Cải tiến giải thuật MPPT cho hệ thống pin quang điện trong điều kiện có bóng che

vì vậy việc điều khiển và giám sát liên tục các thông số hệ thống để thu được công suất lớn nhất từ mặt trời là yêu cầu bắt buộc để tăng hiệu quả chuyển đối năng lượng, nhất là trong thờ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN HOÀNG HƯNG

CẢI TIẾN GIẢI THUẬT MPPT CHO

HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN TRONG

ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN

MÃ SỐ: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2017

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI:

TRƯỞNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: Ts Huỳnh Quang Minh Cán bộ chấm nhận xét 1: TS Trần Hoàng Lĩnh

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS Ngô Cao Cường Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 06 tháng 01 năm 2018

ĐẠI HỌC QUCC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHI NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập ■ Tự do ■ Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ • • • •

Họ tên học viên: Trần Hoàng Hưng MSHV: 7140972 Ngày, tháng, năm sinh: 13/06/1991 Nơi sinh: Quảng Trị., Chuyên ngành: Kỹ thuật Điện Mã số : .60520202

I TÊN ĐỀ TÀI:

CẢI TIẾN GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN TRONG ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tìm hiểu về Pin mặt trời, điện mặt trời

- Tìm hiểu về bộ biến đổi DC/DC (Boost, Buck, SEPIC, )

- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho điện mặt trời

- Tìm hiểu hiện tượng bóng che khi vận hành pin mặt trời và giải thuật khắc phục

- Mô phỏng kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng MATLAB

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2017

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017

V CÁN Bộ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ Huỳnh Quang Minh

Tp HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2017

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn cao học là niềm vinh dự và hạnh phúc lớn lao

Trước tiên xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ba Mẹ, người đã sinh thành và dưỡng dục

để tôi có thành công ngày hôm nay

Tiếp theo, một người đặc biệt luôn đồng hành bên tôi, chăm sóc tôi những khi ốm đau, động viên tôi những khi tôi chán nản, là hậu phương vững chắc và hỗ trợ hết mình cho tôi Đặc biệt gửi lời cám ơn chân tình tới vợ tôi

Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Minh, người đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tôi hoàn thành đề tài này Xin cám ơn thầy đã dành công sức, thời gian để hướng dẫn và dìu dắt để tôi có được kết quả như ngày hôm nay Không lời nào có thể diễn tả hết, trân trọng cám ơn Thầy rất nhiều Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến toàn thể quý Thầy Cô trong khoa Điện-Điện Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu và cho đến khi tôi thực hiện đề tài này

Ngoài ra, tôi cũng xin gửi lời cám ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn cao học này

Tp Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 12 năm 2017

Học viên

Trần Hoàng Hưng

TÓM TẮT LUÂN VĂN THẠC SỸ

• •

Trong bối cảnh các vấn đề về môi trường ngày càng được quan tâm hơn nữa, các hiệp hội giảm phát thải khí nhà kính trên thế giới càng hoạt động mạnh mẽ, thì xu hướng giảm khí thải từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ để phát điện ngày càng được quan tâm Và nguồn năng lượng thay thế được nhắc đến đó là năng lượng tái tạo, một trong những ứng viên có tìm năng lớn nhất đó là năng lượng mặt trời Tuy nhiên, để chuyển dịch dần mạng lưới phân phối điện từ nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống sang năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng không phải là việc dễ dàng Bởi vì bản chất phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, kỹ thuật điều khiển, vốn đầu tư lớn dẫn lớn việc đầu tư phát điện từ năng lượng mặt trời chưa thực sự phát triển mạnh mẽ ở nước ta Ngoài ra, điều kiện vận hành để thu được công suất cực đại trong khi tấm pin mặt tròi bị che khuất cũng là một thách thức cho các dự án điện mặt trời độc lập ở quy mô hộ tiêu thụ, trường học, chiếu sáng đường phố, đây cũng là vấn đề được tiếp cận ở luận văn này

Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu được đặt ra, luận văn được chia thành 6 chương: Chương 1: Giới thiệu về mục tiêu và hướng tiếp cận của đề tài

Chương 2: Giới thiệu tống quan về hệ thống điện mặt trời cũng như các cấu hình ghép các dãy pin mặt trời

Chương 3: Trình bày các phương pháp MPPT trên hệ thống điện mặt trời Chương 4: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất MPPT của giải thuật p&o và đưa ra giải thuật khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng bóng che

Chương 5: Mô phỏng và đánh giá kết quả

Chương 6: Ket luận và hướng phát triển của đề tài

ABSTRACT

In the context of envừonmental issues are becoming more and more attention, the associations position on greenhouse gas emission reductions drummed up support for more active in achieving this objective, so the trend toward reducing emissions from fossil fuels such as coal and oil for electricity generation is increasingly concerned And the promising option of alternative source is renewable energy, one of the most attractive and potential energy source is solar energy

However, it is not easy to move the power distribution network supplied from traditional supply fossil energy sources to renewable energy in general and solar energy in particular Because of the dependencies on weather conditions, control techniques, large capital investment that leading to the large investment on solar energy has not really developed strongly in our country

In addtition, operation conditions to get maximum power while solar panels are in partial shading condition are also a challenge for stand-alone solar systems at househole, school, public lighting this is a problem is approached in this thesis Based on the content of the research, the thesis is organized as follows:

Chapter 1: Introduction to objectives and approaches of the thesis

Chapter 2: An overview of solar power system as well as configuration of solar module Chapter 3: Presentation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) method on solar power system

Chapter 4: Factor affecting on MPPT efficiency of Purtubation & Observation (P&O) algorithm and proposed method for tracking Global MPPT in Partial Shading Condition (PSC)

