LUAN VAN điều KHIỂN PIN mặt TRỜI

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 ג ) 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.

CHƯƠNG I :

ĐẶT VẤN ĐỀ VÀ TẦM QUAN TRỌNG CỦA LUẬN VĂN

Ngày nay sự ô nhiễm môi trường và cạn kiệt nguồn năng lượng trong thiên nhiên làvấn đề thách thức lớn cho toàn nhân loại Làm sao để chất lượng cuộc sống được nângcao và cải thiện sức khoẻ cho mọi người là vấn đề được nhiều người quan tâm Khaithác nguồn năng lượng xanh, sạch( như năng lượng mặt trời, gió, thuỷ triều…) đã,đang và sẽ thu hút nhiều tổ chức , nhiều nhà khoa học … dồn nhiều thời gian và tiềnbạc để nghiên cứu , triển khai, đưa nguồn năng lượng xanh sớm ứng dụng trong cuộcsống Hoà vào xu thế này và được thầy hướng dẫn góp ý, tôi mạnh dạn tổng hợp, phântích và đề xuất một số vấn đề liên quan đến lĩnh vực biến đổi năng lượng mặt trời thànhnăng lượng điện phục vụ cho đời sống con người Đặc biệt là dùng phần mềm Psim 9.0

để khảo sát và mô phỏng hệ PV, với các yếu tố môi trường thay đổi đó là bức xạ mặttrời và nhiệt độ môi trường nơi đặt hệ PV

Trọng tâm của luận văn là : Công nghệ chuyển năng lượng mặt trời thành năng lượng

điện và hoà vào lưới điện hệ thống Đây cũng là tên của luận văn mà tôi sẽ thực hiện.

Tính đến nay, đã có rất nhiều công trình khoa học nghiên cứu về điện mặt trời : các quitrình kỹ thuật, phần mềm, cũng như sản xuất thiết bị

Các nước đứng đầu thế giới về lĩnh vực kỹ thuật như Mỹ, Nhật, Nga…ngày đêm cạnhtranh ráo riết, để chứng tỏ ai là nước đứng đầu thế giới về lĩnh vực rất “hot” này, màvấn đề không ở chỗ là hình thức, mà một ngày không xa nữa nó là một trong nhữngmạch máu ( nguồn năng lượng) chính nuôi sống cơ thể ( sự sống) chúng ta Và nước takhông phải là ngoại lệ, khi tình hình giá dầu, than đá cứ ngày một tăng và có khi khôngkiểm soát nổi Do đó việc nghiên cứu và thực hiện luận văn này cứ thôi thúc tôi có suynghĩ, làm sao đưa đất nước Việt nam cạnh tranh với những nước tiên tiến trên Thế giới,

để chứng tỏ rằng mình không thấp kém hơn ai Mà làm sao để biến ý tưởng trên thànhhiện thực- tốn ít công sức, thời gian và tiền bạc nhất, tôi nghỉ mình phải đi học từnhững công nghệ nước ngoài, ứng dụng những thành tựu mà loài người đã phát minh

và khám phá được Chúng ta không chê cười người Nhật, họ đã xả thân vì đất nước,

mổ bụng để chứa, đưa các công trình khoa học lấy cắp được từ nước ngoài, về ứngdụng cho nước nhà Và chúng ta cũng hoan nghênh những người Việt nam có tinh thầnnhư vậy

CHƯƠNG II :

TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

I Điểm lại một số nét về công nghệ biến năng lượng mặt trời thành năng lượng điện Điện mặt trời được các nhà khoa học đề cập vào những năm đầu thập kỷ 70 Trong quákhứ và hiện nay sử dụng năng lượng điện mặt trời cho truyền thông vệ tinh, cho khudân cư và tải là công nghiệp Ở Mỹ đã có những nhà máy điện năng lượng mặt trời đưavào sử dụng

Và trong tương lai sẽ có nhà máy điện mặt trời trên vũ trụ (Châu Âu)

Công ty không gian lớn nhất châu Âu đã đề ra kế hoạch xây dựng nhà máy điện mặttrời trên vũ trụ

Theo kế hoạch EADS Estrium, một vệ tinh sẽ được phóng lên quỹ đạo để thu nănglượng mặt trời vũ trụ và truyền năng lượng này về trái đất để cung cấp điện cho dân cưcủa hành tinh xanh thông qua các tia laser hồng ngoại Giám đốc điều hành EADS củaAstrium, ông Francois Auque, nói rằng hệ thống này đang trong giai đoạn thử nghiệm,tuy nhiên ông khẳng định hãng này có thể sớm hoàn thành một hệ thống khả thi nhằmthu và truyền năng lượng từ vũ trụ Theo ông Auque, sản xuất năng lượng mặt trời là ýtưởng hấp dẫn bởi vì đây là dạng năng lượng sạch và không cạn kiệt.Không giống nhưcác nhà máy điện mặt trời trên trái đất, các thiết bị hấp thụ năng lượng mặt trời trênquỹ đạo có thể hoạt động liên tục ngày này qua ngày khác, không chịu sự tác động củamây hoặc các loại bụi và khí trong bầu khí quyển Điều đó có nghĩa là mức năng lượngđược các tấm quang điện hấp thụ trong quỹ đạo sẽ lớn hơn nhiều so với tấm đó ở trênmặt đất

Hình II.1 Dự án Nhà máy nhiệt điện mặt trời dạng tháp ở California đang

được đầu tư và triển khai xây dựng.

EADS Astrium đã tiến hành các cuộc thử nghiệm về quá trình truyền năng lượng bằnglaser hồng ngoại và hãng này đang tập trung vào việc cải thiện hiệu quả của hệ thống.Công việc phát triển các thiết bị có chức năng chuyển năng lượng hồng ngoại thànhnăng lượng điện tiến triển nhanh và EADS Astrium đang làm việc này với sự phối hợpcủa các chuyên gia thuộc Đại học Survey tại Anh EADS Astrium hy vọng đạt được80% hiệu quả trong quá trình chuyển hoá năng lượng nói trên

Theo Giám đốc công nghệ của EADS Astrium Robert Laine, hiện mức năng lượng đãđược xử lý trong hệ thống của hãng này đang bị hạn chế bởi kích cỡ của tia laser có thểtạo ra được Ông cho rằng cần thành lập nhóm chuyên trách đánh giá tín hiệu quả của

hệ thống và quá trình này có thể diễn ra trong thập kỷ hiện tại

Khái niệm tận dụng năng lượng mặt trời đang được bàn thảo ít nhất 3 thập kỷ qua,nhưng dường như chưa khắc phục được vấn đề thất thoát năng lượng trong khi truyền

về trái đất, cũng như vấn đề chi phí và lắp ráp một khối lượng lớn các tấm thu nănglượng mặt trời trong vũ trụ

Nhật là một trong những nước có các công trình nghiên cứu về điện mặt trời cótầm cỡ Ngoài việc chế tạo các tấm pin mặt trời có hiệu suất phát điện cao Nhật cũng

dự định sẽ xây nhà máy điện mặt trời trên vũ trụ

II Tầm quan trọng của điện mặt trời

Năng lượng tái tạo là một trong những thành phần quan trọng của hệ thống điện hiện đại

CHƯƠNG III:

KHÁI QUÁT VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ PIN MẶT TRỜI

1 Năng lượng mặt trời.

Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia bức xạ nàocũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện Chỉ có những tia bức xạ (ứng với bước sóng

ג ) 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 điệnsilicon :

Hình III.1 : Quang phổ mặt trời với tỉ lệ không khí 1.5 Những Photons có :

* [ hυ> E g ( chiếm 30.2 %) hoặc hυ< E g ( chiếm 20.2 %) thì không thể kích

hoạt các silicon solar cell.

* Chỉ có những photons ở những vùng tô đậm ( Energy available, chiếm 49.6 %) thì mới khả năng kích hoạt các silicon solar cell

Nguồn cung cấp quang phổ này từ ERDA/NASA (1997)

2 Khái niệm về photovoltaic (pin mặt trời):

Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin quang điện

PV có thể xem là trường hợp ngược lại của diode quang Diode quang nhận năng lượngđiện sinh ra ánh sáng, pin PV nhận năng lượng ánh sáng sinh ra điện

-Nhiệm vụ của photon đối với điện năng lượng mặt trời : kích hoạt các electron ra khỏitrạng thái tĩnh của chúng

-Mô hình PV

Hình III.2 : Mô hình vật lý pin PV

RS :Series resistance, Rp: parallel resistance, Ip : dòng điện qua Rp , ISC : short circuit

Single – crystal Si

Multicrystal Heterojunction

Homojunction Czochralski

CZ

Ribbo

Polycrystalline thinfilm Si, Amorphous

Si 20%

GaAsInP

Bảng III.1 Phân loại theo vật liệu và tỉ lệ bán trên thị trường của pin quang điện

( thống kê vào năm 1990)

Hình III.3 Các loại vật liệu làm photovoltaic

Ghi chú: Buried Contact: Công tắc ẩn, Pyramid-shaped: dạng tháp

Vật liệu tương đối hiện đại hiện nay là Multi-junction (GaInP / AsGa) hiệu suất cũngchỉ đạt đến 30,3 % , các vật liệu thông thường như silicium chỉ khoảng 12 %

4 Nguyên lý làm việc của photovoltaic:

Dựa vào mô hình nguyên tử Boh, electron có khối lượng

kg

m e =9.1093897.10−31

Xoay xung quanh hạt nhân, ở quỹ đạo với bán kính rn và tần số góc ωn Sự di chuyển

xung quanh quỹ đạo sinh ra lực ly tâm

Hình III.4 : Mức trượt của Electrons từ dãy hoá trị đến dãy dẫn gây nên bởi năng lượng ánh sáng trong bán dẫn ( Inner Photo Effect)

Sự trượt của các electron từ vùng hoá trị đến vùng dẫn dưới tác dụng năng lượng ánh sáng, mà các nguyên tố thường được dùng là chất bán dẫn ( Si, Ge, Sn) , ở nhóm 4 – đặc biệt là Si

Hình III.5 : Nguyên lý tế bào mặt trời với mô hình dãy năng lượng

Chú thích : p – region : vùng mang điện tích dương

n- region : vùng mang điện tích âm

valence band : vùng hoá trị

Conduction : vùng dẫn

Space charge region : vùng không gian điện tích ( vùng nạp điện )

5 Đặc tuyến pin năng lượng điện mặt trời và phương trình của chúng

5.1 Phương trình mô tả đặc tính pin quang điện

)(

1]1[ 38 9 ( )

