4.2.1 Bộ biến đổi Buck
Bộ biến đổi Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc-quy. Bộ biến đổi Buck được mô tả như hình 4.4. Trong đó, khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET hoặc IGBT . . . Khóa transitor được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo biểu thức sau:
34
D Ton
T Ton. fdongcat (4.1)
Hình 4.4 Bộ giảm áp Buck
- Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L.
- Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên, tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do diode D1 khép kín mạch.
Như vậy, cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa
K. Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ = năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa K mở + năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian khóa K đóng = năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian khóa K đóng.
Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau:
Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khóa K đóng mở được duy trì.
Do VL L dI L dt (4.2) Nên - Khi K mở (ton)
35
0
I L .L Vin Vout Ton (4.3)
- Khi K đóng (toff)
I L .L Vout .Toff (4.4)
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được xác định như sau:
1
I L max I0
2 I L (4.5)
Trong đó:
I0: là dòng điện tải hay giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng
I Vout (4.6)
Rtai
Từ các công thức trên, suy ra:
Vout Vin .D (4.7)
Biểu thức (4.7) cho thấy rằng điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc, D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc- quy làm chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở, ton. Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM.
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ biến đổi Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống PV nhất vì nó có nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ PV.
Bộ biến đổi Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất. Bộ biến đổi Buck còn thường được sử dụng để nạp ắc-quy nhưng nó có nhược điểm là dòng điện vào không liên tục vì khoá điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào. Vì vậy, cần phải có bộ lọc tốt.
Bộ biến đổi Buck sử dụng thích hợp khi điện áp PV cao hơn điện áp ắc-quy. Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử. Bộ biến đổi Buck có thể làm việc tại điểm công suất cực đại trong hầu hết các điều
36
kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ. Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm công suất cực đại xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc-quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp. Vì vậy, để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ biến đổi Buck với một bộ tăng áp.
4.2.2 Bộ biến đổi Boost
Hình 4.5 Bộ tăng áp Boost
Bộ biến đổi Boost được mô tả như hình 4.5 mà tương tự như bộ biến đổi Buck. Hoạt động của bộ biến đổi Boost được thực hiện qua cuộn kháng L và chuyển mạch khóa K đóng mở theo chu kỳ.
- Khi khóa K mở (ton) sẽ cho dòng qua cuộn kháng và cuộn kháng tích năng lượng. - Khi khóa K đóng (toff) cuộn kháng sẽ giải phóng năng lượng qua diode và tới tải.
V1 V0 L dI L
dt (4.8)
- Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều.
- Khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải và qua diode.
Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được xác định như sau:
V Vin out
1 D (4.9)
Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều chỉnh điện áp vào, V1 ở điểm công suất cực đại theo điện thế của tải, V0.
37
4.2.3 Bộ biến đổi Buck-Boost
Hình 4.6 Bộ biến đổi Buck – Boost
Bộ biến đổi Buck - Boost được mô tả như hình 4.6. Từ biểu thức (4.9), do D<1, nên điện áp ra luôn luôn lớn hơn điện áp vào. Vì vậy, bộ biến đổi Boost chỉ có thể tăng áp trong khi bộ biến đổi Buck như đã được trình bày ở trên thì chỉ có thể giữ chức năng giảm áp. Kết hợp của cả hai bộ biến đổi này với nhau tạo thành bộ biến đổi Buck – Boost mà giữ một chức năng vừa có thể tăng và giảm điện áp.
- Khi khóa K đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trên điện cảm tăng dần theo thời gian.
- Khi khóa K ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó và sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào. Do đó, dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Ta có:
Vout D V
1 D in (4.10)
Biểu thức (4.10) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hoặc nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc, D.
- Khi D = 0,5 thì Vin = Vout
- Khi D < 0,5 thì Vin > Vout
38
Như vậy, nguyên tắc điều khiển điện áp ra của cả ba bộ biến đổi trên đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ thống là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng.
Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K sao cho hệ thống PV đạt được điểm làm việc tối ưu, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất mà sẽ được trình bày chi tiết ở các phần tiếp sau.
4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
Thông thường, bộ biến đổi DC/DC sẽ được điều khiển theo một trong các phương thức sau:
- Điều khiển điện áp hồi tiếp - Điều khiển dòng điện hồi tiếp
4.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp
Trong sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp hình 4.7, bộ điều khiển Rv là bộ điều khiển PI. Điện áp ra ở đầu cực của hệ thống PV được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ. Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ gần với điểm làm việc có công suất cực đại bằng cách điều chỉnh điện áp của hệ thống PV phù hợp với điện áp yêu cầu.