Chapter 5: Simulation and evaluation

Chapter 6: Conclusion and future research

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Cải tiến giải thuật MPPT cho hệ thống

pin quang điện trong điều kiện có bóng che” là công trình nghiên cửu của chính bản

thân tôi, dưới sự hướng dẫn của Tiến Sĩ Huỳnh Quang Minh, các số liệu và kết quả thực nghiệm hoàn toàn trung thực Tôi cam đoan không sao chép bất kỳ công trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng

Học viên cao học

Trần Hoàng Hưng

MUC LUC

• •

LỜI CẢM ƠN V

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ vi

LỜI CAM ĐOAN viii

MỤC LỤC ix

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA xi

DANH MỤC BẢNG SÓ LIỆU xii

i DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xiv

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu của đề tài 3

1.3 Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu 4

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜL5 2.1 Tổng quan 5

2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời 12

2.3 Cấu trúc ghép nối tiếp các tấm pin mặt trời 15

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT cực ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 18

3.1 Khái niệm MPPT 18

3.2 Các giải thuật điều khiển MPPT 21

3.2.1 Fractional Open-Circuit Voltage (FOC): 22

3.2.2 Fractional Short-Cừcuit Current (FSC): 23

3.2.3 Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC) 24

3.2.4 Ripple Correlation Control (RCC) 26

3.2.5 Incremental Conductance (InC) 27

3.2.6 Fuzzy Logic Control (FLC) 29

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT p&o VÀ HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE 34

4.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệusuất của giải thuật MPPT p&o 34

4.1.1 Thời gian nhiễu loạn và bước nhiễu loạn: 34

4.1.2 Sự dao động quanh điểm MPP 37

4.1.3 Sự phân kỳ (Divergence) khi bức xạ thay đổi nhanh 38

4.2 Hiện tượng bóng che 40

4.3 Cải tiến giải thuật p&o vận hành khi bị che khuất 50

CHƯƠNG 5: XÂY DựNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG 61

5.1 Tổng quan 61

5.2 Mô phỏng trên MATLAB 61

5.3 Kết quả mô phỏng 65

CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 81

6.1 Kết luận: 81

6.2 Hướng phát triển đề tài: 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 82

DANH MUC HÌNH MINH HOA

• •

Hình 1.1 Cấu hình cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập 2

Hình 1.2 Sơ đồ các khối trong hệ thống điện mặt trời có điều khiển MPPT 3 Hình 2.1 Tổng quan hệ thống điện mặt trời độc lập 5

Hình 2.2 Tấm pin mặt trời 6

Hình 2.3 Đặc tuyến P-V, I-V 7

Hình 2.4 Sơ đồ tuơng đuơng chính xác tấm pin mặt trời 7

Hình 2.5 Ảnh huởng bức xạ lên đặc tuyến tấm pin mặt trời 10

Hình 2.6 Ảnh huởng nhiệt độ lên đặc tuyến tấm pin mặt trời 11

Hình 2.7 Cánh đồng pin mặt trời 12

Hình 2.8 Cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng luợng mặt trời 14

Hình 2.9 Cấu ghép nối tấm pin mặt trời 16

Hình 3.1 Đặc tuyến I-V, P-V 18

Hình 3.2 Điểm vận hành khi bức xạ thay đổi 19

Hình 3.3 Cấu hình pin mặt trời sử dụng với bộ DC/DC 20

Hình 3.4 Điểm vận hành di chuyển trên đuờng đặc tuyến 21

Hình 3.5 Giải thuật MPPT p&o 26

Hình 3.6 Giải thuật MPPT InC 28

Hình 3.7 Hàm Thành viên 30

Hình 3.8 Các lóp mạng Neural 33

Hình 4.1 Minh họa việc lụa chọn giá trị buớc nhảy 36

Hình 4.2 Dao động khi xác lập ở giải thuật p&o 37

Hình 4.3 Hiệu ứng trôi 38

Hình 4.4 Bức xạ tăng nhanh 39

Hình 4.5 Vận hành bị bóng che trong thục tế 40

Hình 4.6 Ảnh huởng bóng che lên 1 PV Cell 41

Hình 4.7 Ảnh huởng bóng che lên 1 PV Cell 42

Hình 4.8 Diode bypass in PV module 43

Hình 4.10 Diode blocking and diode bypass 45

Hình 4.11 Điện áp và dòng điện dãy PV module khi thử nghiệm Partial Shading 46

Hình 4.12 Đặc tuyến I-V của dãy pin mặt trời khi bị che 1 tấm 47

Hình 4.13 Đặc tuyến P-V của dãy pin khi bị bóng che 49

Hình 4.14 Thông số các tấm pin được sử dụng trong mô phỏng 50

Hình 4.15 Dãy PV được khảo sát trong đề tài 51

Hình 4.16 Bức xạ 1000-1000-1000 (W/m2) 52

Hình 4.17 Bức xạ 500-1000-1000 (W/m2) 53

Hình 4.18 Bức xạ 500-500-1000 (W/m2) 54

Hình 4.19 Lưu đồ giải thuật p&o cải tiến 58

Hình 5.1 Sơ đồ khối mô phỏng hệ thống 61

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng 62

Hình 5.3 Khối 3 PV Module mắc nối tiếp 63

Hình 5.4 Khối biến đổi công suất SEPIC 64

Hình 5.5 Khối điều khiển MPPT 64

Hình 5.6 Đặc tuyến I-V và P-V của 1 tấm pin dùng trong mô phỏng 65

Hình 5.7 Đáp ứng p và D của giải thuật P&o trong điều kiện bình thường

„ ' „67

Hình 5.8 Đáp ứng điện áp và dòng điện với PandO_nomal 69

Hình 5.9 Đáp ứng công suất của giải thuật P&o trong điều kiện bóng che70 Hình 5.10 Đáp ứng điện áp và dòng điện với PandO_shading 72