P

IR V

R e

Hình III.6 Đặc tính pin quang điện I-V và P-V với điểm truy bắt công suất cực

đại ( MPP) Cách xác định I MPP là vẻ hai đồ thị P-V và I-V trên cùng một hệ trục toạ

độ, từ đồ thị P-V ta xác định được V MPP , kẻ đường thẳng P MPP V MPP cắt đồ thị I-V tại điểm MPP, từ điểm MPP dóng ngang vào trục tung I, ta được điểm I MPP.

b) Đặc tính V -I và P- I của pin quang điện dưới các giá trị khác nhau của dòng ngắn mạch

Hình III.7 Đặc tuyến V-I, P-I phụ thuộc dòng ngắn mạch

Đối với mỗi loại pin PV có trị số dòng ngắn mạch khác nhau, ngoài ra giá trị dòngngắn mạch còn phụ thuộc vào môi trường mà nó làm việc ( nhiệt độ và độ rọi, cũngnhư góc đặt tấm PV so với mặt phẳng nằm ngang)

c) Mô tả đường đặc tính của pin PV trong trường hợp lý tưởng và trong thực tế:

Hình III.8 : Điện trở nối tiếp và song song trong mạch tương đương ( qui đổi ) PV cả điện áp và dòng điện phân phối bị giảm Để cải tiến hoạt động của nó – điện trở song song R P phải có giá trị lớn hơn và điện trở nối tiếp R S thì có giá trị nhỏ xuống.

- Trường hợp lý tưởng : R P = ∞, R S = 0 (R P , R S là những phần tử ở mô hình thay thế pin PV) , lúc này V MPP ≈ V OC và I MPP ≈ I SC.

Hình III.9 Mô hình thay thế pin PV

d Đặc tuyến làm việc của pin PV

Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, do đó các điểm MPP cũng thay đổi, giả

sử tải là một điện trở ( đặc tuyến I = V/R tuyến tính ) , ta có đường đặc tính làm việc

sau:

Hình III.10 : Hiệu suất của module PV với tải là điện trở khi ánh sáng mặt trời yếu nhanh Điểm MPP có công suất lớn nhất.

6 : Số liệu về Module PV của các hãng sản xuất khác nhau trên thế giới :

Bảng thông số module điện mặt trời ( Sharp NE -80 EJEA)

ELECTRICAL CHARACTERISTICS

Example of PV Module Performance Data Under Standard Test Condition

( 1kW / m 2 , AM 1.5, 25 0 C Cell temperature)

Width(mm/in) 652/25.7 826/32.44 790/31.1 741/29.18 329/12.9

Bảng III.2 : Các số liệu về PV Module của các hãng khác nhau

7 Cấu trúc bên trong của pin mặt trời: ( Thay mô hình vật lý bằng mô hình toán)

- Cấu trúc để tạo ra điện áp (NS số pin PV mắc nối tiếp trong một module PV).

-Cấu trúc bên trong để tạo ra dòng điện

Đính chính : Outputs Ipv : PV Current and PV power

Hình III.11 : các khối bên trong pin mặt trời.

CHƯƠNG IV:

CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

I Cấu tạo và chức năng các khối:

+Khối DC-DC: điện áp đầu vào là DC và điện áp ra cũng DC Về giá trị điện áp ngõ ra

có thể nhỏ hơn , bằng, hoặc lớn hơn điện áp ở ngỏ vào Tuỳ theo không có hoặc cóbiến áp Khối DC- DC kết hợp với Regulator Voltage để điện áp ở tải ổn định

+Khối DC-DC converter có 2 nhiệm vụ chính :

- Giảm độ nhấp nhô của dòng điện và điện áp ( nhờ vào tụ Cpv và cuộn dây L)

- Điều khiển tần suất đóng cắt mạch điện đến khối DC-AC Nhờ vào Mosfet và diodenhư hình vẽ ở trên Tuỳ từng trường hợp mà phát điện lên lưới hay xạc vào bộ lưu trữđiện Trước khi đạt được nhiệm vụ này ta phải lấy tín hiệu i, v tham khảo và đưa vàoMPPT controller, ở đây nó sẽ xử lý thông tin và dùng xung, kích vào cổng G củaMosfet

+ Tụ điện C tích xả năng lượng, làm cho điện áp phẳng trước khi đưa vào bộ DC-AC

* Sơ đồ nguyên lý và sơ đồ thực tế của mạch đóng cắt DC-DC

Mosfet kết hợp với diode để đóng cắt mạch điện ( chức năng như công tắc lý tưởng )

Hình vẽ IV 2 : về bộ đóng cắt DC-DC

Ghi chú: công tắc có thể ở vị trí 1 hoặc 2 Với : Vg = 100V , L= 200µ H, C = 10 µF,

Vout = 200V, Ig =IL = 4A, công suất P = 400 W, tần số đóng cắt fs = 100 kHz

2 Khối MPPT : thu bắt công suất lớn nhất, xem thêm ở phần các thuật toán điều khiển hệ MPPT, khối MPPT tác động đến bộ điều chế độ rộng xung, từ đó có thể điều khiển bộ DC-DC

Hình vẽ IV 3 : vai trò của MPPT trong hệ PV

3.Khối nghịch lưu DC-AC : biến đổi điện áp 1 chiều thành điện áp xoay chiều

- nguồn ở phía tay trái bên dưới ( chứa sóng điều chế v a )

- nguồn ở dưới cùng chứa sóng mang vp ( sin hoặc tam giác)