Nhược điểm của phương pháp điều khiển này là bỏ qua các ảnh hưởng do thay đổi các điều kiện bức xạ và nhiệt độ của hệ thống PV. Vì vậy, phương pháp điều khiển này chỉ thích hợp để điều khiển dưới điều kiện bức xạ ổn định.
39 PV DC/DC PWM MPPT Rv V - Vref
Hình 4.7 Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp
4.3.2 Điều khiển dòng điện hồi tiếp
PV DC/DC
PWM
Ri
I -
MPPT Iref
Hình 4.8 Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp
Trong sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp hình 4.8, bộ điều khiển dòng điện hồi tiếp, Ri là bộ điều khiển PI. Thông thường, phương pháp này chỉ áp dụng với những thuật toán bám điểm công suất cực đại với đại lượng điều khiển là dòng điện.
40
4.4 Thuật toán xác định điểm công suất cực đại
Các thuật toán xác định điểm công suất cực đại ra đời từ những năm 1960. Trong nhiều năm qua, đã có rất nhiều thuật toán được phát triển và sử dụng cho bài toán xác định điểm công suất cực đại. Các thuật toán này khác nhau ở nhiều khía cạnh như số lượng cảm biến được sử dụng, độ phức tạp, chi phí, hiệu suất, tốc độ hội tụ, sự dò tìm chính xác điểm công suất cực đại khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi và phần cứng được yêu cầu hỗ trợ để thực hiện, . . . Mỗi thuật toán đều có những ưu và nhược điểm riêng. Một số các thuật toán được sử dụng phổ biến như các thuật toán P&O (Perturbation & Observation Algorithm), thuật toán IC (Incremental Conductance Algorithm), Logic mờ (Fuzzy Logic), mạng nơ-rôn (Neural Network), phương pháp điện áp hở mạch, phương pháp dòng điện ngắn mạch, mạng nơ-rôn mờ (Fuzzy Neural Network), . . .
4.4.1 Thuật toán Perturbation & Observation (P&O)
Trong số các thuật toán xác định điểm công suất cực đại, thuật toán P&O là một trong các thuật toán đơn giản và được sử dụng phổ biến nhất cho các hệ thống bám điểm công suất cực đại của PV [4.2]-[4.8]. Thuật toán này được mô tả dựa trên sự thay đổi của điện áp, ΔV cho sự thay đổi của công suất, ΔP sao cho công suất thu được của hệ thống PV là cực đại. Lưu đồ của thuật toán P&O được mô tả như hình 4.9. Dựa vào thuật toán này, một tín hiệu điều khiển được đưa ra để thực hiện đóng cắt thích hợp bộ điều khiển DC/DC.
41
Hình 4.9 Lưu đồ thuật toán P&O
Thuật toán P&O có thể được diễn giải như sau:
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp;
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp; - Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp;
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp.
Vì vậy, lưu đồ của thuật toán P&O, hình 4.9 sẽ là như sau:
- Xác định các giá trị ban đầu cho hệ thống PV bao gồm: điện áp, V; cường độ dòng điện, I và xác định công suất, P tại thời điểm k.
- Đo các giá trị từ hệ thống PV bao gồm: điện áp, V; cường độ dòng điện, I và xác định công suất, P tại thời điểm k+1.
42
* Nếu P(k+1) = P(k) thì V(k) = V(k+1)
* Nếu P(k+1) P(k) thì tiếp tục so sánh V(k+1) và V(k) và sau đó, ra quyết định tăng hoặc giảm điện áp.
Có thể nhận thấy rằng, thuật toán P&O phụ thuộc rất lớn vào thời gian lấy mẫu cho việc so sánh. Trong trường hợp, cường độ chiếu sáng không đổi thì thuật toán P&O làm việc rất tốt khi tìm kiếm điểm công suất cực đại. Tuy nhiên, khi cường độ bức xạ thay đổi nhanh thì thuật toán có thể sẽ xác định sai điểm công suất cực đại như hình 4.10 trong trường hợp khi cường độ bức xạ tăng lên và đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 sang P2.
Giả sử tại thời điểm k, hệ bám điểm công suất cực đại đang điều khiển hệ thống PV làm việc ở điểm A và tại thời điểm (k+1), cường độ bức xạ tăng nhanh.
Theo thuật toán P&O, giả sử:
Công suất, P(k+1) > P(k) và điện áp, V(k+1) > V(k) thì thuật toán P&O sẽ tăng điện áp lên và điểm làm việc sẽ là điểm C, trong khi đó điểm C không phải là điểm cực đại.