Hình 5.11 So sánh đáp ứng công suất của giải thuật đề xuất và giải thuật truyền thống 74

Hình 5.12 Đáp ứng công suất khi thực hiện PandO_GMPP (giây 0,2) 76

Hình 5.13 Đáp ứng công suất khi thực hiện PandO_GMPP (giây 1,3) 77

Hình 5.14 So sánh đáp ứng D-I-V của 2 giải thuật 79

DANH MUC BẢNG SỚ LIÊU

• •

Bảng 3.1 Bảng luật mờ 50 Bảng 5.1 Bảng giá trị công suất của 3 PV Module tại các trường hợpbức xạ

Bảng 5.2 Bảng so sánh đáp ứng công suất khi xác lập theo Hình 5.1 lb 74 Bảng 5.3 So sánh đáp ứng thời gian và công suất của 2 giải thuật 80

DANH MUC TỪ VIẾT TẮT •

CHƯƠNG 1: GIỚI THIÊU

1.1 Lý do chọn đề tài

Mạng lưới phân phối điện năng trên toàn thế giới đang dần chuyển qua sử dụng nguồn năng lượng tái tạo [1] Điều này là tất yếu vì sự gia tăng liên tục nhu cầu sử dụng năng lượng toàn cầu và sự suy giảm khả năng cung cấp năng lượng thông thường, bằng chứng

là cuộc khủng hoảng dầu mỏ, cùng với vấn đề bảo vệ môi trường ngày càng đáng lo ngại

Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang tạo ra một sản lượng điện lớn và đang gia tăng trên toàn thế giới Ngoài việc xây dựng các trang trại mặt trời rộng lớn, các hệ thống năng lượng mặt trời gắng trên mái nhà cũng được chấp nhận ở nhiều khu vực [1] Đối với điện mặt trời, cả ở ứng dụng hòa lưới hay quy mô dân dụng, chi phí và hiệu suất là những yếu tố quan trọng để tối đa hóa chi phí mỗi watts điện phát

ra, đó là mối quan tâm chính cho các nhà hộ tiêu thụ và nhà đầu tư hệ thống điện mặt trời [2-3], Ngoài ra, dễ dàng lắp đặt với số ít các thiết bị điện tử cũng là một yếu tố được xem xét Tăng hiệu suất, giảm chi phí hệ thống và kích thước của bộ biến đổi nguồn là tất cả các yếu tố quan trọng trong việc phát triển hệ thống điện mặt trời trong tương lai Hình 1.1 mô tả cấu hình một hệ thống năng lượng mặt tròi độc lập, bao gồm các thành phần chính là: Pin quang điện, bộ biến đổi nguồn (DC/DC và DC/AC), acquy và tải tiêu thụ Năng lượng mặt tròi được tấm pin quang điện chuyển đối thành điện năng, thông qua các bộ biến đổi nguồn, năng lượng điện này có thể được sử dụng trực tiếp cho tải

DC, lữu trữ acquy hay nghịch lưu để sử dụng cho tải AC (hoặc hòa vào lưới điện quốc gia) Tuy nhiên, công suất điện thu được từ pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tải, bức xạ, nhiệt độ, điều kiện che khuất vì vậy việc điều khiển và giám sát liên tục các thông số hệ thống để thu được công suất lớn nhất từ mặt trời là yêu cầu bắt buộc để tăng hiệu quả chuyển đối năng lượng, nhất là trong thời buối giá thành lắp đặt hệ thống điện mặt trời vẫn còn cao Kỹ thuật điều

khiến này gọi là “Dò tìm điểm công suất cực đại” (MPPT- Maximum Power Point Tracking)

Trong nghiên cứu này, đề tài tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của hệ thống điện mặt trời bằng việc cải tiến giải thuật MPPT để thu được công suất tối đa từ pin mặt trời

Hình 2,2 Cấu hình cơ bàn của hệ thống điện mặt trời độc lập

1.2 Muc tỉều của đề tàỉ

Cấu hình các khối của hệ thống điện mặt ười cố điều khiến MPPT được minh họa ở Hình 1.2 Trong đó, bộ điều khiển có chức năng đo các giá trị dòng điện, điện áp, công suất và thực hiện thuật toán MPPT cho ra giá trị độ rộng xung tương ứng để điều khiển các khóa công suất ưong bộ biến đồi công suất cung cấp một giá trị điện áp hoặc dòng điện để công suất nhận được lớn nhất

Hình 1.2 Sơ đồ các khối trong hệ thống điện mặt trời cỏ điều khiển MPPT

Nhiều thuật toán theo dõi MPPT đã được thục hiện trong hệ thống điện mặt ười, một

số thuật toán thông thường và phổ biến như “Perturbation and Observation/ Hill - Climbing Search” (P&O/HCS) [4, 12, 28], “Incremental conductance” (InCond) [5, 26], “Constant or fractional voltage/current” [6, 7], các thuật toán tối ưu “Particle swarm optimization” (PSO) [8], một số thuật toán dựa ưên trí thông minh nhân tạo như

“Fuzzy Logic” [9, 13, 27], “Artificial Neural Network” [10] và một số kỹ thuật khác

Trong số các giải thuật MPPT, giải thuật p&o và HC được sử dụng phổ biến nhất [11]

