MPPT PLL PI_V * ref V dc V Idc dc V mppt I v I g I g V t ref I 1, 2 S S Ierro Hysteresis controler DC/AC g I V
Hình 4.13:Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a mạch điện mô phỏng.
Hình 4.14:Sơ đồ kết nối c a khối điều khiển pin năng l ợng mặt tr i.
4.1.6.1 Nguyên lí ho t đ ng c a kh i MPPT
Khối MPPT có nhiệm vụ xác định điểm làm việc có công suất cực đại c a hệ thống pin năng l ợng mặt tr i hòa đồng bộ l ới điện. Điểm công suất cực đại là điểm làm việc mà tại đó công suất thu đ ợc là lớn nhất khi các điều kiện vềc ng độ b c xạ mặt tr i và nhiệt độ c a pin không thay đổi. Khi có ánh sáng mặt tr i chiếu vào các pin năng l ợng mặt tr i, bộ pin năng l ợng mặt tr i bắt đầu hoạt động. Lúc này bộ MPPT có nhiệm vụ là xác định đ ợc giá trị điện áp mà tại đó công suất thu đ ợc từ bộ pin năng l ợng mặt tr i là lớn nhất và giá trị dòng điện hiệu dụng t ơng ng tại các điểm có các m c b c xạ mặt tr i khác nhau. Ph ơng pháp làm việc c a bộ MPPT đ ợc trình bày cụ thể các phần bên d ới.Giải thuật điều khiển INC đ ợc thể hiện trong hình 4.15.
Trang 66
Giải thuật INC hoạt động dựa trên đ ng đặc tính điện áp- công suất (V-P) c a bộ pin năng l ợng mặt tr i. P&O là giải thuật hoạt động dựa trên nguyên tắc “nhảy và so sánh”. Nghĩa là trong suốt quá trình thực hiện, giải thuật sẽ dịch chuyển liên tục điểm hoạt động c a bộ pin mặt tr i đểdò điểm hoạt động cực đại c a bộ pin năng l ợng mặt tr i.
Để mô tả quá trình làm việc c a giải thuật P&O thêm thuận tiện, luận văn x́t hai tr ng hợp chính liên quan đến c ng độ b c xạ mặt tr i là c ng độ b c xạ mặt tr i không đổi theo thơi gian và c ng độ b c xạ mặt tr i thay đổi theo thơi gian.
Trang 67
Hình 4.15:L u đồ giải thuật INC
Khi không có sự thay đổi c ng độ b c xạ mặt tr i theo thơi gian: Khi c ơng đô ̣ b c xa ̣ điê ̣n va nhiê ̣t đô ̣ hoa ̣t đô ̣ng của bộ pin mă ̣t trơi không thay đổitheo thơi gian thi đ ơng đă ̣c tuyên V-P sẽ co da ̣ng la một đ ơng cong nh thể hiê ̣n trong hinh 4.16. D ̣a trên hinh 4.16, mô ̣t sô nhâ ̣n xet cơ bản sẽ đ ợc rut ra nh sau:
- Bô ̣ pin năng l ợng mă ̣t trơi sẽ thu đ ợc công suât lơn nhât khi hoa ̣t động ta ̣i điểm C, là điểm t ơng ng vơi điê ̣n ap V3
Trang 68
- Khi điê ̣n ap của điển hoa ̣t động cang xa điê ̣n ap V 3 thì công suất thu đ ợc c a bô ̣ pin năng l ợng mă ̣t trơi cang giảm đi.
Giải thuật P&O co l u đô giải thuâ ̣t đ ợc thể hiê ̣n qua hinh 4.15. Khi ap dụng l u đô giải thuâ ̣t P &O vao đ ơng đă ̣c tuyên V-P trong hinh 4.16 có thể giải thích đ ợc rõ rang cach ma bộ MPPT luôn co thể tim đ ợc điểm công suât c ̣c đa ̣i khi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi không thay đổi.
Hình 4.16:Đặc tuyến V-P c a pin mặt tr i khi NLBXMT không đổi
Khi băt đâu hoa ̣t đô ̣ng , điê ̣n ap hoa ̣t đô ̣ng của bộ pin năng l ợng mă ̣t trơi co thể lơn hơn hay nhỏ hơn điê ̣n ap tham chiêu.
