So sánh các thuật toán bắt điểm công suất cực đại bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm

Để cải thiện hiệu suất làm việc của các tấm pin năng lượng mặt trời cần có các bộ biến đổi điện tử công suất tích hợp các phương pháp điều khiển bắt công suất cực đại MPPT. Bài viết này trình bày kết quả so sánh mô phỏng và thực nghiệm bộ chuyển đổi DC/DC để kiểm tra khả năng hoạt động thực tế của các thuật toán so với lý thuyết.

64 Nguyễn Văn Tấn, Dương Minh Quân, Trần Anh Tuấn, Phạm Văn Kiên, Lê Hồng Lâm, Hà Hải Long SO SÁNH CÁC THUẬT TỐN BẮT ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM A COMPARISON OF MAXMIMUM POWER POINT TRACKING ALGORITHMS USING SIMULATION AND EXPERIMENTAL Nguyễn Văn Tấn, Dương Minh Quân, Trần Anh Tuấn, Phạm Văn Kiên, Lê Hồng Lâm, Hà Hải Long Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tan78dhbk@dut.udn.vn, dmquan@dut.udn.vn, tatuan@dut.udn.vn, pvkien@dut.udn.vn, lhlam@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong năm gần đây, lượng mặt trời ngày quan tâm, nghiên cứu phát triển nhằm giảm dần phụ thuộc vào nguồn lượng hoá thạch truyền thống Sự phát triển khoa học công nghệ, cụ thể công nghệ thông tin công nghệ vật liệu với ưu điểm bật xem nguồn lượng vơ tận, lượng mặt trời hứa hẹn cạnh tranh với nguồn lượng truyền thống tương lai gần Bên cạnh ưu điểm kể trên, có nhiều hạn chế hiệu suất làm việc chịu ảnh hưởng yếu tố ngẫu nhiên thời tiết, …Vì để cải thiện hiệu suất làm việc pin lượng mặt trời cần có biến đổi điện tử cơng suất tích hợp phương pháp điều khiển bắt cơng suất cực đại MPPT Bài báo trình bày kết so sánh mô thực nghiệm chuyển đổi DC/DC để kiểm tra khả hoạt động thực tế thuật toán so với lý thuyết Abstract - In recent years, solar energy is increasingly gained attention to be resesearched and developed in place of conventional fossil fuels As an unlimited energy source, solar energy is a promising alternative resource due to the development of science and technology in the coming years However, there are still some limitations of solar technology such as working efficiency and dependence on uncertainties like irradiation parameters and ambient temperature Hence, electronic power converters need to be integrated with advanced control algorithms of maximum power point tracking (MPPT) to improve the efficiency of solar panel This paper presents comparisons between experimental and simulation results of a DC/DC converter to verify the actual performance of the proposed algorithms Từ khóa - Hệ thống lượng mặt trời; tăng áp; INC; P&O; MPPT Key words - Solar system; Boost Conveter; INC; P&O; MPPT Đặt vấn đề Các nguồn điện truyền thống nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân, … phải đối mặt với nhiều vấn đề khó khăn cạn kiệt nguồn nhiên liệu hóa thạch [1], tác động tiêu cực đến môi trường Điều dẫn đến nguy thiếu hụt nguồn lượng điện đáp ứng nhu cầu tiêu thụ phụ tải ngày tăng [2] Do đó, việc quy hoạch phát triển nhanh chóng nguồn lượng điện gió mặt trời xu tất yếu không Việt Nam mà xu hướng chung giới [3-4] Một hệ thống điện lượng mặt trời cung cấp cho phụ tải điện chiều (DC) bao gồm: pin quang điện (PV) chuyển đổi trực tiếp từ lượng photon ánh sáng mặt trời thành điện năng; chuyển đổi DC/DC hệ thống ắc quy lưu trữ điện Trong đó, chuyển đổi DC/DC [5-6] đóng vai trò quan trọng vừa giúp tăng tính ổn định hệ thống pin lượng mặt trời vừa nâng cao hiệu suất thu nhận lượng điện đầu hệ thống