Ưu điểm của giải thuật này là đơn giản hơn so với các giải thuật nhân tạo, có thể thực hiện trong ứng dụng thực tế vì giải thuật có thể áp dụng tốt cho vi điều khiển hoặc hệ

thống sử lý số tín hiệu (Digital Signal Processing System), có thể thực hiện được giải

thuật mà không cần biết trước đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời Tuy nhiên, giải thuật này tồn tại nhiều hạn chế như đáp ứng chậm, giao động khi đạt công suất cực đại, hiện tượng trôi khi điều kiện bức xạ thay đổi nhanh chống tổn thất công suất khi các tấm pin vận hành bị che khuất

Đề tài sẽ phân tích những hạn chế của giải thuật MPPT p&o và đề xuất giải thuật cải tiến để thu được công suất tối đa từ pin mặt trời

1.3 Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật và kiểm chứng bằng

mô phỏng

Nội dung nghiên cứu:

- Nguyên cứu lý thuyết: cấu tạo pin mặt trời, mạch biến đổi công suất (nghịch lưu, conveter), giải thuật MPPT

- Mô phỏng: sử dụng phần mềm Matlab xây dụng giải thuật và kiểm chứng hiệu quả của giải thuật MPPT

CHƯƠNG 2: TỐNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG

MẶT TRỜI

2.1 Tồng quan

Hình 2.2 Tổng quan hệ thống điện mặt trời độc lập

Một hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt tròti bao gầm các thành phần cơ bản: pin mặt trod, bộ biến đổi nguồn, bộ điều khiển và tải Năng lượng mặt trời được tấm pin mặt trời chuyền thành điện DC sau đó được bộ bỉến đổi nguồn chuyển đổi ra dạng điện áp phù hợp với tải DC, tải AC hay hòa vào lưới điện quốc gia như Hình 2.1 Bộ điều khiển

có chức năng đo kiểm các thông số ở đầu ra pin mặt trời và đầu ra tải và xuất ra tín hiệu điều khiển các khóa công suất ở các bộ DC/DC hay DC/AC để thu được công suất cao nhất từ pin mặt trời hay đạt hiệu suất chuyển đổi cao, hay có thề bảo vệ hệ thống khỉ quá tải, ngắn mạch hoặc các sự cố khỉ khỉ hòa ỉưcd (ví dụ sự cố “ốc đảo - Islanding”)

Thành phần quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện mặt trời là các panel pin mặt ười, tấm pin năng lượng mặt trời thực tế như Hình 2.2 Bao gồm nhiều module pin quang điện được ghép nối với nhau, để đạt được điện áp hay công suất theo yêu càu sử dụng

Hình 2,2 Tẩm pin mặt trời

Đặc tuyến I-V, P-V (Hình 23) của tấm pin mặt trời thay đổi theo nhiệt độ, bức xạ và điều kiện của tải Tùy vào điều kiện vận hành, điểm vận hành sẽ di chuyển trên các đường cong phi tuyến này, và bộ điều khiển có chức năng giám sát để điểm vận hành đạt được công suất ngõ ra tối đa (MPP), gọi là tìm điểm công suất cực đại

p 1Hrt

p

Ể

V* k_

t

Trong đó tấm pin tưcmg đưcmg một nguồn dòng phát ra công suất ở đầu vào, điện trở

Rsh và Rs là điện trở nội song song và nối tiếp của tấm pin Đầu ra của tấm pin mặt trời

có thể là tải DC, bộ DC/DC hay bộ DC/AC, tuy nhiên, dù ghép nối với bất kỳ bộ biến đổi nguồn hay tải nào thì nhìn từ phía nguồn pin mặt trời, tải sẽ chỉ tương đương một biến trở R.

Như minh họa ở Hình 2.3, pin mặt trời là một nguồn có đặc tuyến P-V, I-V là phi tuyến, phương trình toán học được biểu diễn như công thức (2.1) thể hiện mối quan hệ phi tuyến này

Ipv — Hp Iph tip- Isat q(Vpv+

R sipv) e k.A.T.ns _ \ + Vpv + Rsl

sh

Trong đó:

IpV: Dòng điện ra PV panel (A)

Isat: dòng bảo hòa (A) ns: số

lượng pin nối tiếp Rs: điện trở

nội nối tiếp q: điện tích Electron

T: nhiệt độ tấm pin

Iph: Dòng quang điện (A)

Vpv: Điện áp ra PV panel (V)

np: số lượng pin mắc song song

Rsh: điện trở nội song song k:

hang so Boltzman A: hệ số lý tưởng

Qua công mô hình toán học pin mặt ười ở (2.1), rõ ràng đặc tuyến pin mặt ười phụ thuộc nhiều vào dòng quang điện Iph và nhiệt độ tấm pin T Mà dòng quang điện phụ thuộc vào bức xạ chiếu vào tấm pin, vì vậy, công suất phát ra từ pin mặt ười phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường là bức xạ và nhiệt độ, ngoài ra còn phụ thuộc vào các yếu tố như

độ thay đổi nhanh hay chậm của bức xạ, điều kiện vận hành bị bóng che,

Ảnh hưởng của bức xạ lên đặc tuyến của pin mặt trời được minh họa ở Hình 2,5, vì dòng quang điện tỉ lệ với bức xạ chiếu vào, nên ứng với sự gía tăng bức xạ tin dòng điện phát ra từ pin mặt trời sẽ tăng Hỉnh 2,5 cho thấy sự thay đồỉ dòng đỉện lớn hơn so với điện áp Trong thực tế, sự phụ thuộc của đỉện áp lên mức bức xạ thường bị bỏ quên Khi sự thay đổi của dòng điện và điện áp đều dương, thì công suất tạo ra cũng sẽ tăng theo