Khi điê ̣n ap băt đâu hoa ̣t đô ̣ng của bộ pin năng l ợng mă ̣t trơi nhỏ hơn điê ̣n ap tham chiêu. Giả thuyết rằng bộ pin mặt tr i bắt đầu hoạt động tại điểm B có điện áp là V2. Để th ̣c hiê ̣n giải thuâ ̣t INC, bô ̣ MPPT sẽ di ̣ch chuyển điểm hoa ̣t động của bộ pin mă ̣t trơi đi mô ̣t khoảng ΔV cho tr ơc. Lúc ban đầu do ch a cóđiện áp tr ớc đó , nên s ̣ di ̣ch chuyển co thể không xac đi ̣nh . Giả sử bộ MPPT dịch chuyển điện áp mơi đên gia tri ̣ V1 tại điểm làm việc A. Lúc này bộ MPPT xác định rằng công suất thu đ ợc tại điểm A nhỏ hơn công suất thu đ ợc từ điểm B trong khi điện áp tại điểm A nhỏ hơn điê ̣n ap ta ̣i điểm B. Theo giải thuâ ̣t INC, điê ̣n ap của bộ pin mă ̣t trơi sẽ tăng lên và bộ pin mặt tr i sẽ có điểm làm việc mới là điểm C vơi điê ̣n ap la V3.
Trang 69
So vơi điểm lam viê ̣c B thi điểm lam viê ̣c C co công suât thu đ ợc cao hơn va điê ̣n áp làm việc cũng cao hơn, theo giải thuâ ̣t INC thì bộ MPPT sẽ điều chỉnh tăng theo t ơng ng. So vơi điểm lam viê ̣c C thi đ iểm lam viê ̣c D co điê ̣n ap cao hơn trong khi đo công suât thu đ ợc la ̣i thâp hơn so vơi công suât thu đ ợc ta ̣i điểm C . Do vâ ̣y, điê ̣n ap hoa ̣t đô ̣ng của bộ pin mă ̣t trơi sẽ đ ợc điêu chỉnh thâp xuông , bô ̣ pin năng l ợng mă ̣t trơi sẽ hoạt động lại tại điểm B . t ơng t ̣ nh vâ ̣y, điểm lam viê ̣c c a bộ pin năng l ợng mặt tr i sẽ di chuyển liên tục giữa các điểm lân cận điểm công suât c ̣c đa ̣i C.
T ơng t ̣ nh vâ ̣y, nêu điê ̣n ap của điểm lam viê ̣c ban đâu c a bộ pin mặt tr i cao hơn điê ̣n ap ta ̣i điểm co công suât c ̣c đa ̣i thi vơi giải thuâ ̣t INC, bô ̣ MPPT cũng sẽ đ a điểm làm việc c a bộ pin năng l ợng mặt tr i về xung quanh điểm công suất c ̣c đa ̣i C nh tr ơng hợp điê ̣n ap của điểm lam viê ̣c ban đâu năm d ơi điểm công suât c ̣c đa ̣i ở trên.
Nh vâ ̣y, vơi tr ơng hợp không co s ̣ thay đổi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi , vơi giải thuật INC, bô ̣ MPPT sẽ luôn đ a điê ̣n ap của bộ pin năng l ợng mă ̣t trơi vê điê ̣n ap co công suât ngõ ra la lơn nhât.
Khi có sựthay đổi c ng độ b c xạ mặt tr i trong quá trình hoạt động: Trong th ̣c tê, c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi sẽ thay đổi liên tục theo thơi gian do phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau c a môi tr ơng nh thay đổi theo mua , theo thơi gian trong ngay, có bị mây che hay không… lúc này đ ng đặc tuyến c a bộ pin mặt tr i không con la mô ̣t đ ơng cong duy nhât ma no sẽ tuân theo cac đ ơng cong khac nhau khi co c ơng đ ộ b c xạ mặt t rơi khac nhau. Trong hinh 4.17 mô tả cac đ ơng đă ̣c tuyên V-P khac nhau ng vơi cac m c c ơng đô ̣ khac nhau la G 1, G2, G3, G4 nào đó.
