin mặt trời cho hình 2.1: Hình 2.1 Mạch điện tương đương pin mặt trời Mạch điện gồm có dịng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh điện trở nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V pin mô tả biểu thức sau: (2.1) Trong đó: Iph: dịng quang điện (A) Is: dịng bão hịa (A) q: điện tích electron, q = 1,6x10-19 C k: số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K Tc: nhiệt độ vận hành pin (K) A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ cơng nghệ Simono A=1.2, Si-Poly A = 1.3… Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào xạ mặt trời nhiệt độ pin: (2.2) Trong đó: Isc: dịng ngắn mạch nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) xạ 1kW/m2 K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C) Tc: Nhiệt độ vận hành pin mặt trời (K) TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn pin mặt trời (K) λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2) Mặt khác, dòng bão hịa Is dịng hạt tải điện khơng tạo kích thích nhiệt Khi nhiệt độ pin mặt trời tăng dòng bão hòa tăng theo hàm mũ Trong đó: IRS: Dịng điện ngược bão hòa nhiệt độ tiêu chuẩn (A) EG: Năng lượng lỗ trống chất bán dẫn Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò R sh = ∞, Rs = Khi mạch điện tương đương pin mặt trời cho hình 2.2: Hình 2.2 Mơ hình pin mặt trời lý tưởng Khi đó, biểu thức (2.1) mơ tả sau: Và dịng bão hịa ngược tiêu chuẩn biểu diễn sau: Thông thường, công suất pin mặt trời khoảng W điện áp khoảng 0.5 V Vì vậy, pin mặt trời ghép nối với theo dạng nối tiếp - song song để sinh lượng công suất điện áp đủ lớn Mạch điện tương đương mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song Ns pin nối tiếp mơ tả hình 2.3: Hình 2.3 Mơ đun pin mặt trời Mạch điện hình 2.3 miêu tả biểu thức sau: Pin mặt trời chuyển phần xạ mặt trời trực tiếp thành lượng điện, phần chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành pin cao nhiệt độ môi trường Nhiệt độ pin điều kiện khác đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT) Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng xạ định mơ tả sau: Hì nh 2.4: Đặc tuyến I-V với xạ khác Hì nh 2.5: Đặc tuyến P-V với xạ khác 2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC Bộ biến đổi DC/DC sử dụng rộng rãi nguồn điện chiều với mục đích chuyển đổi nguồn chiều khơng ổn định thành nguồn điện chiều điều khiển Trong hệ thống pin mặt trời, biến đổi DC/DC kết hợp chặt chẽ với MPPT MPPT sử dụng biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi cung cấp điện áp lớn phù hợp với tải 2.2.1 Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter Mạch boost converter hay gọi mạch tăng áp Bộ biến đổi phù hợp với ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn điện áp đầu vào Nguyên lý hoạt động biến đổi dựa vào đặc tính lưu trữ tích phóng lượng cuộn dây 6 Hình 2.6 Sơ đồ nguyên lý mạch boost Khi S đóng cho dịng qua (TON) dịng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, lượng từ trường tích lũy cuộn dây Khơng có dịng điện chạy qua điốt D dòng tải cung cấp tụ điện C Hình 2.7 Mạch điện S đóng Hình 2.8 Dạng sóng điện áp dịng điện cuộn dây L S đóng Khi đó: Suy ra: Mặt khác: Hình 2.9 Mạch điện S mở Hình 2.10 Dạng sóng điện áp dịng điện L S mở Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt nạp lại cho tụ điện C 8 Suy ra: Năng lượng lưu trữ cuộn dây kết thúc chu kỳ Từ 2.17, ta có: 2.2.2 Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter Hình 2.11 cho thấy cấu hình chuyển đổi buck Một số chuyển đổi có diode thay cơng tắc thứ hai tích hợp vào chuyển đổi