<

250

a Đặc tyến P-V, I-V khi bức xạ thay đổi

50

b Đặc tyến 3D P-V, I-V khi bức xạ thay đổi Hình

2.5 Ảnh hưởng bức xạ lên đặc tuyến tấm pin mệt trời

Nhiệt độ của môi trường cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến đặc tuyến của tấm pin, nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến điện áp hở mạch, và điện áp này phụ thuộc tuyến tính vào nhiệt độ Sự ảnh hưởng này được thể hiện ở Hình 2.6

a Đặc tuyến P-V, I-V khi nhiệt độ thay đổi

b Đặc tuyến 3D P-V khi nhiệt độ thay đổi Hình

2,6, Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tuyến tẩm pin mặt trời

Quan sát ở Hình 2.6, rõ ràng sự biến đổi của dòng điện theo nhiệt độ là rát nhỏ thường được bỏ qua so với sự thay đổi điện áp, đây là lý do tại sao dữ liệu cung cấp của nhà sản xuất phải kèm theo điều kiện nhiệt độ và bức xạ để xác định các giá trị điện áp hở mạch

và dòng điện ngắn mạch

Nhiệt độ và bức xạ phụ thuộc vào diều kiện môi trường, điều kiện môí trường thay đổi theo năm và thay đổi theo ngày, vì vậy nhiệt độ và bức xạ có thể thay đổi nhanh chóng theo thời tiết, ngay cả khi cỗ mây che Điều này dẫn đến các điểm MPP thay đồi liên tục, nếu điểm vận hành không sát điểm MPP, sẽ gây ra tổn thất công suất lớn Vì vậy, vai trò của bộ điều khiển để điểm vận hành đạt MPP là vô cùng quan trọng để thu được năng lượng tối đa có sẵn của pin mặt trời, điều này được thực hiện dựa vào các bộ biến đổi nguồn sẽ được trình bày ở phần sau

2.2 Cấu trúc hệ thống chuyển đẫỉ năng lượng mặt tròi

Trong hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới, nhiều tấm pin năng lượng mặt trời được ghép lại để đạt yêu càu về điện áp, dòng điện, công suất truyền đến lưới, hệ thống lớn

sẽ có mô hình như một trang trại pin mặt trời như Hình 2.7

Hĩnh 2.7 Cánh đồng pin mặt trời

Trong ứng dụng này, việc lựa chọn cấu trúc lắp đặt các tấm pin mặt trời, số lượng biến tần ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất, độ tin cậy và giả thành đầu tư hệ thống

Các dãy pin năng lượng mặt trời tạo ra dòng điện và điện áp DC, tuy nhiên trong các ứng dụng nối lưới, cần phải chuyển thành năng lượng AC và nhiệm vụ này được thực hiện bằng các bộ biến đổi nguồn, cụ thể là các bộ biến tần (DC/AC) Ngoài ra, các bộ này sẽ thực hiện MPPT của hệ thống pin

Có nhiều cấu hình biến tần khác nhau, phụ thuộc vào các cách kết nối dãy pin với biến tần Quyết định sử dụng cấu hình dạng nào phụ thuộc vào các yêu cầu về môi trường

và kinh tế Neu các tấm pin mặt trời không giống nhau hoặc hoạt động trong điều kiện khác nhau thì các điểm MPP của mỗi tấm pin sẽ khác nhau và khi kết hợp lại thành dãy

sẽ không thu được công suất cực đại của toàn bộ hệ thống pin mặt trời Vì vậy mỗi cấu hình phải nghiên cứu kỹ lưỡng để đạt được hiệu suất cao nhất Có nhiều cấu hình hệ thống được đề xuất và áp dụng trong thực tế, các cấu hình thông dụng được chỉ ra ở Hình 2.8

Central Inverter (Hình 2.8a): Đây là cấu hình đơn giản nhất, bao gồm dãy pin năng lượng

mặt trời gồm các dãy nối tiếp được mắc song song để đạt thu công suất theo yêu cầu Các dãy PV này được nối vào một biến tần duy nhất Trong cấu hình này tất cả các dãy

PV đều hoạt động ở cùng một điện áp nhưng không phải là điện áp cực đại cho tất cả các dãy PV Nhược điểm trong cấu hình này là khó đạt được công suất tối đa cho toàn

bộ dãy pin năng lượng mặt trời vì vậy tổn thất công suất sẽ cao Tuy nhiên, cấu hình này vận hành đơn giản và có chi phí đầu tư thấp

a b

Hình 2.S cẩu trác hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời

String inverter (Hình 2.8b): Trong cấu hình dãy biến tần, mỗi dãy PV được mắc nối

tiếp với một biến tàn Điều này cải thiện được sự sai lệch trong tìm điểm công suất cực

đại khi có sự thay đổi điều kiện hoạt động ờ các dãy PV, bed vì các dãy sẽ hoạt động ở

một điềm vận hành khác nhau Tuy nhiên giữa các tấm pin mặt trod trong dãy cũng bị tổn thất công suất do cùng điều kiện vận hành Tuy nhiên, cấu hình này có chỉ phí lắp đặt cao hơn vì tâng sổ lượng biến tần cần sử dụng

Multi-String inverter (Hình 2.8c): Trong cấu hình này, mỗi dãy PV được kết nối với

một bộ biến đổi DC/DC để làm nhiệm vụ tìm điểm công suất cực đại, và các

14

dãy được kết nối với một biến tần trung tâm cấu hình này có nhược điểm giống như cấu hình dãy biến tần là chi phí lắp đặt cao