Trang 70 MPP line A G4 G3 G2 G1 B C D F E V P V1 V3V2 Hình 4.17: Nguyên tắc hoạt động c a bộ MPPT
- Giả sử bộ pin mặt tr i đang hoạt động tại điểm A co điê ̣n ap la V 1 là điểm có công suất cực đại (MPP: maximum power point ) t ơng ng với c ng độ b c xạ mặt tr i G1
- Khi c ng độ b c xạ mặt tr i tăng lên đến G3, điện áp lúc này vẫn duy trì tại V1, tuy nhiên, điểm làm việc đư bị dịch sang vị trí B. Tại đây, khi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi đ ợc gi ̃ nguyên ta ̣m thơi, vơi viê ̣c ap dụng giải thuâ ̣t INC cho tr ơng hợp c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi không đổi trong phân tr ơc , điê ̣n ap của bô ̣pin năng l ợng mă ̣t trơi sẽ đ ợc bộ MPPT điêu chỉnh đên điê ̣n ap V 2 vơi điểm lam viê ̣c la C để thu đ ợc công suât lơn nhât của bộ pin mă ̣t trơi t ơng
ng với c ng độ b c xạ mặt tr i là G 3. Điểm lam viê ̣c sẽ đ ợc duy tri xung quanh điểm C nêu nh không co s ̣ thay đổi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi nao tiêp tục xảy ra .
- Khi c ng độ b c xạ mặt tr i giảm t G3 xuông đến G2, điện áp lúc này vẫn duy trì tại V2, tuy nhiên, điểm làm việc đư bị dịch sang vị trí D. Tại đây, khi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi đ ợc gi ̃ nguyên ta ̣m thơi , vơi viê ̣c ap dụng giải thuâ ̣t P&O cho tr ơng hợp c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi không đổi trong phân tr ơc , điê ̣n ap của bộ pin năng l ợng mă ̣t trơi sẽ đ ợc bộ MPPT điêu chỉnh đên điê ̣n ap V 3 vơi điểm lam
Trang 71
viê ̣c la F để thu đ ợc công suât lơn nhât của bộ pin mă ̣ t trơi t ơng ng vơi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi la G 2. Điểm lam viê ̣c sẽ đ ợc duy tri xung quanh điểm F nêu nh không co s ̣ thay đổi c ơng đô ̣ b c xạ mặt tr i nào tiếp tục xảy ra .
Nh vâ ̣y, khi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi tha y đổi liên tục theo thơi gian thi bô ̣ MPPT vẫn co khả năng bam sat điểm lam viê ̣c co công suât c ̣c đa ̣i t ơng ng vơi c ơng đô ̣ b c xa ̣ mă ̣t trơi t ơng ng . Viê ̣c do điểm công suât c ̣c đa ̣i nay d ̣a hoan toàn vào đặc tuyến V-P c a bộ năng l ợng mặt tr i mà không phải dùng bất c một công cụ đo l ơng nao hổ trợ thêm. Chính vì lí do này mà bộ MPPT cũng có thể hoạt đô ̣ng tôt khi cac điêu kiê ̣n môi tr ng bên ngoai bô ̣ nghi ̣ch l u bi ̣ thay đổi nh nhi ệt đô ̣, thoái hóa pin năng l ợng mặt tr i sau một th i gian dài sử dụng.
Qua công suất tính toán thu đ ợc từ bộ điều khiển MPPT, một giá trị dòng điện hiệu dụng t ơng ng đ ợc tính toán và kết quả này đ ợc dùng để xác định dòng điện bơm vào l ới điện cho bộ nghịch l u.
4.1.7 Kh i đi u khi n máy phát đi n gió
Khối điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu dòng điện, điện áp một chiều từ bộ chỉnh l u và điện áp, dòng điện do bộ nghịch l u bơm ra l ới điện phân phối và xuất ra các tín hiệu điều khiển đóng cắt cho các chuyển mạch bán dẫn IGBT.
L u đồ điều khiển c a mạch mô phỏng đ ợc thể hiện trong hình 4.18 bên d ới. Mạch điều khiển là tập hợp các khối điều khiển bao gồm các khối MPPT, PLL, PI_V, Hysteresis controller, DC/AC.
Trang 72 W in d s p ee d Wind tubin
& PMSG Converter Invertor Grid
MPPT PLL PI_V * ref V dc V Idc dc V mppt I v I g I g V t ref I 1 2 , S S Ierro Hysteresis controler LP- filter g I V X
Hình 4.18:Sơ đồ nguyên lý hoạt động c a mạchđiện mô phỏng
Hình 4.19:Sơ đồ kết nối c a khối điều khiển trong mạchmô phỏng
4.1.7.1 Nguyên lí ho t đ ng kh i MPPT c a tubin gió
Khối MPPT có nhiệm vụ xác định điểm làm việc có công suất cực đại c a hệ thống máy phát điện hòa đồng bộ l ới điện. Điểm công suất cực đại đ ợc xác định nh trong hình 4.20. Tại vận tốc gió U1 đến U4, khi công suất gió thu đ ợc nhỏhơn công suất định m c c a máy phát điện thì máy phát điện sẽ hoạt động tại vận tốc góc có thể thu đ ợc công suất tối đa từl ới điện. Khi vận tốc gió lớn hơn U4, công suất định m c c a máy phát sẽ nhỏhơn công suất cực đại thu đ ợc từ tubin gió. Bộ điều khiển lúc này có nhiệm vụ điều chỉnh máy phát điện làm việc tại điểm công suất định m c.