-Trong mạch điện ta còn thấy các bộ phận so sánh (op- amp) dùng để so sánh giữa v a

on, IGBT nào off.( luân phiên nhau)

- Cổng Not và đệm (buffer) cũng đóng vai trò quan trọng trong mạch điện này

Bảng IV.1 Thông số kỹ thuật của bộ nghịch lưu dùng cho Photovoltaic

4 Khối điều khiển bộ nghịch lưu (inverter controller) : gồm có

- Multipler : Bộ nhân Nhân hai tín hiệu từ khối PLL và MPPT

-Error Amp.+ PI : Bộ so sánh lỗi và bộ tích phân (loại bớt lỗi)

- PWM : Điều chế độ rộng xung , hỗ trợ cho bộ nghịch lưu đa bậc về giá trị áp điềukhiển và tỉ số điều chế, cũng như thêm hàm offset để điện áp ra ở khối nghịch lưu làsine ( không bị méo)

II Nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi điện tử công suất :

-Cài đặt điểm làm việc (V PV, IPV ) đến MPP

-Tăng V PV ở tấm PV

-Cân bằng công suất trung bình ở mảng PV nối đến lưới để V PV > VDC

- Phát ra dòng điện Iac để kết nối với lưới điện xoay chiều và thoả điều kiện:

Pac = PDC * ηDC-DC* ηDC-AC

-Tụ điện C: Cân bằng công suất giữa công suất tức thời và công suất trung bình

CHƯƠNG V:

CÁC THUẬT TOÁN VỀ HỆ MPPT

I Liệt kê các thuật toán và tóm tắt nội dung từng thuật toán

1.Hill-Climbing/ Peturb and Observe (P&O)

2.Incremental Conductance

3.Fractional Open –Circuit Voltage

4.Fractional Short-Circuit Current

5.Fuzzy Logic Control

6.Neural Network

7.Ripple Correlation Control

8.Current Sweep

9.DC Link Capacitor Droop Control

10.Load Current or Load Voltage Maximization

11.dP/dV or dP/dI Feedback Control

12 Kết hợp giữa Fuzzy và Artificial Neural Network

II Tóm tắt nội dung các thuật toán:

1 Thuật toán P&O : Xem ở phần khảo sát và mô phỏng hệ PV dùng Psim 9.0

2 Thuật toán Incremental Conductance: Xem ở phần khảo sát và mô phỏng hệ PVdùng Psim 9.0

3.Thuật toán Fractional Open- Circuit Voltage:

Mối quan hệ giữa VMPP và VOC gần tuyến tính của mảng ( tấm) PV với sự thay đổi độrọi và nhiệt độ , đưa ra bởi phương pháp điện áp hở mạch nhỏ

PV Điện áp được phát bởi mối nối pn của diodes thì xấp xỉ khoảng 75% của điện áp

hở mạch VOC Sự cần thiết của việc đo lường điện áp hở mạch VOC và tính toán VMPP Ngay khi VMPP gần đạt được điều khiển vòng kín trên bộ chuyển đổi công suất có thểđược sử dụng để đạt đến điện áp mong muốn

* Hạn chế của phương pháp điện áp hở mạch nhỏ :

-Bởi vì giá trị VOC đo được xấp xỉ, kỹ thuật mảng PV không bao giờ hoạt động tạiđiểm MPP, mà nó phụ thuộc vào ứng dụng của MPPT đến hệ thống PV, chỉ cần điềunày là đủ Thậm chí điện áp hở mạch nhỏ VOC thì không đúng với kỹ thuật MPPT, điềunày thực hiện rất dễ dàng và rẻ, không cần thiết phải dùng DSP hoặc vi điều khiển -Mặc dù, k1 là ít hợp lệ trong hiện diện của phần che (bóng mờ- trời có mây) Điềunày dẫn đến cực đại đa vùng của tấm PV và đưa ra việc quét điện áp tấm PV để cậpnhật k1 Làm cho phức tạp thêm và tổn thất công suất lớn

4 Thuật toán Fractional Short – Circuit Current ( dòng ngắn mạch nhỏ) :

Kết quả Fractional ISC từ thực tế là, điều kiện khí quyển thay đổi thấp ( dưới) IMPP thìxấp xỉ gần tuyến tính liên quan với ISC của mảng PV

Công suất đầu ra giảm khi tìm ISC và do hệ thống dao động tại điểm MPP Bù k2 dẫnđến điểm MPP thì được truy bắt một cách tốt hơn trong điều kiện môi trường thay đổi

Để đảm bảo MPPT trong hiển diện của cực đại đa vùng, chu kỳ quét điện áp của tấm

PV từ hở mạch đến ngắn mạch để cập nhật k2 Có thể dùng DSP ( xử lý tín hiệu số) để

hỗ trợ cho phương pháp này

Dùng dòng điện hồi tiếp thay thế vòng điều khiển để mạch điện được đơn giản hơn

5 Thuật toán điều khiển logic mờ ( Fuzzy Logic Control) xem ở phần khảo sát và môphỏng hệ PV dùng phần mềm Psim 9.0 ).

6 Thuật toán mạng Neural ( Neural Network)

Cùng với bộ điều khiển logic mờ đã dẫn đến kỹ thuật khác nhau về bổ sung MPPT –mạng neural , mà nó đáp ứng tốt cho vi điều khiển( microcontroller)

Nhìn chung mạng neural network có 3 lớp:

