Mỗi module pin quang điện đều có một đƣờng đặc tính V-A nhất định nhƣ hình 5-1 khi hoạt động ở một điều kiện cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ. Và cũng có một điểm hoạt động duy nhất mà tại đó module pin quang điện sinh ra công suất lớn nhất đƣợc gọi là điểm công suất đỉnh (MPP: Maximum Power Point). Trên Hình 5-1, tại điểm đó tấm pin quang điện hoạt động với điện áp và dòng điện đƣớc ký hiệu tƣơng ứng là UMPP và IMPP.
Hình 5-1: Đặc tính V-A của tấm pin quang điện ở điều kiện kiểm thử chuẩn. Thông thƣờng nhà sản xuất sẽ cho các giá trị UMPP và IMPP của tấm pin trong điều kiện kiểm thử chuẩn (1000W/m2 và 25oC) nhƣ trên hình 5-1. Tuy nhiên trong hoạt động thực tế thì đƣờng đặc tính V-A của tấm pin quang điện luôn thay đổi phụ thuộc vào cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ của tấm pin, do vậy mà điểm công suất đỉnh cũng thay đổi theo (Hình 5-2). Trong phần này chúng ta sẽ nghiên cứu các thuật toán tìm kiếm các điểm công suất đỉnh của tấm pin quang điện.
(a) (b)
Hình 5-2 : Đặc tính V-A của tấm pin quang điện ở các điều kiện hoạt động khác nhau (a) : cùng nhiệt độ (T=25oC) nhƣng khác cƣờng độ bức xạ.
Có bốn thuật toán tìm kiếm công suất đỉnh phổ biến hiện nay là : Hệ số lấp đầy cốđịnh.
Quét công suất. Thuật toán leo đồi. Điện dẫn gia tăng.
Ngoài ra còn một số thuật toán tìm kiếm công suất đỉnh khác nhƣ logic mờ, mạng nơron… nhƣng chúng không đƣợc xem xét ở đây bởi vì sự phức tạp và giá thành của chúng không phù hợp với dựán này.
5.2.1. Hệ số lấp đầy cố định
Thuật toán hệ số lấp đầy cố định giả sử rằng tỷ số giữa điện áp MPP (VMPP) và điện áp hở mạch (VOC) của tấm pin quang điện là một hằng số, tỷ số giữa dòng điện MPP (IMPP) và dòng điện ngắn mạch (ISC) cũng là một hằng số. Các tỷ sốnày đƣợc gọi là hệ số lấp đầy (FF : Fill-Factors).
(5.1)
(5.2)
Và giả sử rằng hệ số lấp đầy là hằng số với tất cả các tấm pin quang điện và tất cả các điều kiện nhiệt độ và cƣờng độ bức xạ.
Mô hình hoạt động : Giả sử rằng tấm pin quang điện đang hoạt động, thì thuật toán tìm kiếm công suất đỉnh tắt bộ chuyển đổi trong một khoảng thời gian ngắn (vd : 1ms), và đọc giá trị điện áp hở mạch hoặc dòng điện ngắn mạch. Rồi dùng các giá trị này để tham chiếu cho chu kỳ hoạt động tiếp theo (vd : 1s).
Ƣu điểm của thuật toán này là dễ dàng thực hiện. Tuy nhiên, nó lại có 2 hạn chế nghiêm trọng. Một là nó giả sử hệ số lấp đầy là không đổi với mọi tấm pin và mọi điều kiện nhiệt độ, cƣờng độ chiếu sáng, điều này tất nhiên là không đúng. Hai là trong điều kiện mây thay đổi nhanh làm giảm cƣờng độ ánh sáng đột ngột, vì vậy mà MPP thay đổi nhanh hơn chu kỳ hoạt động bình thƣờng của hệ thống.
Hệ số lấp đầy cho một tấm pin ở một nhiệt độ hoạt động nhất định có thể xác định bằng cách quét đƣờng đặc tính Vôn- Ampe của module pin quang điện. Hệ số lấp đầy
thực tế đƣợc tính và lƣu lại để sử dụng sau này. Thông thƣờng ngƣời ta sử dụng hệ số lấp đầy của dòng điện FFIvì giá trịnày là duy nhất ở một điều kiện nhiệt độ.