Do hiệu suất chuyển đổi Pin mặt trời thương mại hóa phổ biến khoảng 17% [7] nên việc nghiên cứu chuyển đổi DC/DC để nâng cao hiệu suất hệ thống pin lượng mặt trời nhà khoa học quan tâm nghiên cứu Để nâng cao hiệu suất làm việc PV, sử dụng linh kiện điện tử công suất tiết kiệm lượng phương pháp phổ biến tích hợp thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại (MPPT) vào chuyển đổi DC/DC Đã có nhiều nghiên cứu đề cấp đến thuật tốn MPPT đa phần thường dừng mức độ lý thuyết mô [8-9] triển khai ứng dụng thực tế dạng đơn giản Do đó, báo trình bày nguyên lý so sánh khả làm việc thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại phương pháp mô thông qua công cụ Matlab/Simulink thực nghiệm với mạch chuyển đổi DC/DC thực tế Thiết kế mô mạch tăng áp kết hợp thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại 2.1 Thiết kế mạch tăng áp Mơ hình chuyển đổi tăng áp chiều (BCBoost Converter) phần cấu trúc DC/DC có tích hợp thuật tốn MPPT Bộ chuyển đổi BC (Hình 1) cấp nguồn điện chiều hoạt động dựa vào thời gian đóng-mở van bán dẫn Ton, Toff L Is D Vin S C Load Vout Hình Sơ đồ ngun lí mạch tăng áp BC [6] Ở trạng thái đóng van bán dẫn S, mạch gồm nguồn Vin, cuộn cảm L, van bán dẫn S Lúc này, dòng điện cuộn cảm L tăng lên nhanh, dòng điện qua cuộn cảm tích lũy lượng qua van bán dẫn Cùng lúc này, tụ điện C đóng vai trò nguồn DC, phóng điện cung cấp cho tải Sau đó, trạng thái mở van bán dẫn, cuộn cảm xuất điện áp VL Điện áp đầu vào Vin với điện áp cuộn cảm VL qua Diode cấp cho tải, đồng thời nạp cho tụ điện Khi điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Quá trình lặp lại tạo nên hoạt động mạch tăng áp, điện áp đầu Vout phụ thuộc vào hệ số ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN đóng-mở D van bán dẫn [5] Hệ số đóng mở van bán dẫn D tính theo cơng thức sau [5-6]: Bắt đầu P&O Ton (1) T Với T = Ton + Toff chu kỳ đóng mở van bán dẫn Điện áp đầu phía phụ tải Vout tính theo công thức sau [6]: Vout = Vin D (2) Đo V(k), I(K) D= Trong đó: Vin điện áp đầu vào mạch BC Thông số phần tử mạch BC tính chọn theo điều kiện đầu vào sau: giới hạn điện áp đầu vào lớn nhỏ Vin-min, Vin-Max, điện áp đầu phía tải định mức Vout, dòng điện tải cực đại Iout, tần số chuyển đổi fs, độ dao động điện áp ∆𝑉𝑜𝑢𝑡 dòng điện ∆𝐼𝐿 Dựa vào điều kiện trên, điện cảm cuộn dây L điện dung tụ điện C tính tốn công thức sau [7], [15-16]: L C Vout − Vin IL fs (3) Iout − Max D Vout fs (4) Trong đó: ∆𝐼𝐿 mức độ dao động dòng điện qua cuộn cảm, thường chọn gần (20%  40%) dòng điện tải; fs tần số làm việc (tần số đóng-mở) van bán dẫn; ∆Vout mức độ dao động điện áp đầu Van bán dẫn S lựa chọn theo giá trị điện áp cực đại dòng điện cực đại qua van Dòng điện cực đại qua van xác đinh công thức sau [7]: IL Iout − Max (5) + 1− D Tuy nhiên, với thông số tính tốn điều kiện giới hạn để lựa chọn giá trị phần tử mạch điện mà chưa phải điều kiện chuẩn để mạch hoạt động tốt Vì xạ mặt trời nhiệt độ môi trường thay đổi làm cho thơng số dòng điện điện áp đầu vào mạch điện biến đổi theo nên để đầu thu giá trị công suất lớn bắt buộc phải sử dụng thuật tốn dò tìm kết hợp với mạch điện phần cứng 2.2 Thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại - MPPT Thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking) phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu hệ thống PV thông qua việc đóng mở van linh kiện bán dẫn chuyển đổi theo thời gian từ thu nhận giá trị cơng suất lớn đầu