Hình 2.11 Cấu hình mạch buck VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ VOUT = điện áp ngõ mong muốn ƞ = Hiệu suất mạch, ước tính 90% Năng lượng cuộn cảm VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ D = chu kỳ hoạt động tính cơng thức 2.19 fs = tần số đóng cắt cơng tắc mạch L = giá trị lựa chọn cuộn cảm Dòng điện ngõ cực đại ILIM(min) = giá trị nhỏ giới hạn dịng điện cơng tắc tích hợp (được đưa liệu) ΔIL = lượng cuộn cảm tính cơng thức 2.20 D = chu kỳ hoạt động tính cơng thức 2.19 Nếu giá trị tính dịng điện ngõ cực đại ứng dụng, dòng điện cực đại qua cơng tắc hệ thống tính tốn: IOUT(max) = dòng điện ngõ cần thiết cho ứng dụng Đây dịng điện đỉnh, cuộn cảm, cơng tắc tích hợp diode bên phải bền Đối với phận mà khơng có phạm vi điện cảm đưa ra, công thức sau ước lượng tốt cho điện cảm: 10 VIN = điện áp ngõ vào VOUT = điện áp mong muốn ngõ fs = tần số đóng cắt nhỏ cơng tắc mạch ΔIL = lượng cuộn cảm, giải thích sau Ước tính cho sóng dịng điện cuộn cảm từ 20% đến 40% dòng điện ngõ ( 0.2 đến 0.4 ) ΔIL = sóng dịng điện ước tính cho cuộn cảm IOUT(max) = dòng điện ngõ cực đại cần thiết ứng dụng 2.3 Điểm làm việc cực đại Pin mặt trời Về bản, đường đặc tuyến PV pin mặt trời, mặt trời tồn điểm cơng suất cực đại ứng với dịng điện điện áp tương ứng 11 Hình 2.12 Đặc tuyến I-V, P-V pin mặt trời với điểm công suất cực đại Tuy nhiên, điểm cực đại lại không cố định, chúng thay đổi theo điều kiện môi trường (Hình 2.13) Vì vậy, cần điều khiển để điện áp dịng điện để thu cơng suất cực đại từ pin mặt trời nhiệt độ xạ thay đổi sử dụng tìm điểm cơng suất cực đại Hình 2.13 Các điểm MPP điều kiện mơi trường thay đổi Hình 2.14 giới thiệu sơ đồ khối hệ thống CĐNL tiêu biểu Hầu hết CĐNL gồm có ba phần bản: chuyển đổi DC-DC, phận đo lường phận điều khiển (bộ phận đo lường phận điều khiển MPPT) Khi pin mặt trời nối trực tiếp với tải, điểm vận hành pin mặt trời điều khiển tải Tổng trở tải miêu tả sau: Trong đó, Vo, Io điện áp dịng điện phát pin mặt trời Tổng trở tối ưu tải cho pin mặt trời miêu tả sau: 12 Trong đó, VMPP, IMPP điện áp dịng điện phát pin mặt trời điểm tối ưu Khi giá trị RLOAD với ROPT, công suất cực đại truyền từ pin mặt trời đến tải Tuy nhiên, thực tế hai tổng trở lại khơng Mục đích MPPT điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn với tổng trở tối ưu pin mặt trời Thông thường biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) phục vụ cho việc truyền công suất từ pin mặt trời tới tải Bộ DC/DC hoạt động thiết bị giao tiếp tải pin mặt trời Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ phía nguồn thay đổi với tổng trở nguồn điểm cực đại, cơng suất cực đại cung cấp cho tải Hình 2.14 Sơ đồ khối hệ thống CĐNL tiêu biểu Giả sử, mạch giảm áp DC/DC (Buck converter), ta có: VOUT=D.VIN (2.26) Trong đó, VOUT điện áp đầu ra, VIN điện áp đầu vào, đó: ROUT = D2.RIN (2.27) (ROUT tổng trở đầu ra, RIN tổng trở đầu vào nhìn từ phía nguồn) RIN = ROUT/D2 (2.28) Vì vậy, tổng trở ROUT trì số việc thay đổi độ rộng xung, RIN nhìn từ phía nguồn thay đổi 13 Hình 2.15 Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời Hay mạch tăng áp (Boost converter), mối quan hệ điện áp đầu vào đầu miêu tả sau: Giả sử, khơng có cơng suất tổn hao, ta có: Tổng trở đầu vào biến đổi DC-DC là: Vì vậy, tổng trở ROUT trì số việc thay đổi độ rộng xung, RIN nhìn từ phía nguồn thay đổi 2.4 Các phương pháp tìm điểm cực đại pin mặt trời phổ biến 2.4.1 Phương pháp điện áp số Cơ sở cho thuật tốn điện áp khơng đổi (CV) quan sát từ đường cong I-V giống hình tỷ lệ điện áp tối đa bin mặt trời