Micro inverter (Hình 2.8d): Trong cấu hình này, mỗi tấm pin mặt trời được nối với

một biến tần và được kết nối với nhau Biến tần thực hiện tìm điểm công suất cực đại cho mỗi tấm pin mặt trời đảm bảo thu được công suất tối đa cho mỗi tấm pin khi các tấm pin hoạt động trong điều kiện khác nhau Tuy nhiên nhược điểm lớn nhất của cấu hình này là giá thành cao hơn so với các cấu hình khác

2,3 Cấu trúc ghép nối tiếp các tấm pin mặt trời

Để thu được công suất lớn nhất từ pin mặt trời, cách ghép nối các tấm pin trong dãy đóng vai trò rất quan trọng Nhiều cách ghép nối các tấm pin được đề xuất để giảm tổn thất công suất khi không bắt được điểm MPP của dãy, các tấm pin trong dãy vận hành trong điều kiện bị che khuất,

Các cấu hình cơ bản là nối tiếp và song song ở Hình 2.9a và b, 2 cấu hình này gặp khó khăn tương ứng là dòng điện và điện áp thu được thấp hơn giá trị mong muốn Khi vận hành trong điều kiện bóng râm từng phần, kết nối dạng song song cung cấp công suất cao hơn kết nối nối tiếp, bởi vì ở kết nối song song thì dòng điện bằng tổng thể bằng tổng các dòng điện từng phần [14] và điện áp thay đổi không đáng kể [15] Tuy nhiên,

vì dòng điện trong cấu trúc song song cao hơn nên tổn thất công suất và sụt áp trên đường dây lớn hơn, tốn chi phí dây nhiều hơn Trong các trang trại gió thực tế, cấu trúc kiểu nối tiếp-song song là phố biến nhất bởi vì dễ dàng đạt được điện áp yêu cầu ở đầu vào các biến tần Các dãy sau đó được nối song song để tăng dòng điện phát ra (Hình 2.9c) cấu hình 2.9d gọi là TCT (Total-cross-tied), trong đó các module song song có điện áp bằng nhau và tăng giá trị dòng điện, nhiều nhóm này được nối tiếp với nhau để tăng giá trị điện áp đầu ra của dãy pin mặt ưòi Trong cùng một điều kiện như nhau, cấu trúc nối tiếp-song song và cấu trúc TCT phát ra cùng một công suất, tuy nhiên với cấu hình TCT làm giảm được hiệu ứng sai MPP tổng thể của dãy pin

Hình 2.9 Cấu ghép nối tẩm pin mặt trời

Hình 2.9e là dạng kết nổỉ kiểu Bridge-link (BL), giảm hơn một nữa các đường nối dây của cấu trúc TCT ở Hình 2.9d, do đó giảm được tổn thất dây dẫn và thời gian lắp đặt hệ thống, mặc dù trong các trang trại lớn, lắp đặt kiểu TCT

dễ dàng hơn do tính giống nhau giữa các module Mô Hình 2.9f kết hợp được

cả ưu đỉềm của cấu trúc TCT và BL, gọi là cấu trúc Honey-Comb (HC)

Mặc dù có nhiều cấu trúc kết nối dãy pin mặt trời được phát triển từ các kiểu kết nối truyền thống, tuy nhiên cấu hình được sử dụng phổ biến nhất vẫn là nối tiếp song song và dạng TCT

CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIÈU KHIỂN CÔNG SUẤT

cực ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

3.1 Kháỉ niệm MPPT

Như đã trình bày ở chương 2, công suất đầu ra của tấm pin mặt trời phụ thuộc vào 2 yếu

tố biến đổi là nhiệt độ tế bào quang điện và bức xạ mặt trời Điều này làm cho hiệu suất

các panel pin mặt trời chỉ đặt 30-40%, có nghĩa là chỉ có tối đa 40% năng lượng mặt trời

được chuyển hốa thành điện năng Vì vậy cần có các kỹ thuật điều khiển để thu được

công suất lớn nhất, các kỹ thuật này được sử dụng đề trích xuất công suất tối đã sẵn có

từ module PV bằng cách làm cho module này hoạt động ở điểm có công suất đầu ra lớn

nhất Để có được điểm MPP chứng ta cần điều khiến để bắt buộc hệ thống vận hảnh ở

điểm tốỉ ưu Điểm vận hành tối ưu này được minh họa ở Hình 3.1 bên dưới

Pmax

Hình 3.1 Đặc tuyến I-V, P-V

Pin mặt trời có các đặc tuyến I~v, P-V dạng phi tuyến, ứng với các điểm vận hành khác nhau, công suất điện thu được sẽ khác nhau và chỉ có một điểm vận hành đạt công suất tối đa gọỉ là MPP, điểm MPP này phụ thuộc vào điều kiện thời tiết như nhiệt độ và bức xạ, mặc khác điều kiện thời tiết thay đổi liên tục, vì vậy cần phải liên tục theo dõi

và điều khiển để điểm làm việc luôn ở vị trí tối ưu Vì pin mặt trời tương đương một nguồn dòng DC, vì vậy nhìn từ phía pin mặt trời sang phía tải, tổng trờ tương đương sẽ như một điện ứở R và giá trị điện ứở này sẽ có giá trị không thay đổi, vì vậy điểm làm việc chỉ có thể thay đổi khi điều kiện thời tiết thay đổi Cỏ nghĩa là sẽ rất khỏ để vận hành ở điểm cực đại Hình 3.2 minh họa điểm làm vận hành của hệ thống pin mặt trod khỉ sử dụng trực tiếp với tải

Hình 3.2 Điểm vận hành khi bức xạ thay đổi

Để thay đổi điểm vận hành của hệ thống, ta không thể kết nối trực tiếp pin mặt trod vào tải, mà phải thông qua bộ biến đồi nguồn DC/DC như Hình 3.3, nhiệm vụ của thành phần này có thể dùng để chuyển đổi các thông số như dòng điện, điện áp,

công suất phù hợp vởi tải vừa có thể sử dụng để bảo vệ tải khi có các sự số quá dòng, quá áp