5.2.2. Quét công suất
Thuật toán quét công suất hoạt động tƣơng tự nhƣ quá trình xác định hệ số lấp đầy thực tế của thuật toán hệ số lấp đầy cố định. Tên thuật toán đã chỉ rõ là thuật toán thực hiện quét trên đặc tính công suất của module pin quang điện.
Mô hình hoạt động : Thuật toán yêu cầu bộ chuyển đổi thực hiện quét qua đƣờng đặc tính công suất của module. Đồng thời, điện áp và dòng điện đƣợc ghi lại và giá trị công suất đƣợc tính cho mỗi điểm hoạt động. Điểm hoạt động của module mà có giá trị công suất lớn nhất (MPP) đƣợc lƣu lại và sử dụng nhƣ một điểm tham chiếu mới cho chu kỳ tiếp theo của quá trình hoạt động.
Thuật toán này có một chút khó khăn trong việc lập trình, do trong quá trình quét chúng ta đồng thời tính toán giá trịcông suất và thực hiện so sánh. Cũng nhƣ thuật toán hệ số lấp đầy cố định thì thuật toán này cũng bị hạn chế khi hoạt động ở điều kiện mây thay đổi nhanh, khi đó điểm công suất đỉnh (MPP) có thể thay đổi nhanh hơn chu kỳ hoạt động bình thƣờng của hệ thống.
5.2.3. Thuật toán leo đồi
Trong thuật toán này, điểm công suất đỉnh tham chiếu đƣợc thay đổi liên tục, và công suất tạo ra đƣợc so sánh với công suất trƣớc đó, và điểm công suất đỉnh đƣợc quyết định trực tiếp.
Mô hình hoạt động : Giả sử rằng tấm pin quang điện hoạt động ở một điểm cho trƣớc. Điện áp tham chiếu của pin quang điện đƣợc khởi tạo là UPV[n]. Sau đó giá trị công suất PPV[n] đƣợc tính và lƣu lại. Điểm tham chiếu đƣợc thay đổi sang UPV[n+1] = UPV[n]+∆U, và tạo ra công suất PPV[n+1] đƣợc tính và lƣu lại. Nếu PPV[n] > PPV[n+1], MPP đƣợc xác định theo hƣớng ngƣợc lại với giá trị tham chiếu đã thay đổi, tức là giá trị tham chiếu mới UPV[n+2]=UPV[n+1]-∆U. Trong trƣờng hợp ngƣợc lại PPV[n] < PPV[n+1], MPP đƣợc xác định theo cùng hƣớng ban đầu, giá trị tham chiếu mới UPV[n+2]=UPV[n+1]+∆U.
Theo cách này thì việc tìm điểm công suất đỉnh nhanh khi cƣờng độ ánh sáng không đổi. Mặt khác, nó cũng có một số hạn chế. Một là công suất tạo ra dao động quanh điểm
công suất đỉnh, chọn giá trị∆U nhỏ có thể giảm hạn chếnày. Tuy nhiên, giá trị ∆U quá nhỏ sẽlàm tăng thời gian tìm kiếm, đây lại là một hạn chếtrong điều kiện cƣờng độánh sáng thay đổi nhanh. Vì vậy, thƣờng chọn một giá trị ∆U đủ lớn để có thể bắt điểm công suất đỉnh khi nó thay đổi nhanh, vì công suất mất đi khi dao động quanh điểm công suất đỉnh nhỏ. Một giá trị∆U lớn cũng làm tỉ số nhiễu trong cảm biến dòng áp làm phản hồi cho bộ điều khiển.
Hai là sự thay đổi nhanh của cƣờng độ ánh sáng dẫn tới sự quyết định sai về hƣớng xác định điểm công suất đỉnh. Tuy nhiên đây cũng là hạn chế tạm thời và sẽđƣợc giải quyết khi điều kiện chiếu sáng ổn định.
5.2.4. Thuật toán điện dẫn gia tăng
Thuật toán này dựa trên yếu tố giá trị điện dẫn tức thì âm (-SPV=-iPV/uPV) và sự tăng điện dẫn (dSPV=diPV/duPV), là bằng nhau tại điểm công suất đỉnh.