- Lớp đầu vào

- Lớp dấu (ẩn )

- và lớp đầu ra, như (hìnhV.1)

Số nút trong mỗi lớp khác nhau và phụ thuộc vào người sử dụng Biến số đầu vào có

thể là các thông số như VOC và ISC, dữ liệu về khí quyển như là độ rọi và nhiệt độ, hoặcbất cứ sự so sánh nào của chúng Đầu ra thường là một hoặc vài tín hiệu tham chiếu(khảo) như tỉ số tín hiệu chu kỳ được dùng để thực hiện việc chuyển đổi công suất đếngần điểm hoặc tại điểm MPP

Làm thế nào để điểm hoạt động gần với MPP phụ thuộc vào thuật toán sử dụng bởi lớp

ẩn và làm thế nào để mạng neural được huấn luyện tốt Mối liên kết giữa các nút hoàntoàn là khối lượng Sự liên kết giữa nút i và j được nhãn hoá (labeled) của khối lượng

wij trong ( hìnhV.1) Để xác định chính xác điểm MPP, w’

ij có thể xác định một cách cẩnthận thông qua xử lý việc huấn luyện , nơi mà tấm PV được kiểm tra hàng tháng hoặchàng năm và các phần giữa đầu vào và đầu ra của mạng neural được lưu ( ghi) lại Bởi

vì hầu hết các mảng PV có đặc tính khác nhau, mạng neural network được huấn luyệnmột cách đặc biệt cho mảng PV mà nó sẽ được sử dụng Đặc tính của PV còn thay đổivới thời gian, bổ sung mạng neural theo từng thời kỳ để đảm bảo sự chính xác choMPPT

7 Thuật toán Ripple Correlation Control ( Điều khiển sự tương quan gợn sóng)

Khi mảng PV được kết nối với bộ chuyển đổi công suất, hành động công tắc của bộchuyển đổi công suất phải gánh điện áp và dòng điện lăn tăn trên mảng PV Theo sựtuần tự công suất mảng PV là thành phần đến sự gợn sóng Ripple correlation control(RCC) tạo ra sự sử dụng của gợn sóng để thực hiện MPPT

RCC tương quan đạo hàm theo biến thời gian mảng PV của công suất p• và đạo hàmtheo thời gian của dòng i• hoặc điện áp v• để đưa độ dốc công suất tiến tới 0, sau đóđạt đến điểm MPP

Nếu v hoặc I tăng (v•>0 hoặc •i >0) và p tăng (p• >0), sau đó điểm hoạt động ở dướiđiểm MPP (V< VMPP hoặc I<IMPP ) Mặt khác , nếu v hoặc i tăng và p giảm (p• <0) , sau

đó điểm hoạt động thì ở trên điểm MPP

(V > VMPP hoặc I > IMPP ) Kết hợp sự quan sát, chúng ta thấy p• v• hoặc p• i• là dương

ở bên trái của điểm MPP, là âm nếu ở bên phải điểm MPP và zero tại điểm MPP

Khi bộ chuyển đổi công suất là bộ tăng áp, sự gia tăng tỉ số làm tăng sự dẫn điện ( dòngdẫn ), mà điều này tương tự như dòng của tấm PV, nhưng giảm điện áp tấm PV Do đó

tỉ số điều khiển đầu vào là:

dt v

Đạo hàm ở (9) và (10) thường không được như mong muốn, nhưng cho thấy rằng đolường cặp dòng và áp xoay chiều của mảng PV có thể dùng để thay thế, bởi vì chúngbao gồm những thông tin cần thiết về pha Đạo hàm còn có thể xấp xỉ bằng lọc thôngcao với tần số cắt cao hơn tần số ripple Sự khác nhau và cách dễ dàng đạt được đạohàm dòng điện ở (10) thì còn cảm nhận độ dẫn điện áp, điều này đưa tới đạo hàm dòngđiện Sự không lý tưởng về dẫn điện ( cuộn dây, điện trở) có ảnh hưởng nhỏ bởi vìhằng số thời gian của vật dẫn điện thì lớn hơn nhiều so với chu kỳ đóng cắt ở bộ biếnđổi thực

Hiện tại , không có tài liệu cho thấy ở (10) có thể sai, bởi vì sự thay đổi pha ( luânphiên pha) đã mang lại tính dung kháng của mảng PV tại tần số đóng cắt cao Mặc dùcông suất và điện áp tương quan như ở (9) đủ để ảnh hưởng đến dung kháng bên trongMạch điện tương tự đơn giản và rẻ có thể sử dụng để bổ sung RCC Một ví dụ đưa ra Những thực nghiệm được thực hiện cho thấy rằng RCC chính xác và nhanh trong việctruy bắt điểm MPP, thậm chí khi nhiệt độ và độ rọi ( bức xạ) thay đổi Thời gian thựchiện để hội tụ đến điểm MPP thì được giới hạn bởi tần số đóng cắt của bộ chuyển đổicông suất và độ lợi của mạch RCC Ưu điểm khác của RCC là không cần yêu cầutrước bất cứ thông tin nào về đặc tính mảng PV, làm cho đáp ứng của nó đến các hệthống PV khác nhau ngày một cải thiện hơn

Phương pháp MPPT gần giống RCC Ví dụ, đạo hàm theo thời gian của công suất và

tỉ số công suất Mặc dù, không giống RCC, nó dùng ripple hiện có ở dòng điện và điện