Hình 33 Cấu hình pin mặt trời sử dụng vớỉ bộ DC/DC

Khi kết nối với bộ biến đổi nguồn, điện ữở tương đương nhìn về phía tải đã cỏ thể thay

đổi được, vì vậy điểm làm việc tát nhiên có thể điều khiển được, như minh họa ở Hình

3.4

Hình 3.4 Điểm vận hành đi chuyển trên đường đặc tuyến Trong số các điểm

vận hành được thay đổi bồi bộ biến đổi nguồn, chỉ có một điểm vận hành đạt công suất cực đại, và điểm công suất này cũng thay đổi liên tục, vì vậy cần cố một giải thuật theo dõi và bám theo điểm công suất cực đại, giải thuật này gọi là MPPT,

3.2 Các giâi thuật điều khiển MPPT

MPPT là một trong những chức năng quan trọng của hệ thống pin mặt trời Giải thuật này hoạt động như một vòng lặp hệ thống với cảm biến đo điện áp pin mặt trời và chuyển thành độ rộng xung với mục đích điều khiển đến điểm công suất cực đại Để đạt được điểm công suất đỉnh trên đường cong phi tuyến P-V, một số giải thuật MPPT được phát triền và sử dụng trong nhiều ứng dụng năng lượng mặt ười Gần 20 giải thuật MPPT khác nhau và được nghiên cứu, trong đỏ cỏ khoảng 10 giải thuật được sử dụng phổ biến bao gồm: Constant Voltage (CV) Method, Open

Voltage (OV) Method, Temperature Methods, Incremental Conductance (IC) Methods, Perturb and Observe (P&O) Method, Three Point Weigh Comparison (TPWC), Short Current (SC) Pulse Method, Fuzzy Logic Method (FLC), Sliding Mode Method (SM), Artificial Neural Network Method (ANN)

Các phương pháp MPPT được chia làm 2 loại, loại trực tiếp (dừect) và gián tiếp (indirect) Phương pháp indirect bao gồm các giải thuật: cv, ov, sc, SM, MPPT Indừect sử dụng các thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời để xác định điểm MPP, giải thuật điều khiển đơn giản, tuy nhiên phương pháp này sẽ gặp phải sai số lớn trong quá trình sử dụng tấm pin, bởi vì các thông số đặc tính của tấm pin sẽ thay đổi theo thời gian

và điều kiện thời tiết biến động

Phương pháp MPPT Direct sử dụng đặc tuyến P-V, I-V thực tế được xác định bằng các vòng lặp đo các giá trị dòng điện, điện áp, công suất của tấm pin để tìm điểm công suất cực đại Đầu ra của bộ điều khiển MPPT Direct có thể là độ rộng xung PWM (Duty cycle) hoặc tần số f để kích các khóa bán dẫn trong bộ biến đổi nguồn Tùy vào cấu trúc

bộ biến đổi nguồn và giải thuật điều khiển mà bộ điều khiển có thể làm thay đổi dòng điện, điện áp hoặc công suất đầu ra ở tải, đạt đến giá trị cực đại Các phương pháp MPPT được sử dụng phổ biến sẽ được trình bày trong phần này

3.2.1 Fractional Open-Circuit Voltage (FOC)

Đây là một phương pháp điều khiển MPPT indirect, phân đoạn điện áp hở mạch (Voc), còn được gọi là giải thuật hằng số điện áp, cung cấp một giải thuật đơn giản để thực hiện MPPT Phương pháp này sử dụng quan hệ tuyến tính giữa Vmpp và Voc như phương trình bên dưới:

Trong đó K là hằng số tỉ lệ Giá trị của K thay đổi bởi dãy pin sử dụng, nhiệt độ và cả bức xạ, giá trị K thường được chọn từ 0.71-0.78 Giá trị K có thể thu được từ đặc tính của tấm pin thông qua công suất quan sát được dưới điều kiện tải

Sau khi biết giá trị của K, Vmpp có thể thu được bằng cách sử dụng phương trình (3.1) được thực hiện bằng cách đo điện áp hở mạch Voc Mặc dù thực hiện phương pháp này rất đơn giản, có thể thực hiện bằng giải thuật tương tự không cần sử dụng vi điều khiển hay DSP Tuy nhiên giải thuật này tồn tại một số nhược điểm không thể bỏ qua Bởi vì điện áp hở mạch chịu ảnh hưởng rất lớn bởi nhiệt độ, nên phải thường xuyên hở mạch

để đo điện áp đầu ra của tấm pin, dẫn đến hiệu suất thấp do tổn thất công suất trong quá trình đo và do sai số khi xác định giá trị K Bên cạnh đó phương pháp này cũng không thể theo dõi điểm MPP trong điều kiện bức xạ thay đổi nhanh chóng và không tìm được chính xác điểm MPP bởi vì sử dụng công thức gần đúng trong mối quan hệ giữa Voc và

Vmpp Để khắc phục những hạn chế của phương pháp này, một số phương pháp được đề xuất, một trong những phương pháp đó là sử dụng một tế bào pin mặt tròi nhỏ để phục

vụ đo lường thay vì sử dụng tấm pin của hệ thống Từ đó các đặc tính của tấm pin mặt trời lớn có thể đo được mà không ảnh hưởng nhiều đến hiệu suất của hệ thống Tuy nhiên, các tấm pin mặt trời thí điểm cần phải điều chỉnh để phù hợp với tấm pin của hệ thống sử dụng và việc này sẽ làm chi phí của hệ thống tăng lên

Một số nghiên cứu thực hiện với phương pháp này đã phát hiện giá trị hằng số K sẽ thay đổi khi tấm pin mặt trời bị che hoặc do bám bụi bẩn Do dó phải thường xuyên vệ sinh

bề mặt các tấm pin mặt trời, điều này lại làm tăng tính phức tạp và chi phí vận hành của

hệ thống

3.2.2 Fractional Short-Circuit Current (FSC)

Một phương pháp MPPT Indirect được giới thiệu nữa là phương pháp phân đoạn dòng điện ngắn mạch (FSC) Phương pháp này sử dụng kỹ thuật giống với phương pháp phân đoạn điện áp hở mạch, trong đó quan hệ tuyến tính giữa dòng điện ngắn mạch Isc và dòng điện Impp như phương trình (3.2)

1 mpp •-* sc

K là hằng số tỉ lệ và giá trị được lấy từ 0.78-0.92, so với phương pháp phân đoạn điện

áp hở mạch, phương pháp này phức tạp hơn do phải ngắn mạch có chu kỳ của tấm pin

để xác định giá trị dòng ngắn mạch Isc Hạn chế tương tự với phương pháp phân đoạn điện áp hở mạch là không theo dõi chính xác điểm MPP do sử dụng công thức gần đúng (3.2) và hằng số tỉ lệ sẽ thay đổi nhiều khi bóng che hay tấm pin bị bám bụi

3.2.3 Perturb and Observe (p&o)/ Hill Climbing (HC)

Giải thuật MPPT p&o và HC được sử dụng phổ biến nhất [16] trong các phương pháp MPPT Dừect Ưu điểm của giải thuật này là đơn giản hơn so với các giải thuật nhân tạo,

có thể thực hiện trong ứng dụng thực tế vì giải thuật có thể áp dụng tốt cho vi điều khiển

hoặc hệ thống sử lý số tín hiệu (Digital Signal Processing System), có thể thực hiện được

giải thuật mà không cần biết trước đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời Trong một

số tài liệu tham khảo, P&o còn được gọi như phương pháp leo đồi (Hill Climbing method) bởi vì nó sử dụng cùng khái niệm trong nhiễu loạn điểm MPP Thực tế, sự khác biệt duy nhất giữa hai tên gọi này là ở biến điều khiển đầu ra, trong đó P&o với đầu ra

là điện áp tham chiếu còn HC có đầu ra là Độ rộng xung PWM của khóa công suất So sánh giữa 2 giải thuật này được thực hiện ở [17], kết luận đáp ứng quá độ của p&o tốt hơn so với HC Bên cạnh đó, so sánh phương pháp p&o với các phương pháp khác được thực hiện ở [18-19],

về nguyên tắc hoạt động, giải thuật p&o hoặc HC hoàn toàn dựa vào sự nhiễu loạn hoặc dịch chuyển điểm vận hành của tấm pin mặt trời theo dấu của sự biến thiên công suất phát ra từ pin mặt trời Minh họa ở Hình 3.5a, sự nhiễu loạn về phía bên phải là cần thiết khi điểm vận hành ở phía bên trái điểm MPP và ngược lại Ví dụ, nếu sự nhiễu loạn làm tăng giá trị của công suất, thì hướng của nhiễu loạn sẽ được giữ như cũ Ngược lại, nếu hướng thay đổi sẽ làm giảm dần giá trị công suất phát ra

Vì vậy, quá trình nhiễu loạn và quan sát phải được thực hiện trên tất cả thời gian bởi vì hiệu suất của giải thuật dựa vào tần số lấy mẫu Có hai điểm quan trọng cần chú ý

ở giải thuật này là sự dao động quanh điểm MPP khi hệ thống xác lập sẽ gây tổn thất

công suất và giải thuật sẽ xác định hướng nhiễu loạn sai khỉ có sự thay đổi nhanh chống

của điều kiện thời tiết Trong đó, để giảm sự dao động ở trạng thái xác lập, một giải

pháp chọn giá trị điện áp tham chiếu hoặc độ rộng xung PWM nhỏ là cần thiết Tuy

nhiên, vởi giải pháp này sẽ làm cho thời gian đáp ứng của hệ thống chậm, hay thường

được gọi là tốc độ hội tụ thấp Để tìm sự cân bằng giữa hai yếu tổ này là một khó khăn

trong quá trình thiết kế Lưu đồ giải thuật của thuật toán p&o như Hình 3.5 bên dưới

Lưu đồ giải thuật Hình 3.5b minh họa các bước nhiễu loạn và quan sát ở giải thuật

MPPT p&o Trong đỗ, tham số được quan sát là điện áp và công suất, tham số được

nhiễu là độ rộng xung Duty của bộ biến đổi nguồn Trong mình họa ở Hình 3.5b, quan

hệ giữa độ rộng xung và điện áp là tỉ lệ nghịch

b Lưu đồ giải thuật phương pháp p&o

Hình 3.5 GiM thuật MPPT PÁO 3.2.4 Ripple Correlation Control (RCC)

RCC là phương pháp áp dụng kỹ thuật giống phương pháp Hill-Climbing, sử dụng độ nhấp nhô của dòng điện hoặc điện áp để xác định vị trí điểm MPP Bộ chuyển đổi DC/DC phải tạo ra độ dao động dòng điện hoặc điện áp Phương pháp này tương quan giữa thời gian thay đổi công suất và thời gian thay đổi điện áp hoặc dòng điện để di chuyển điểm vận hành đến điểm MPP, như thể hiện ở phương trình (3.3) và (3.4)