VMPP, điện áp mở mạch nó, VOC, số, nói cách khác: 14 Các thuật tốn điện áp khơng đổi thực cách sử dụng sơ đồ thể hình 2.17 Bộ bin mặt trời tạm thời bị cô lập từ MPPT, thực phép đo V OC Tiếp theo, MPPT tính tốn điểm hoạt động xác cách sử dụng phương trình (2.33) giá trị cho thiết lập K, điều chỉnh điện áp bin tính V MPP đạt Hoạt động lặp lặp lại theo định kỳ để theo dõi vị trí MPP Mặc dù phương pháp đơn giản, khó khăn để chọn giá trị tối ưu K liên tục tài liệu báo cáo thành công với giá trị K khác nhau, 73-80%, Hình 2.16 cho thấy giá trị K thực tế cần thiết cho mảng PV phạm vi nhiệt độ 0-600C mức độ xạ từ 200 đến 1000 W/m2 Hình 2.16 Tỷ lệ phần trăm VMPP VOC chức nhiệt độ xạ 15 Hình 2.17 Sơ đồ thuật tốn điện áp khơng đổi Điều khiển điện áp khơng đổi thực dễ dàng với phần cứng tương tự Tuy nhiên, MPPT theo dõi hiệu thấp so với thuật tốn khác Lý cho điều bao gồm lỗi nói giá trị K, thực tế đo điện áp mạch mở đòi hỏi cắt nguồn pin tạm thời Nó tự động điều chỉnh giá trị K, đòi hỏi phải có thuật tốn tìm kiếm kết thúc lên giống P&O 2.4.2 Phương pháp P&O (Perturb and Observe) Những lợi thuật toán này, đơn giản dễ thực Tuy nhiên, P&O có hạn chế làm giảm hiệu MPPT Một nhược điểm P&O khơng thể xác định thực đạt đến MPP Thay vào đó, dao động xung quanh MPP, thay đổi dấu hiệu nhiễu loạn sau lần đo P 16 Hãy xem xét trường hợp xạ mà tạo đường cong V P1 hình 2.18 MPPT dao động xung quanh MPP từ điểm B đến C đến A Sau đó, giả sử tăng xạ đường cong P-V mảng di chuyển đường cong Nếu gia tăng nhanh chóng xạ mặt trời cơng suất ra, MPPT gây nhiễu điểm hoạt động từ điểm A đến điểm B, MPPT thực di chuyển từ A đến D Như thấy hình 2.18, kết ΔP dương, MPPT tiếp tục gây nhiễu hướng, hướng tới điểm F Nếu xạ tăng nhanh, đường cong điện PV di chuyển đến G đường cong thay F đường cong Một lần MPPT thấy ΔP dương giả định di chuyển theo hướng MPP các, tiếp tục để lo ngại cho điểm I Từ điểm A đến D đến G đến I MPPT liên tục di chuyển từ MPP, làm giảm hiệu thuật toán P&O Start Đo V(k), I(k) P(k) = V(k) x I(k) Delay P(k)&I(k) by k-1 instant p(k-1), V(k-1) ΔP = P(k) – P(k-1) ΔV = V(k) – V(k-1) YES NO ΔP = NO YES ΔP > YES NO YES NO Hình 2.18 Sự thay đổi điểm MMP P&O nhanh chóng theo gia tăng xạ ΔV > ΔV < Giảm D (giảm độ rộng xung) Tăng D Giảm D (tăng độ rộng xung) (giảm độ rộng xung) Tăng D (tăng độ rộng xung) 17 Hình 2.19 Lưu đồ giải thuật P&O 2.4.3 Phương pháp INC (Incremental Conductance) Phương pháp InC (Incremental Conductance) dựa đạo hàm P-V đường cong PV miêu tả sau: 18 Hình 2.20 Độ dốc (dP/dV) PV Ta có: dP/dV = 0, điểm cực đại MPP PV dP/dV > 0, bên trái điểm MPP dP/dV < 0, bên phải điểm MPP Từ: Ta biểu diễn sau: dI/dV = - I/V, điểm MPP dI/dV > -I/V, bên trái điểm MPP dI/dV < -I/V, bên phải điểm MPP Điểm cực đại tìm cách so sánh giá trị tức thời I/V với sai số dI/dV, theo giải thuật sau: 19 Hình 2.21 Giải thuật InC 2.5 Pin mặt trời bị ảnh bóng che Để có pin cơng suất đủ lớn, thông thường lắp đặt pin ghép nối với theo dạng nối tiếp - song song từ pin có cơng suất khoảng 2W điện áp khoảng 0.5V Mạch điện tương đương mô đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song Ns pin nối tiếp mơ tả hình 2.3: Mạch điện hình 2.3 miêu tả biểu thức sau: Dịng điện nhánh: Dòng điện n nhánh: 20 Dịng điện pin làm việc bình thường Cơng suất pin lúc Giả thiết rằng: có k phần tử bị bóng che phần Vùng pin bị bóng Hình 2.22 Mơ đun pin mặt trời bị bóng che phần Những nhánh pin khơng bị bóng che lúc hở mạch điện áp V, nhánh pin bị bóng che lúc hở mạch điện áp V1, lúc V > V1 Khi pin làm việc điện áp làm việc V2 Nếu V1