áp, làm sai tỉ số công suất Dùng hiện tượng trễ dựa trên RCC Tần số thấp tín hiệukhông rõ ràng thì dẫn đến sai lệch về công suất Với góc lệch pha ( thay đổi) 90 độ

về dòng ( hoặc áp) , mong muốn đạt được công suất tại MPP, giống như trong RCC

Sự khác nhau về góc pha, cho thấy rằng sự kích vào là phụ, là tín hiệu tần số thấp, làkhông phải bộ chuyển đổi hiện có gợn sóng

8 Thuật toán Quét dòng điện ( Current Sweep)

Phương pháp quét dòng điện: dùng quét dạng sóng cho dòng điện mảng PV như đặctính I-V của mảng PV thì đạt được và cập nhật vừa với khoảng thời gian Điện áp VMPP

có thể được tính toán từ đường cong đặc tính ở cùng khoảng cách

Chọn lựa hàm cho dạng sóng quét thì tỷ lệ thuận với đạo hàm của nó như trong hàmsố:

dt

t df k t

dt

t dv t f dt

t df t v dt

t dp

(13)Thế (11) vào (13) được :

0)()()

()(

t dv k t v dt

t dp

(14)Phương trình vi phân (11) được giải như sau :

4

/)(t Ce t k

(t I e t

Dòng điện trong (16) có thể đạt được dễ dàng bằng cách dùng xạc điện qua tụ Bởi vìđạo hàm ở phương trình (16) không bằng 0, (14) có thể được chia nhờ vào df (t)/dt ,nếu : f (t) = i (t), (14) trở thành đơn giản như sau :

0)()

Ngay khi VMPP được tính toán sau khi quét dòng điện, (17) có thể được dùng để kiểmtra 2 lần nơi mà MPP đạt được.

Phương pháp quét dòng bổ sung nhờ vào tính toán tương tự ( analog) Quét dòng điệnmất khoảng 50 ms, bù (bổ sung) vào công suất mất mát

- Phương pháp quét dòng cho thấy kỹ thuật MPPT là khả thi ( tiện lợi) nếu sự tiêu thụcông suất của đơn vị truy bắt thì thấp hơn sự gia tăng công suất mà nó thực hiện đượchoàn toàn cho hệ thống PV

9 Thuật toán Điều khiển sự rớt kết nối tụ điện DC( Một chiều)- DC Link CapacitorDroop Control :

DC Link Capacitor droop control : là kỹ thuật MPPT thiết kế đặc biệt để làm việc với

hệ thống PV mà được kết nối song song với hệ thống xoay chiều, cho ở ( hình V.2)

Tỷ số ( hệ số) của bộ tăng áp lý tưởng ( an ideal boost converter ) thì được cho bởi

Ở đây V là điện áp xuyên qua mảng PV và Vlink là điện áp liên lạc một chiều

- Nếu Vlink giữ bằng hằng số, tăng dòng điện đi qua bộ nghịch lưu, tăng công suất đếnđầu ra của bộ tăng áp ( Boost Converter) và tuần tự tăng công suất đến đầu ra của mảng

PV Trong khi dòng gia tăng, điện áp Vlink giữ bằng hằng số cho đến khi công suất yêucầu bởi bộ nghịch lưu không lớn hơn ( trội hơn) giá trị công suất cực đại đang có từtấm PV

- Ngược lại , Vlink bắt đầu rớt ( giảm ) xuống Bên phải phía trước điểm này, dòng điềukhiển lệnh Ipeak của bộ nghịch lưu là lớn nhất và mảng PV hoạt động ở điểm MPP Dòng

điện dây hệ thống xoay chiều thì được hồi về để ngăn Vlink rớt xuống và d là tối ưu đểmang Ipeak đến điểm cực đại của nó, vậy là chúng ta đã đạt được MPPT

DC link capacitor droop control thì không yêu cầu tính toán công suất mảng PV, đáp ứngcủa nó làm giá trị khi so sánh với phương pháp tách dòng công suất có hướng, bởi vì đápứng của nó phụ thuộc trực tiếp vào đáp ứng của vòng điều khiển điện áp một chiều của

bộ nghịch lưu Bản vẽ điều khiển này có thể dễ dàng bổ sung với bộ khuyếch đại thuậttoán tương tự ( analog operational amplifiers) và bộ (units) logic ra quyết định hànhđộng ( decision making)

10.Thuật toán Load Current or Load Voltage Maximization ( Điện áp tải và dòng điệntải cực đại)

Mục đích của kỹ thuật MPPT là cực đại hoá công suất ra của mảng PV Khi mảng PVkết nối với bộ chuyển đổi công suất, công suất mảng PV là lớn nhất, ngoài ra công suất

ở tải của bộ chuyển đổi cũng là lớn nhất Chuyển đổi, cực đại hoá công suất đầu racủa bộ chuyển đổi nên cực đại công suất của mảng PV, giả thiết rằng công suất không

bị mất mát

- Ta thấy hầu hết các tải có thể là kiểu nguồn áp, kiểu nguồn dòng, kiểu điện trở, hoặckết hợp giữa chúng, điều này được biểu diễn ở (hình V.3 ) Từ hình vẽ này, rõ ràng làtải kiểu nguồn áp, dòng điện tải iout nên là cực đại để công suất đầu ra đạt được là cựcđại PM Cho tải là kiểu nguồn dòng, điện áp tải vout nên là cực đại, cho tải là các kiểukhác, iout hoặc vout đều có thể được sử dụng Điều này cũng đúng đối với tải là phituyến, chúng không biểu hiện đặc tính trở kháng âm Do đó, cho hầu hết các loại tải,cần làm cực đại hoặc là dòng hoặc là áp của tải để công suất tải là cực đại, chỉ cần mộtcảm biến là thực hiện được