Trang 73
Hình 4.20:Nguyên tắc hoạt động c a máy phát điện gió
Trong mạch mô phỏng, vận tốc gió bắt đầu kh i động máy phát điện là 5 m/s, lúc này bộ điều khiển sẽ điều chỉnh vận tốc góc quay c a máy phát sao cho công suất thu đ ợc là lớn nhất. Khi vận tốc gió tăng dần, công suất cũng sẽ tăng theo bậc ba c a vận tốc gió. Khi vận tốc gió tăng đến vị trí công suất c a tubin gió v ợt m c 4000W (công suất định m c c a máy phát)thì bộđiều khiển sẽthay đổi vận tốc góc sao cho công suất thu đ ợc từ tubin gió đạt 4000W. Bộ điều khiển xác định vận tốc quay c a máy phát điện để đạt công suất lớn nhất thông qua giải thuật xác định điểm công suất cực đại P&O.
Hình 4.21:Nguyên tắc hoạt động c a giải thuật P&O
Nh đ ợc mô tả trong hình 4.21, giải thuật P&O hoạt động dựa trên đ ng đặc tính công suất-vận tốc góc quay (P-ωm).
Trang 74
Khi không có sự thay đổi vận tốc gió, bộđiều khiển MPPT sẽ xác định điểm công suất cực đại bằng việc tăng hoặc giảm vận tốc góc một khoảng m.
Khi tăng vận tốc góc, nếu công suất máy phát điện tăng lên thì ta tiếp tục tăng vận tốc góc quay c a máy phát, còn ng ợc lại nếu công suất máy phát giảm xuống thì ta sẽ giảm vận tốc góc xuống.
Khi giảm vận tốc góc, nếu công suất máy phát điện tăng lên thì ta tiếp tục giảm vận tốc góc quay c a máy phát, còn ng ợc lại nếu công suất máy phát giảm xuống thì ta sẽtăng vận tốc góc lên.
Khi có sựthay đổi vận tốc gió trong quá trình hoạt động: bộđiều khiển MPPT sẽ vận hành theo l u đồ mô tả trong hình 4.21.
Giả sửmáy phát điện đang hoạt động tại điểm A là điểm có công suất cực đại (MPP: maximum power point) với vận tốc gió U1, khi vận tốc gió tăng lên đến U3, vận tốc góc lúc này vẫn duy trì tại ωm1, tuy nhiên, điểm làm việc đư bị dịch sang vị trí B. Bộđiều khiển MPPT sẽ sẽ phát hiện sự thay đổi này và lập t c nó điều chỉnh vận tốc góc quay tăng lên theo. Sự điều chỉnh này sẽ giúp cho vận tốc góc quay c a máy phát đạt đ ợc giá trị ωm2t ơng ng với công suất cực đại thu đ ợc tại vận tốc gió U3 tại điểm C. Giá trịωm2 sẽđ ợc duy trì cho đến khi xuất hiện sựthay đổi điện áp tiếp theo.
Khi vận tốc gió thay đổi từ U3 xuống U2, vận tốc góc lúc này vẫn duy trì tại ωm2, tuy nhiên, điểm làm việc đư bị dịch sang vị trí D. Bộ điều khiển MPPT sẽ sẽ phát hiện sự thay đổi này và lập t c nó điều chỉnh vận tốc góc quay giảm xuống theo. Sự điều chỉnh này sẽ giúp cho vận tốc góc quay c a máy phát đạt đ ợc giá trị
3
m
t ơng ng với công suất cực đại thu đ ợc tại vận tốc gió U2 tại điểm F. Giá trị
3
m
sẽđ ợc duy trì cho đến khi xuất hiện sựthay đổi điện áp tiếp theo.
Theo ph ơng trình 3.26 ta thu đ ợc kết luận là điện áp ngõ ra c a mạch chỉnh l u tỉ lệ thuận với vận tốc góc quay c a máy phát điện. Do đó, việc điều chỉnh vận tốc góc quay c a máy phát điện có thểđ ợc điều chỉnh một cách gián tiếp qua việc điều chỉnh điện áp ngõ ra bộ chỉnh l u.