Nếu hệ thống bám điểm công suất cực đại sử dụng thuật toán P&O cho việc xác định điểm công suất cực đại thì điểm công suất cực đại được xác định sẽ sai sau một vài chu kỳ lấy mẫu khi cường độ bức xạ thay đổi nhanh.
Nếu cường độ bức xạ tăng dần (hoặc giảm dần) thì thuật toán P&O vẫn có thể sai nếu chu kỳ lấy mẫu không phù hợp. Do hệ thống bám điểm công suất cực đại không hiểu được công suất tăng do thay đổi cường độ bức xạ chứ không phải do sự dao động của điện áp khi làm việc. Kết quả là giải thuật sẽ giảm hoặc tăng điện áp liên tục, do nhận thấy công suất đo lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu.
43 C ông suấ t C P2 A B P1 Điện áp V V + V
Hình 4.10 Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi
4.4.2 Thuật toán Incremental Conductance (IC)
Thuật toán IC cho phép khắc phục các nhược điểm của thuật toán P&O trong các trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột. Thuật toán này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của hệ thống PV để dò tìm điểm công suất cực đại.
Thuật toán này cơ bản dựa trên đặc điểm của độ dốc đường đặc tính P-V của hệ thống PV, hình 4.11 [4.2]-[4.8].
- Độ dốc của đường đặc tính sẽ bằng 0 tại điểm công suất cực đại (Maximum power point, MPP),
- Độ dốc của đường đặc tính sẽ là dương khi ở bên trái điểm MPP, và - Độ dốc của đường đặc tính sẽ là âm khi ở bên phải điểm MPP.
P dP 0 dV dP 0 dV MPP dP 0 dV V Hình 4.11 Thuật toán IC
44
Mô tả cho thuật toán IC có thể được biểu diễn lại như sau:
dP dV dP dV 0, tại MPP 0, bên trái MPP (4.11) dP 0, bên phải MPP dV Mặt khác: dP dV d VI dV I dV dV V dI dV I V I V (4.12)
Khi ấy, (4.11) có thể được viết lại như sau:
I I V V 0, tại MPP I I V V 0, bên trái MPP (4.13) I V I I 0, bên phải MPP V I V I V I V , tại MPP V I , bên trái MPP V I , bên phải MPP V (4.14)
Thuật toán bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời, I và giá trị điện dẫn gia
V
tăng, I
V sẽ tìm được điểm làm việc có công suất cực đại. Tại điểm MPP, điện áp chuẩn, Vref = VMPP. Mỗi khi điểm MPP được tìm ra, hoạt động của hệ thống PV lại được duy trì ở điểm làm việc này trừ khi có sự thay đổi về dòng điện I
sự thay đổi của điều kiện thời tiết và của điểm MPP.
mà thể hiện
Độ lớn của điện dẫn gia tăng sẽ quyết định tốc độ nhanh hoặc chậm trong việc tìm ra điểm MPP. Tuy nhiên, khi điện dẫn gia tăng lớn quá sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động.
Ưu điểm chính của thuật toán này là cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh. Thuật toán này cũng có dao động nhỏ quanh điểm MPP mà nhỏ hơn thuật toán P&O.
45
P&O.
Nhược điểm của thuật toán này là mạch điều khiển phức tạp hơn thuật toán
Lưu đồ của thuật toán IC được biểu diễn như hình 4.12.
Hình 4.12 Lưu đồ thuật toán IC
4.4.3 Thuật toán điện áp không đổi
Phương pháp điều khiển điện áp không đổi là một phương pháp điều khiển đơn giản mà sử dụng một đặc điểm đó là điện áp làm việc tại MPP, VMPP của các PV là tỷ lệ tuyến tính với điện áp hở mạch của PV, Voc tương ứng với các mức thay đổi bức xạ khác nhau. Tỷ số VMPP/Voc phụ thuộc vào các thông số của pin quang điện, thông thường giá trị này sẽ có giá trị khoảng 76%.
46
Nguyên tắc của thuật toán điều khiển điện áp không đổi đó là: đối với các cấu trúc tế bào pin quang điện đa tinh thể, điểm làm việc với công suất cực đại đạt được luôn luôn gần với vị trí điện áp hở mạch của nó, khoảng ± 2%. Các yếu tố như nhiệt độ và bức xạ mặt trời sẽ làm cho vị trí của điểm công suất cực đại thay đổi thay đổi trong phạm