Hầu hết hệ thống PV, nguồn dc( pin) thì được sử dụng với vai trò là tải chính hoặc là ( backup – dự trữ) Bởi vì nguồn một chiều (pin) được xem là tải kiểu nguồn áp, dòngđiện tải có thể được sử dụng với vai trò là biến điều khiển Dùng hồi tiếp dương đểđiều khiển bộ chuyển đổi công suất, như dòng điện tải thì được cực đại hoá và mảng

PV hoạt động kín tới MPP Hoạt động chính xác tại MPP thì hầu như không bao giờđạt được Bởi vì phương pháp MPPT này dựa trên giả thiết rằng bộ chuyển đổi côngsuất thì không bị mất mát

11 Thuật toán dP / dV or dP/ dI Feedback Control ( Điều khiển hồi tiếp áp và dòng ) :Với DSP và vi điều khiển ( microcontroller) không phải tính toán phức tạp bằng tay,

đó là cách dễ dàng để thực hiện MPPT, tính toán độ dốc (dP / dV or dP/ dI) của đườngcong công suất và hồi nó về bộ chuyển đổi công suất với một vài điều khiển để hướng

nó tới bằng 0 Điều này thì chính xác với những điều đã làm

Độ dốc đường cong thì được tính toán khác nhau giữa các bài báo khoa học - Tính dP/dV và lưu trữ tín hiệu của nó cho một vài chu kỳ, dựa trên những tín hiệu này, tỉ sốcủa bộ chuyển đổi công suất thì tăng hoặc giảm để đạt đến MPP Kích thước bước độngnăng thì được dùng để cải thiện đáp ứng quá độ của hệ thống Sử dụng tuyến tính hoádựa trên phương pháp tính toán dP / dV Dùng mẫu và chuyển đổi dữ liệu và sau đó là

chia kỹ thuật số công suất và điện áp xấp xỉ tiến tới dP / dV Sau đó tích phân dP/ dIvới độ lợi đáp ứng để cải thiện quá trình quá độ Điện áp mảng PV thì gia tăng hoặcgiảm trong một chu kỳ Và ∆P/ ∆V thì được so sánh với lỗi ở biên ( giới hạn ) chođến khi đạt được điểm MPP Sự hội tụ đến MPP thì xảy ra thời điểm 10 ms( millisecond )

12 Kết hợp giữa Mạng nơ ron và Fuzzy Logic

Hình V.4 : Mô tả việc kết hợp giữa Mạng Neuron và Fuzzy Logic

Chú thích : Bias : độ xiên, độ dóc ( độ dóc đặt tấm PV so với mặt phẳng nằm ngang)

A S , D r : là các thông số chuyển đổi (tunning : bật/ tắt)

V op : Điện áp tối ưu

T c , T o : Nhiệt độ tế bào và nhiệt độ tham chiếu ( 0 C)

Polar information : những thông tin có được lúc mảng PV ban đầu hoạt động

FLC : Làm việc với những thông tin có được ban đầu với bộ điều khiển MPPT

ANN: Xác định điện áp làm việc tối ưu

Polar coordinated : toạ độ cực.

Sự kết hợp giữa ANN và FLC có ưu điểm làm ổn định hệ thống điện(PSS)

Hình V.5 : Thuật toán mạng neuron- fuzzy logic với sự trợ giúp của máy tính.

II Bảng tổng kết và so sánh giữa các thuật toán

Dependent?

True MPPT

Analog or Digital

Periodic Turning

Convergence Speed

Implementation Complexity

Sensed Parameters

IncConf No Yes Digital No Varies Medium Voltage, Current

Fuzzy Logic

Control

Bảng V.1: Bảng tổng kết giữa các thuật toán

CHƯƠNG VI:

ĐIỀU KHIỂN P, Q

I Mục đích của việc điều khiển P, Q

-Cân bằng giữa công suất phát và tiêu thụ để ổn định lưới điện

( kết hợp với các nhà máy điện trong lưới.)

-Đảm bảo chất lượng điện năng cho tải tiêu thụ

II Các Phương pháp điều khiển P, Q

1 Phương pháp cân bằng công suất

* Điện áp hiệu dụng xoay chiều 120v

*Nếu IRMSref quá thấp và PAC < Ppv thì tăng VDC

*Nếu IRMSref quá cao thì giảm VDC

*Nếu PAC ≈Ppv thì giá trị VDC ban đầu là 200V và giá trị trở về VDC là 200V

Hình VI.1: Điều P, Q theo phương pháp cân bằng công suất (IRMSref )

( Trục tung là điện áp, đơn vị là V Trục hoành là đại lượng thời gian, s)

2 Phương pháp thông thường:

2.1 Lấy tín hiệu điện áp tham chiếu của 3 pha trên lưới điện

- Chuyển đổi thành điện áp 1 pha

2.2 Lấy tín hiệu dòng điện 3 pha trên lưới điện

- Chuyển đổi thành dòng điện một pha

2 3 Đưa các tín hiệu này vào khối tính toán công suất tức thời ta lấy được công suấtphản kháng tham chiếu q*