hệ thống Điểm làm việc với công suất tối ưu gọi điểm công suất cực đại MPP (Maximum Power Point) Hai phương pháp dò tìm điểm cơng suất cực đại phổ biến phương pháp nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observe) phương pháp điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) [9], [11-12] a Thuật toán Nhiễu loạn quan sát (Perturb and Observe – P&O) 65 P(k)=V(k)I(k) ΔP=P(k)-P(k-1) ΔV=V(k)-V(k-1) S Đ Đ ΔP>0 ΔV>0 ΔV>0 S S Δ=Δ+ΔD Đ Δ=Δ-ΔD Δ=Δ+ΔD Δ=Δ-ΔD V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k) Hình Lưu đồ thuật toán P&O [9] P&O phương pháp tương đối đơn giản sử dụng thông dụng Thuật toán xem xét tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có công suất lớn Nếu biến thiên điện áp làm cơng suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm công suất giảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn xác định đường cong đặc tính P-V biến thiên điện áp dao động xung quanh điểm làm việc có cơng suất lớn (điểm MPP) [11] IS− Max = Hình Đường đặc tính PV thuật tốn P&O b Thuật toán điện dẫn gia tăng INC Thuật toán INC sử dụng tổng điện dẫn gia tăng dãy pin mặt trời để dò tìm điểm cơng suất tối ưu trình bày Hình Hình Phương pháp dựa đặc điểm là: độ dốc đường đặc tính pin điểm MPPT, độ dốc dương bên trái điểm MPP, âm bên phải điểm MPP Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (∆I/∆V), để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Nguyễn Văn Tấn, Dương Minh Quân, Trần Anh Tuấn, Phạm Văn Kiên, Lê Hồng Lâm, Hà Hải Long 66 Bắt đầu INC Đo V(k), I(K) ΔI=I(k)-I(k-1) ΔV=V(k)-V(k-1) S ΔV=0 Đ ΔI/ΔV= -I/ V Đ ΔI=0 S S Đ ΔI/ΔV> -I/V Δ=Δ-ΔD Đ S Δ=Δ+ΔD ΔI>0 S Δ=Δ+ΔD Hình Biểu đồ thể thay đổi xạ mặt trời nhiệt độ môi trường Đ Các kết mơ thể hình sau: Δ=Δ-ΔD V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k) Hình Lưu đồ thuật tốn INC [9], [12] Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP Thuật tốn có ưu điểm cho kết tốt trường hợp giá trị điện dẫn gia tăng lớn tương ứng điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Hình Cơng suất pin ứng với hai thuật tốn P&O INC Hình Đường đặc tính PV thuật tốn INC Mơ mạch tăng áp kết hợp thuật toán MPPT Mạch tăng áp kết hợp thuật tốn MPPT mơ công cụ Matlab/Simulink với giả thiết mạch hoạt động tần số fs= 95 kHz [10] Dựa vào công thức từ (1) đến (5) tính chọn phần tử mục 2.1 qua q trình mơ thử nghiệm điều kiện khác nhau, nhóm tác giả chọn thông số phù hợp L = 0.1mH C = 100 µF Đầu vào mạch mơ mơ hình pin lượng mặt trời có nhiệt độ xạ mặt trời thay đổi được, đảm bảo kết mô sát với thực tế Trong q trình mơ so sánh hai thuật toán P&O INC, giả thiết nhiệt độ môi trường không đổi, thay đổi cường độ xạ (CĐBX) mặt trời (Hình 6) Các kết mô thu nhận ứng kịch sau: - Nhiệt độ môi trường cường độ xạ mặt trời không đổi - Nhiệt độ môi trường không đổi cường độ xạ mặt trời tăng - Nhiệt độ môi trường không đổi cường độ xạ mặt trời giảm Hình Công suất pin ứng với hai thuật tốn P&O INC CĐBX tăng (Vùng Hình 7) Hình Cơng suất pin ứng với hai thuật tốn P&O INC CĐBX khơng đổi (Vùng Hình 7) ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 11(132).2018, QUYỂN 67 cho việc tính tốn thơng số vào-ra mạch điều khiển b Mạch điều khiển Hình 12 Vi xử lí Arduino Nano Hình 10 Cơng suất pin ứng với thuật toán P&O INC CĐBX giảm (Vùng 3) Từ kết mô cho thấy cường độ xạ tăng, thuật tốn P&O bắt điểm cơng suất cực đại nhanh thuật tốn INC (Hình 8), đồng thời tốc độ bắt điểm MPP khả ổn định