Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn pin mặt trời để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường.
Thiết kế biến đổi DC/DC điều khiển nguồn pin mặt trời TS LÊ KIM ANH Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung Nghiên cứu sử dụng khai thác hiệu nguồn pin mặt trời để phát điện có ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu giảm phụ thuộc vào nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường Việc ứng dụng biến đổi DC/DC điều khiển nguồn pin mặt trời nhằm nâng công suất điện áp, kết hợp điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) coi phần thiếu hệ thống điều khiển nguồn pin mặt trời Bài báo đưa kết mô điều khiển cho nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi DC/DC, nhằm trì cơng suất phát tối đa hệ thống pin Từ khóa: Bộ biến đổi DC/DC, điểm cực đại, pin mặt trời Đặt vấn đề Năng lượng mặt trời dạng nguồn lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn Đây nguồn lượng tái tạo quan trọng Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn lượng điện mặt trời cho hiệu thay dần nguồn lượng hóa thạch ngày cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường mục tiêu nghiên cứu nhà quản lý Theo [1], lượng mặt trời thực chất nguồn lượng nhiệt hạch vô tận thiên nhiên Hàng năm mặt trời cung cấp cho trái đất lượng khổng lồ, gấp 10 lần trữ lượng nguồn nhiên liệu có trái đất Thành phần hệ thống điện mặt trời bao gồm: pin mặt trời, trữ lượng (ắc quy), biến đổi DC/DC, nghịch lưu DC/AC, Theo [2], hệ thống điện mặt trời bị phụ thuộc vào phụ tải, cấp điện áp, nhiều yếu tố khác, thơng thường có loại sử dụng phổ biến là: cấu hình cấp biến đổi cấu hình cấp biến đổi Với cấu hình cấp biến đổi, biến đổi DC/DC sử dụng để nâng điện áp đầu hệ thống pin mặt trời đến điện áp cao phù hợp với phụ tải chiều cấp điện áp xoay chiều lưới kết nối Tuy nhiên, việc sử dụng biến đổi chiều làm tăng tổn thất cơng suất hệ thống dẫn đến giảm hiệu suất chuyển đổi lượng toàn hệ thống điện mặt trời Để tiết kiệm điện năng, cần phải tăng hiệu suất chuyển đổi biến đổi DC/DC Trong thực tế cho thấy, hiệu suất biến đổi DC/DC số mà phụ thuộc nhiều 35 SỐ 05 NĂM 2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 36 KHOA HỌC KỸ THUẬT vào cơng suất truyền tải qua [3] Thơng thường hiệu suất chuyển đổi DC/DC đạt cực đại phạm vi 50%-60% công suất thiết kế giảm nhanh công suất qua nhỏ Tuy nhiên, pin mặt trời, công suất đầu không cố định, công suất đạt định mức khoảng thời gian gần trưa công suất đầu nhỏ vào lúc sáng chiều, thời gian cơng suất bé 40% đạt vài ngày, chưa kể đến tượng bóng che ngày nắng Như vậy, trường hợp này, công suất chạy qua biến đổi DC/DC nhỏ (nhỏ 40%) nên hiệu suất biến đổi thấp phần lớn công suất bị tiêu hao biến đổi Vì vậy, việc thiết kế biến đổi DC/DC có hiệu suất cao cần thiết Nhiều tác giả đưa cấu trúc biến đổi DC/ DC với hiệu suất cao [4] Hầu hết nghiên cứu nhằm giảm tổn thất biến đổi từ nâng cao hiệu suất biến đổi Hiệu suất phụ thuộc vào cơng suất qua Điều có nghĩa rằng, khoảng thời gian công suất đầu pin mặt trời thấp hiệu suất biến đổi DC/DC thấp Do vậy, việc thiết kế biến đổi DC/DC có cấu trúc cho trì cơng suất qua DC/DC gần với cơng suất làm việc bình thường (hiệu suất cao) công suất đầu PV thấp cần thiết Bài báo giới thiệu cách thiết kế biến đổi DC/DC áp dụng điều khiển nguồn pin mặt trời nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống nguồn pin mặt trời Ở đây, biến đổi lựa chọn viết cải tiến Boost Converter thông thường Is: dòng điện bão hòa pin; Iph: dòng quang điện; Tc: nhiệt độ làm việc pin; Rsh : điện trở shunt; Rs : điện trở pin; A: hệ số lý tưởng Theo công thức (1) dòng quang điện phụ thuộc vào lượng mặt trời nhiệt độ làm việc pin đó: với: Isc: dòng ngắn mạch nhiệt độ 25 C; KI: hệ số nhiệt độ dòng điện ngắn mạch; Tref: nhiệt độ bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu); H: xạ mặt trời kW/m2 Ở giá trị dòng điện bão hòa pin với nhiệt độ pin tính sau: Trong đó: IRS: dịng bão hịa ngược bề mặt nhiệt độ xạ mặt trời; EG: lượng vùng cấp chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý trưởng công nghệ làm pin Mặt khác pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, muốn có điện áp làm việc cao ta mắc nối tiếp pin lại, muốn có dịng điện lớn mắc song song, hình Như dòng điện modul pin là: Mơ hình pin mặt trời Dịng điện đầu pin theo [5], tính sau: Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x1019 C; k: số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K; Hình Dịng điện modul pin Thiết kế biến đổi DC/DC Với cấu hình cấp biến đổi, biến đổi DC/DC sử dụng để nâng điện áp đầu hệ thống nguồn pin mặt trời đến điện áp cao phù hợp với phụ tải chiều, hình a) Sơ đồ nguyên lý Bộ điều khiển cho hệ Boost Converter lấy tín hiệu vào điện áp đo từ dàn pin mặt trời Vpv , điện áp đầu Vdc để đưa tới đầu vào cho nghịch lưu DC/AC Trong phạm vi viết này, tác giả nghiên cứu biến đổi DC/DC Theo [7], nhằm giảm tổn thất biến đổi DC/DC để nâng cao hiệu suất biến đổi cách kết nối IGBT mắc song song, hình a) b) Hình Bộ biến đổi DC-DC cải tiến b) Sơ đồ điều khiển Hình Hệ thống nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi DC/DC 3.1 Bộ biến đổi DC/DC Theo [6], biến đổi DC/DC hệ thống nguồn pin mặt trời lựa chọn Boost Converter (hay gọi tăng áp chiều) có cấu trúc hình Hình Bộ biến đổi DC-DC 3.2 Thuật toán điều khiển MPPT Theo [8], sử dụng thuật tốn bám cơng suất cực đại nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observer algorithm) Đây phương pháp đơn giản sử dụng thông dụng nhờ đơn giản thuật toán việc thực dễ dàng Thuật toán xem xét tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng 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 cơng suất lớn xác định đường cong đặc tính biến thiên điện áp dao động xung quanh điểm MPPT, hình Hình Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất lớn P&O 37 SỐ 05 NĂM 2019 KHOA HỌC KỸ THUẬT TẠP CHÍ KHOA HỌC CƠNG NGHỆ VÀ MƠI TRƯỜNG 38 KHOA HỌC KỸ THUẬT Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất hệ quang điện, đặc biệt điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định Vấn đề giải cách điều chỉnh logic thuật tốn P&O hình Thuật toán P&O hoạt động tốt điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột, phản ứng bám điểm công suất cực đại với thời gian nhanh, độ điều chỉnh nhỏ Bộ điều khiển MPPT đo giá trị dòng điện I điện áp V, sau tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V kiểm tra: Hình Bộ biến đổi DC-DC cải tiến dùng thuật toán MPPT điều khiển - Nếu ∆P ∆V > tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref - Nếu ∆P ∆V < giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref Sau cập nhật giá trị thay cho giá trị trước V, P tiến hành đo thông số I, V cho chu kỳ làm việc Hình Thơng số pin Hình Lưu đồ thuật toán P&O 3.3 Lắp đặt thử nghiệm Để thử nghiệm biến đổi Boost DC/ DC cải tiến hình Ở tác giả sử dụng pin mặt trời loại SUN 325-72P có thơng số hình Ở điều kiện tự nhiên Khoa Điện Tự động hóa, Trường Cao đẳng Cơng Thương miền Trung, số lượng lắp đặt nối tiếp hình Hình Lắp đặt nối tiếp pin ... thống nguồn pin mặt trời sử dụng biến đổi DC/DC 3.1 Bộ biến đổi DC/DC Theo [6], biến đổi DC/DC hệ thống nguồn pin mặt trời lựa chọn Boost Converter (hay gọi tăng áp chiều) có cấu trúc hình Hình Bộ. .. suất đầu PV thấp cần thiết Bài báo giới thiệu cách thiết kế biến đổi DC/DC áp dụng điều khiển nguồn pin mặt trời nhằm cải thiện hiệu suất hệ thống nguồn pin mặt trời Ở đây, biến đổi lựa chọn viết... 1.38 x10-23J/K; Hình Dịng điện modul pin Thiết kế biến đổi DC/DC Với cấu hình cấp biến đổi, biến đổi DC/DC sử dụng để nâng điện áp đầu hệ thống nguồn pin mặt trời đến điện áp cao phù hợp với phụ