2.4 Đưa tín hiệu q* vào khối tính toán dòng điện tham chiếu

2.5 Lấy tín hiệu điện áp giữa 2 cực của tụ điện Cd đưa vào bộ cộng

2.6 Đưa tín hiệu điện áp mảng PV vào bộ cộng

Hình VI.2 : Hệ thống điều khiển bộ nghịch lưu dc-ac 3 pha

2.7 Đưa thành phần công suất tác dụng tham chiếu p* từ khối điều khiển vào khối tínhtoán dòng điện tham chiếu và đưa tín hiệu từ khối này vào khối điều khiển dòng điệntrể

2.8 Lấy tín hiệu dòng điện 3 pha từ lưới đưa vào khối điều khiển dòng điện trể

- Lấy tín hiệu từ khối điều khiển dòng điện trể, đưa lên khối điều khiển tần suất đóngcắt công suất ta được pc và qc

Lưu ý : Công tắc lý tưởng thay thế cho (IGBT và Diode) Nó có nhiệm vụ biến đổi điện DC thành AC

Tuỳ theo sự làm việc của khối điều khiển tần suất đóng cắt công suất ta có các giá trị

p và q tương ứng Vậy giá trị của p và q phụ thuộc vào các giá trị tham chiếu vα, vβ

iα, iβ

3.Phương pháp đặc biệt

-Sử dụng phương pháp bù (cosϕ= 0,92) và dùng bộ cộng để điều khiển bộ nghịch lưu

(so sánh VDC và VDCref)

*Điện áp VDC thì được lấy tín hiệu (bằng cảm biến ) và so sánh với VDcref ( giá trị thamchiếu)

*∆= VDC - VDCref là lỗi tín hiệu cho điều khiển phản hồi

*Nếu lỗi là dương (∆>0) , vd VDC > VDCref, thì ta tăng giá trị bù

* Nếu lỗi là âm, vd VDC < VDCref, thì giảm bù

*Ở trạng thái xác lập, IRMSref được điều chỉnh bởi bộ điều khiển phản hồi tự động , khi

đó VDC - VDCref =0, và công suất trung bình Pac sẽ phân phối tới lưới AC, công suấtnày do hệ thống mảng PV sản xuất ra

* Ở trạng thái ổn định động, đáp ứng và nhận dạng bộ điều khiển phản hồi thì dựa vàomàn hình hiển thị (scope) Vấn đề này liên quan đến điện tử công suất

4 Phương pháp điều khiển P, Q theo giải thuật P&O

-Cài đặt Iref, ∆Iref , Pold

- Đo Ppv

-So sánh Ppv vàPold

-Nếu Ppv > vàPold thì tiếp tục tính lặp , ta có:

Iref = Iref +∆Iref, Pold = Ppv

-Nếu Ppv <Pold thì ∆Iref = - ∆Iref Ta được :

Iref = Iref +∆Iref, Pold = Ppv

-Sau đó đưa kết quả Iref = Iref +∆Iref, Pold = Ppv đến khối đo Ppv

Hình VI.4 : Lưu đồ giải thuật điều khiển P, Q theo phương pháp P & O

CHƯƠNG VII :

KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG HỆ PV DÙNG PSIM 9.0

1 Các đặc tính của PV dưới sự thay đổi của Insolation and Temperature

-Khởi động phần mềm Psim 9.0

Phần mềm Psim 9.0 khác các phiên bản Psim trước đây là nó có menu Utilities, mộttrong những công cụ để khảo sát các đặc tính của module PV

Chọn đường dẫn như sau: PSIM/Utilities/ Solar Module ( physical model)

Solar Module ( physical model) có 4 phần dữ liệu chính:

+ Manufacturer Datasheet

+Model Parameters( defined)

+ Model Parameters ( Calculated)

+Operating Conditions

Manufacturer Datasheet : dữ liệu từ nhà sản xuất cho

Model Parameters( defined) : hầu như không thay đổi đối với 1 module PV cụ thểModel Parameters ( Calculated) : chỉ thay đổi đối với ISC

Operating Conditions : chủ yếu thay đổi thông số ở phần này

Các thông số ban đầu của 1 module PV cho như ví dụ sau:

NS = 36, Pmax = 60, Vpmax=17.1 V, Ipmax = 3.5 A, VOC =21.1 V, ISC = 3.8 A, TemmperatureCoeff of VOC = -0.38, Temmperature Coeff of ISC = 0.065

Sau khi nhập xong số liệu, ta được đặc tính I-V, và P-V , như hình VII.1 :

Hình VII.1 : Đặc tính I-V, P-V với ví dụ vừa cho.

Khi ta tăng điện áp của module PV từ 0 đến 15V, giá trị Imodul hầu như không đổi vàgần bằng với ISC Còn giá trị Pmodul tăng từ 0 W đến 60 W Nếu tiếp tục tăng điện ápmodule PV đến giá trị VOC ( điện áp hở mạch) thì giá trị của Imodul và Pmodul bắt đầu giảm

về giá trị 0 A và 0 W Từ việc khảo sát này, dẫn đến việc nghiên cứu là điều chỉnh Vsao cho công suất P thu được là cực đại ( các thuật toán MPPT)

Sau đây là bảng số liệu của các hãng sản xuất pin PV trên thế giới: