Sử dụng thông số của pin mặt trời ở bảng 2.1 Thông số pin quang điện NA42117 của Bosch có những thông số cơ bản đo như sau,
PPV = 250 W VOC = 37.80 V
VMPP = 30.31 V ISC = 8.72 A IMPP = 8.14 A Trong mạch ta sử dụng 5 tấm pin mặt trời mắt nối tiếp nhau, lúc đó các thông số của hệ thống pin như sau:
IMPP = IMPP = 8.14 A PV DC/D C Ri I Iref MPPT PWM
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 29
VMPP ht = nVMPP = 5 x 30.31 = 155.55 V Pht = nPPV = 5 x 250 = 1250 W
Các yêu cầu thiết kế là: điện áp ra tải Vo=310V, dao động dòng điện trên cuộn cảm, tần số đóng cắt fs = 50kHz. Giả sử bộ biến đổi là lý tưởng, suy ra:
- Công suất: Pin = P0 = 1250 W - Điện trở tải:Rt =V02
P0 = 3102
1250 = 76.88
- Dòng điện qua cuộn cảm:IL =Pin
Vin = 1250
155.55= 8.036 A - Hệ số đóng cắt của van đóng cắt: D = 1 −Vin
V0 = 1 −155.55
310 = 0.4984
- Chọn độ dao động dòng điện trên cuộn cảm
∆𝐼𝐿 = 10%𝐼𝐿 = 0.1 × 7.875 = 0.7875 A
Tính toán tụ lọc đầu ra
Chọn độ dao động điện áp: ∆V0 = 1%V0 = 0.01 × 310 = 3.1V Giá trị tụ lọc đầu ra tính theo biểu thức (3.18):
𝐶 = 𝑉0𝐷
2𝑓𝑠𝑅𝑡∆𝑉0 =
310 × 0.4984
2 × 50 × 103× 78.4489 × 3.1 = 6.3 × 10
−6𝐹 Chọn giá trị điện dung của tụ: C = 6.3 μF và chịu được điện áp 310V.
Chọn van bán dẫn
- Van đóng cắt
Chọn van đóng cắt là MOSFET tần số cao, dòng IL = 8.036A nên chọn MOSFET IRF460N có thể chịu được dòng tối đa là 19A, điện áp tối đa là 500V.
- Diode
Chọn loại diode tần số cao DO47 chịu được dòng 10A và áp 1000V. Tính cuộn kháng
Giá trị cuộn cảm được tính theo công thức (3.19)
𝐿 = 𝑉𝑔𝐷 2𝑓𝑠∆𝐼𝐿 = 155.55 × 0.4984 2 × 50 × 103× 0.7875= 9.8446 × 10 −4 Bảng thông số thiết kế mạch DC/DC L [H] C [F] Q1 (Mostfet) D 9.8446x10-4 6.3x10-6 IRF460N (Imax=19A - Vmax=500V) DO47 (Imax=10A - Vmax=1000V)
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 30
3.3 Giải thuật điều khiển công suất cực đại MPPT 3.3.1 Giới thiệu MPPT
Điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP định trên đường đặc tính I – V luôn thay đổi dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi. Chẳng hạn, hình vẽ 3.13 thể hiện đường đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25oC) và hình 3.14 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần.
Hình 3.13 Đặc tính làm việc của pin khi
cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một nhiệt độ
Hình 3.14 Đặc tính làm việc I – V của pin
khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ
Từ hai hình 3.13 và hình 3.14 ta nhận thấy có sự thay đổi điện áp quan sát được ở vị trí của điểm MPP. Vì vậy điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định. Thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT. Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của dãy pin mặt trời. Nó được đặt trong bộ điều khiển bộ biến đổi DC/DC. Các thuật toán MPPT điều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC. Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như hiệu quả định điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc độ biến đổi…
3.3.2 Thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D
Có nhiều thuật toán MPPT đã được tìm ra trong đó có 2 thuật toán thông dụng nhất là thuật toán: gây nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC). Cả 2 thuật toán P&O và INC đều có 2 phương pháp chủ yếu để thực hiện đó là phương pháp điều
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 31
khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D. Giải thuật gây nhiễu loạn và quan sát được sử dụng rất nhiều vào ứng dụng bắt điểm công suất bởi thuật toán đơn giản, hiệu suất cao trên 90%, ở đây đề tài ta có thể tìm hiểu và sử dụng trong mô phỏng của hệ thống.
Câu trúc như hình 3.15, bộ điều khiển gồm: Thuật toán MPPT điều khiển D và bộ tạo xung PWM. Bộ điều khiển lấy tín hiệu áp và dòng đưa vào thuật toán để điều khiển D cho bộ biến đổi DC/DC.
Hình 3.15 Pin mặt trời với thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Các đồ thị đặc tính của pin quang điện cho ta thấy rằng ứng với mỗi điều kiện thời tiết nhất định chỉ tồn tại duy nhất một điểm MPP, hơn nữa khi điều kiện thời tiết thay đổi thì điểm MPP cũng thay đổi theo. Như vậy để tối ưu hóa hiệu suất của PMT thì cần luôn giữ cho PMT làm việc ở điểm MPP. Bộ điều khiển bám công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracker) sẽ thực hiện nhiệm vụ đó thông qua việc điều khiển đóng mở van đóng cắt của bộ biến đổi DC/DC.
Xét tải thuần trở nên đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc là 1/R. Giả sử có 3 giá trị của tải là R1, R2, R3 thì 3 đường đặc tính I-V tương ứng sẽ có độ dốc lần lượt là 1/R1, 1/R2,1/R3. Trong số đó chỉ có đường đặc tính tải tương ứng R2 là cắt đường đặc tính I-V của PMT tại điểm MPP như hình 3.16.
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 32 I [A] V [V] Impp 0 Vmpp 1/R1 1/R2 1/R3 MPP
Hình 3.16 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải
Như vậy ứng với tải có giá trị R2 thì pin quang điện sẽ làm việc tại điểm có công suất cực đại MPP, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra một cách hết sức ngẫu nhiên. Khi điều kiện thời tiết thay đổi hoặc tải biến động, bộ MPPT sẽ làm việc để luôn bám điểm MPP dựa theo nguyên lý dung hợp tải. Khi pin quang điện mắc trực tiếp với tải thì điểm làm việc sẽ do đặc tính tải xác định, khi giá trị của tải khớp với giá trị RMPP thì công suất truyền từ PMT đến tải sẽ là lớn nhất. Công thức tính RMPP:
𝑅𝑀𝑃𝑃 =𝑉𝑀𝑃𝑃
𝐼𝑀𝑃𝑃
Trong đó:
- Rmpp: Điện trở tương ứng tại điểm MMP.
- Vmpp: Điện áp tại điểm MMP.
- Impp: Dòng điện tại điểm MMP.
Nguyên lý hoạt động được mô tả thông qua đồ thị hình 3.17a và hình 3.17b.
3.17a. Đặc tính P - V 3.17b. Đặc tính I - V
Hình 3.17 Mô tả thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Từ hình 3.17 ta thấy rằng:
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 33
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 trên hình 3.17a tức P > 0 và V > 0 tương ứng điểm hoạt động ở phía bên trái điểm MPP trên hình 3.17b. Khi đó góc nghiêng sẽ giảm để điểm hoạt động tiến về phía điểm MPP dẫn tới chu kỳ nhiệm vụ D giảm.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 tức P < 0 và V< 0 , điểm hoạt động ở phía bên trái điểm MPP. Khi đó góc nghiêng sẽ giảm dẫn tới chu kỳ nhiệm vụ D giảm.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 tức P > 0 và V < 0, điểm hoạt động phía bên phải MPP. Tương tự chu kỳ nhiệm vụ D tăng.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 tức P < 0 và V > 0, điểm hoạt động ở phía bên phải điểm MPP. Khi đó chu kỳ nhiệm vụ D tăng.
Từ những phân tích trên đây suy ra lưu đồ thuật toán như hình 3.18. Lưu đồ thuật toán
P(k) = V(k).I(k) ΔP = P(k) - P(k-1) ΔV = V(k) - V(k-1) Bắt đầu P&O Đo V(k), I(k) ΔP >0 ΔV > 0 ΔV > 0 D = D + ΔD D = D - ΔD D = D + ΔD V(k-1) = V(k) P(k-1) = P(k) Đ Đ S S S Đ D = D - ΔD
Hình 3.18 Lưu đồ giải thuật P&O [20]
Thuyết minh thuật toán:
- Đo các giá trị dòng và áp ra tại thời điểm k của PMT
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 34
- Nếu P 0và V 0 hoặc P 0và V 0 thì giảm chu kỳ nhiệm vụ D.
- Nếu P 0và V 0 hoặc P 0và V 0 thì tăng chu kỳ nhiệm vụ D.
- Cập nhật các giá trị dòng điện và công suất rồi thực hiện chu trình tiếp theo.
3.3.3 Thuật toán bám điểm công suất cực đại INC điều khiển trực tiếp D
Thuật toán này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính PMT bằng 0 tại điểm MPP, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP, điều này được mô tả trong hình 3.19 dưới đây.
P [W] V [V] 0 dP dV > 0 dP dV < 0 dP dV = 0 Tăng V Giảm V
Hình 3.19 Mô tả thuật toán INC trên đồ thị PV
Từ đó suy ra: dP 0 dV = , tại MPP dP 0 dV , bên trái MPP dP 0 dV , bên phải MPP Vì dP d IV( ) VdI V I I I dV dV dV V = = + +
nên các biểu thức trên tương đương:
I I V V = − , tại MPP I I V V − , bên trái MPP I I V V − , bên phải MPP
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời -V/I với điện dẫn gia tăngV /I, thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Lưu đồ thuật toán được thể hiện như hình 3.20
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 35 ΔI = I(k) - I(k-1)
ΔV = V(k) - V(k-1) Bắt đầu INC Đo V(k), I(k) ΔV = 0 ΔI = 0 D = D + ΔD D = D + ΔD D = D - ΔD V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k) Đ Đ S S S Đ D = D - ΔD ΔI > 0 S Đ Đ S - I V ΔI ΔV= - I V ΔI ΔV>
Hình 3.20 Lưu đồ thuật toán INC [23]
Thuyết minh lưu đồ thuật toán:
- Đo điện áp, dòng điện tại thời điểm thứ k
- Tính sai lệch =I I(k)−I(k 1)− và =V V(k)−Vk 1)−
- Kiểm tra mẫu số V
- Nếu =V 0 đồng thời =I 0, khi đó hệ đang làm việc tại điểm MPP.
- Nếu =V 0và I 0 tương ứng khi cường độ BXMT tăng, lúc đó công suất tăng. Để bám theo kịp điểm MPP thì cần giảm chu kỳ nhiệm vụ D.
- Nếu =V 0 và I 0 ứng với cường độ BXMT giảm, lúc đó công suất giảm. Để bám theo kịp điểm MPP thì cần tăng chu kỳ nhiệm vụ D.
- Nếu V 0 và I I V V = −
lúc này hệ đang hoạt động tại điểm MPP. - Nếu V 0 và I I
V V −
, điểm hoạt động của hệ đang nằm ở vị trí phía bên trái
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 36
- Trường hợp V 0 và I I V V −
, tương ứng điểm hoạt động của hệ đang nằm
bên phải điểm MPP, do đó cần tăng góc Rtd(D, Rt) tức tăng chu kỳ nhiệm vụ D.
- Cập nhật các giá trị điện áp và dòng điện rồi thực hiện chu trình tiếp theo.
3.4 Mô phỏng bộ biến đổi Boost kèm giải thuật MPPT (P&O) 3.4.1 Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost
Ở phần mô phỏng hệ thống ta có thể sử dụng cách thứ hai là áp dụng các công thức tính toán theo phương trình đặc trưng I-V của pin mặt trời. Khi ấy, việc lấy tín hiệu dòng tín hiệu áp đưa vào mạch MPPT để tạo xung điều khiển D mà ta đã đề cập ở chương 2 sẽ có phần thuận lợi hơn. Áp dụng các công thức và cách mô phỏng trong bài báo [4], ta xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống ở hình 3.21. Bộ băm xung áp được sử dụng để đưa vào đóng cắt Mosfet được trình bày ở hình 3.22.
Hình 3.21 Mô hình mô phỏng pin quang điện và bộ biến đổi Boost
Hình 3.22 Mô hình mô phỏng thuật toán PWM
Hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost không sử dụng thuật toán MPPT nên tỷ số chu kỳ D phải được cho trước, ở đây tỷ số chu kỳ D được cho bằng 0.4984. Ta cài giá trị cường độ ánh sáng đầu vào hệ thống pin mặt trời ban đầu được cho là 1000
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 37
W/m2 đến thời điểm 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng là 800 W/m2 và tiếp sau 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng tăng lên lại là 900 W/m2. Các số liệu tính toán mạch Boost sử dụng ở mục 3.2.3. Công suất pin sử dụng ở chương 2 mục 2.2.2.
Giá trị điện áp đầu vào bộ biến đổi đáp ứng theo cường độ chiếu sáng thay đổi như hình 3.23.
Hình 3.23 Điện áp đầu vào bộ biến đổi DC/DC khi không dùng giải thuật MPPT
Giá trị điện áp trung bình đầu vào ở hình 3.23 đo được tại các thời điểm: - Tại cường độ chiếu nắn 1000W/m2: V = 144,1 V
- Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V = 129.6 V - Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V = 138.5 V
Giá trị điện áp đầu vào thay đổi nhanh đáp ứng theo độ chiếu nắng. Như vậy bộ pin quang điện ta dùng mô phỏng hoạt động khá hiệu quả. Độ chiếu nắng giảm từ 1000W/m2 xuống 800W/m2 và trở lên lại 900W/m2 làm điện áp đầu vào thay đổi giảm và tăng theo giá trị tương ứng như số liệu đã trình bày. Từ kết quả đo giá trị trung bình trên mô phỏng ta có được điện áp đầu vào giảm và tăng theo cường độ chiếu nắng tác động. Tại thời gian thay đổi giá trị độ chiếu nắng mô phỏng điện áp ra không giảm ngay mà có đoạn đáp ứng sự chuyển tiếp. Vậy khi vận hành mạch sẽ không bị sốc đột ngột khi ánh nắng tăng giảm.
Ta lấy giá trị điện áp đầu ra của bộ biến đổi tại hình 3.23. Việc tăng giảm độ chiếu nắng đầu vào kéo theo sự tăng giảm điện áp đưa vào bộ biến đổi và đầu ra của bộ biến đổi có sự thay đổi tương ứng về mặt hình dáng. Mạch Boost thể hiện sự hoạt động chính xác của mạch làm tăng áp đầu ra của bộ biến đổi tương ứng với cường độ chiếu nắng
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 38
thay đổi. Mô phỏng thấy được mạch Boost đã làm được chức năng của nó là tăng điện áp đầu từ điện áp sau pin quang điện để cấp vào tải.
Hình 3.24 Điện áp đầu ra bộ biến đổi DC/DC khi không dùng giải thuật MPPT
Giá trị điện áp trung bình đầu vào ở hình 3.24 đo được tại các thời điểm: - Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V = 286 V
- Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V = 257 V - Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V = 275 V
Công suất của hệ thống khi ta giữ cố định D và không dùng giải thuật MPPT so sánh với công suất lớn nhất của pin tại từng thời điểm nhiệt độ cố định. Ta lấy được kết quả so sánh ở hình 3.25.
Hình 3.25 Công suất hệ thống khi không có giải thuật MPPT
Công suất lớn nhất tại các thời điểm:
HVTH TRƯƠNG THANH HIẾU - 1780628 39
- Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: P = 910 W - Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: P = 1011 W
Ta có thể tính hiệu suất của hệ thống như sau: =𝐼𝑃𝑉×𝑉𝑃𝑉