thuật toán P&O tốt Khi cường độ xạ khơng đổi (Hình 9) cường độ xạ giảm (Hình 10), cơng suất thuật tốn INC dao động hẳn so với thuật toán P&O, bám sát điểm MPP Lắp đặt mạch tăng áp BC tích hợp MPPT kiểm tra thực tế 4.1 Mạch tăng áp BC tích hợp thuật tốn MPPT Mạch tăng áp BC thực tế (Hình 11) thiết kế lắp đặt dựa mơ hình mơ mục Tất thông số phần tử lựa chọn tính tốn mơ để đảm bảo tính thực tiễn xác Mạch điều khiển sử dụng bo mạch xử lý Arduino Nano thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, tổn hao thấp Thuật tốn xử lý lập trình máy tính nạp vào Arduino Nano dạng Code dễ dàng thuận lợi Các tín hiệu đo lường điện áp dòng điện phản hồi từ mô đun đo lường mạch động lực Arduino để xử lí Arduino sau thực tính tốn vòng lặp đưa góc mở D phù hợp dạng tín hiệu số với độ phân giải 12 bit IC MCP4921 có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (Digital – Analog Converter) truyền đến IC tạo xung SG3525 để tạo xung PWM điều khiển MOSFET Nguồn điện cung cấp cho Arduino IC lấy từ pin mặt trời thông qua hai mô đun ổn áp nguồn LM2596S, tạo điện áp 12 V cho SG3525 5V cho Arduino, MCP4921 Màn hình LCD kích thước 20x4 dùng để hiển thị giá trị điện áp công suất đầu hệ thống PV đầu vào phía phụ tải, giúp quan sát trực quan đáp ứng vào-ra mạch tăng áp BC, từ kịp thời kiểm sốt điều chỉnh mạch có cố ổn định 4.2 Kết thực nghiệm Hình 11 Mạch lắp đặt thực tế a Mạch động lực Mạch động lực sử dụng hai MOSFET IRF250N [13] có tần số đóng cắt lên đến 7.6 MHz, chịu dòng cực đại 30A điện áp 200 V Hai MOSFET nối song song dùng để đóng mở hai nửa chu kì xung từ mạch điều khiển đảm bảo độ xác giảm tổn hao van bán dẫn MOSFET Diode gắn nhôm tản nhiệt để tránh tình trạng phát nóng làm việc với dòng điện lớn Giá trị cuộn cảm tụ lắp đặt mô tương ứng L = 0.1mH C = 100 µF Ngồi phần tử chính, mạch động lực có module đo dòng điện ACS712 [14] cầu phân áp phản hồi giá trị điện áp, dòng điện để đo lường so sánh phục vụ Hình 13 Kết cơng suất PV đo thực nghiệm so với mô Matlab/ Simulink Từ kết thực nghiệm thu cho thấy, hai thuật toán INC P&O cho khả tìm điểm MPP tốt Tuy nhiên, phương pháp INC cho kết tốt cho thấy mức độ dao động cơng suất so với P&O Hình 13 Để đạt kết tốt đó, giải thuật INC có khả điều khiển góc mở van bán dẫn nhanh (đáp ứng góc mở D INC thay đổi nhiều Hình 12) dẫn đến cơng suất đầu chuyển đổi tích hợp thuật tốn INC tốt so với P&O 68 Nguyễn Văn Tấn, Dương Minh Quân, Trần Anh Tuấn, Phạm Văn Kiên, Lê Hồng Lâm, Hà Hải Long Kết luận Từ kết thu nhận qua mô công cụ Matlab/Simulink thực nghiệm thực tế cho thấy hai thuật toán INC P&O có khả dò tìm điểm công suất cực đại Trong điều kiện thời tiết khác nhau, thuật toán thể ưu điểm riêng biệt tương ứng với biến đổi xạ mặt trời nhiệt độ môi trường khác Tuy nhiên, xét mặt tổng thể cho thấy điều kiện so sánh kết luận thuật tốn INC cho giá công suất đầu hệ thống PV ổn định hơn, mức độ dao động thấp so với thuật toán P&O [6] [7] [8] [9] Lời cám ơn: Xin chân thành cám ơn hỗ trợ từ đề tài khoa học mã số: T2018-02-01, trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng đề tài khoa học công nghệ cấp TP Đà Nẵng năm 2018 đợt tạo điều kiện giúp nhóm tác giả hoàn thành nghiên cứu [10] [11] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] VTV B D T., “Năng lượng hóa thạch ngày cạn kiệt,” BAO DIEN TU VTV, 04-Jun-2017 [Online] Available: https://vtv.vn/news20170604150804705.htm [2] “Điện mặt trời - Việt Nam đối mặt với nguy thiếu hụt nghiêm trọng lượng tương lai gần.” [Online] Available: http://samtrix.vn/chi-tiet-tin/117/433/viet-nam-doi-mat-voi-nguy-cothieu-hut-nghiem-trong-nang-luong-trong-tuong-lai-gan.html [3] L Ou-Yang and Y Ren, “The Development of Wind-Solar Energy Systems in China,” in 2009 International Conference on Energy and Environment Technology, 2009, vol 3, pp 626–627 [4] Minh Quan Duong, Ngoc Thien Nam Tran, Gabriela Nicoleta Sava, Mircea Scripcariu (2017), “The Impacts of Distributed Generation Penetration into the Power System”, 2017 International Conference on Electromechanical and Power Systems (SIELMEN), pp.295-301 [5] Minh Quan Duong, Van Tan Nguyen, Gabriela Nicoleta Sava, Mircea [12] [13] [14] [15] [16] Scripcariu, Marco Mussetta, "Design and simulation of PI-type control for the Buck Boost converter", 2017 International Conference on ENERGY and ENVIRONMENT (CIEM), 2017, pp 79-82 M Q Duong, H H Nguyen, T H D Nguyen, T T Nguyen, and G N Sava, “Effect of component design on the DC/DC power converters dynamics”, 2017 10th International Symposium on Advanced Topics in Electrical Engineering (ATEE), 2017, pp 617–620 Minh Quan Duong, Hien Tran, Chowdhury Akram Hossain, "Influence of elemental parameter in the boost and the buck converter", 2017 IEEE Region 10 Humanitarian Technology Conference (R10-HTC), 2017, pp 528-531 “2018 Most Efficient Solar Panels on the Market | EnergySage,” Solar News, 02-Jun-2018 A Reza Reisi, M Hassan Moradi, and S Jamasb, “Classification and comparison of maximum power point tracking techniques for photovoltaic system: A review,” Renew Sustain Energy Rev., vol 19, Mar 2013., pp 433–443 Jangwoo Park*, Hong-geun Kim, Yongyun Cho, Changsun Shin, “Simple Modeling and Simulation of Photovoltaic Panels Using Matlab/Simulink,” Adv Sci Technol Lett., vol 73, 2014, pp 147–155 A Dolara, “Energy comparison of seven MPPT techniques for PV systems,” J Electromagn Anal Appl., vol 01, Jan 2009, pp 152–162 C Hua and C Shen, “Comparative study of peak power tracking techniques for solar storage system,” in APEC ’98 Thirteenth Annual Applied Power Electronics Conference and Exposition, 1998, vol 2, pp 679–685 H.-L Tsai, C.-S Tu, and Y.-J Su, “Development of Generalized Photovoltaic Model Using MATLAB / SIMULINK.” [Online] Available: /paper/Development-of-Generalized-Photovoltaic-ModelUsing-Tsai Tu/2fddc5cdada7b44a598b3a4a76de52825350d5d IR WORLD HEADQUARTERS, “Data and specifications subject to change without notice IRFP250NPbF.” IR WORLD HEADQUARTERS Phạm Quốc Hải, “Hướng dẫn thiết kế Điện tử Công suất”, Nhà xuất Khoa học Kĩ thuật - Hà Nội, 2009 Trần Trọng Vũ, Huỳnh Minh Phương, “Thiết kế điều khiển cho biến đổi điện tử công suất”, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội, 2014, trang 57-59 (BBT nhận bài: 05/10/2018, hoàn tất thủ tục phản biện: 19/10/2018) ... giá trị công suất lớn đầu hệ thống Điểm làm việc với công suất tối ưu gọi điểm công suất cực đại MPP (Maximum Power Point) Hai phương pháp dò tìm điểm cơng suất cực đại phổ biến phương pháp nhiễu... Cơng suất pin ứng với thuật toán P&O INC CĐBX giảm (Vùng 3) Từ kết mô cho thấy cường độ xạ tăng, thuật toán P&O bắt điểm cơng suất cực đại nhanh thuật tốn INC (Hình 8), đồng thời tốc độ bắt điểm. .. để dò tìm điểm cơng suất tối ưu trình bày Hình Hình Phương pháp dựa đặc điểm là: độ dốc đường đặc tính pin điểm MPPT, độ dốc dương bên trái điểm MPP, âm bên phải điểm MPP Bằng cách so sánh giá