(5.3)
Mô hình hoạt động : Giả sử rằng mođun pin quang điện hoạt động tại một điểm cho trƣớc. Dòng điện và điện áp là một mẫu và các sai phân đƣợc tính là : ∆i = i[n] - i[n-1] và ∆u = u[n]-u[n-1], với [n] ký hiệu cho giá trị mẫu mới và [n-1] ký hiệu cho mẫu trƣớc đó. Nếu ∆u bằng 0, thì dấu của ∆i đƣợc sử dụng để xác định hƣớng định vị điểm công suất đỉnh. Nếu ∆u khác không, thì dấu của ∆i/∆u + i/u đƣợc sử dụng đểxác định hƣớng. Giá trị tham chiếu mới đƣợc xác định dựa trên giá trị tham chiếu cũ cùng hƣớng thay đổi giá trị.Hình 5-3 minh họa cho việc xác định giá trị tham chiếu mới trong thuật toán độ dẫn gia tăng.
Hình 5-3: Thuật toán độ dẫn gia tăng.
Thuật toán không thay đổi các giá trị tham chiếu dựa vào các điều kiện ∆i=0 và ∆i/∆u+i/u=0, khi điểm công suất đỉnh đƣợc tìm thấy, vì vậy công suất tạo ra không còn dao động quanh điểm công suất đỉnh nữa.
Nhƣợc điểm lớn nhất của thuật toán này là có thể không xác định đúng điểm công suất đỉnh của môđun pin quang điện trong điều kiện tấm pin bị che phủ một phần, do lúc này có ít nhất 2 điểm trên đƣờng đặc tính P-V thỏa mãn các điều kiện của thuật toán.
Hình 5-4: Đặc tính P-V của pin quang điện trong điều kiện che phủ một phần. Để giải quyết vấn đề này thì một chế độ quét toàn bộ đặc tính công suất của tấm pin quang điện đƣợc thêm vào và thực hiện đều đặn sau một khoảng thời gian nhất định. Một phƣơng pháp khác cho vấn đề này là ƣớc lƣợng giá trị khởi tạo của UMPP và IMPP
(0.8UOC và 0.9ISC), hay nói đúng hơn là kết hợp giữa hai thuận toán hệ số lấp đầy không đổi và thuật toán này.
5.2.5. Lựa chọn thuật toán
Tất cảcác thuật toán giới thiệu ởtrên đều có những nhƣợc điểm nhất định chẳng hạn nhƣ : sai số lớn trong các điều kiện hoạt động đặc biệt của môđun pin quang điện nhƣ MPP thay đổi nhanh hay tấm pin bị che phủ một phần, công suất dao động quanh MPP, gián đoạn hoạt động của bộ chuyển đổi…
Chúng ta cần dựa trên những tiêu chí nhất định để lựa chọn thuật toán, nếu dựa vào sự đơn giản của thuật toán thì 2 thuật toán đầu là hệ số lấp đầy cố định và quét công suất đƣợc xem xét. Tuy nhiên hiệu suất của hai thuật toán này không cao nên sẽ không đƣợc sử dụng trong dự án này. Còn lại hai thuật toán leo đồi và điện dẫn gia tăng, theo nghiên cứu thì 2 thuật toán này có hiệu suất gần bằng nhau. Tuy nhiên, thuật toán điện dẫn gia tăng lại không chính xác trong một số trƣờng hợp, và để giải quyết vấn đề đó cần kết hợp thêm một số thuật toán hoặc phần cứng, điều này làm phức tạp thêm cho thuật toán và tăng giá thành sản phẩm. Trong khi đó thuật toán leo đồi lại có công suất dao động, nhƣng nếu chọn ∆U đủ nhỏ thì có thể hạn chế nhƣợc điểm này. Đồng thời thuật toán này cũng đơn giản hơn nên dễ dàng cho việc lập trình và giảm giá thành sản phẩm, điều này lý giải tại sao thuật toán leo đồi đƣợc sử dụng rộng rãi trong các sản phẩm thƣơng mại.
Dựa vào sự phân tích các ƣu nhƣợc điểm của các thuật toán nhƣ trên thì thuật toán leo đồi đƣợc chọn để thực hiện trong dựán này.