3.1.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP)
Điểm công suất cực đại MPP (Maximun Power Point), tức là điểm làm việc hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được. Do sự thay đổi theo nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP. Xét một đường cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện trở thuần R, thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và có độ dốc với trục 0V với tgα =1/R; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và R là điểm làm việc. Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho tải, nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của PV được cung cấp cho tải. Như vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất.
Do đó, ở mỗi điểm làm việc khác nhau ta sẽ có một công suất khác nhau, vấn đề là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất.
Hình 3.1 Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ
Để đơn giản vấn đề xét tải là một điện trở, có công thức Ohm mô tả như sau:
1 . or V I R I V R (3.1)
Khi kết nối tải với nguồn PV, ta sẽ có điểm làm việc là giao điểm của 2 đường đặc tính như hình vẽ sau:
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 33 Hình 3.2 Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R
Hình 3.3 Điểm MPP của PV.
Ta thấy rằng cùng với một pin PV hoạt động dưới điều kiện nhất định, khi thay đổi tải khác nhau ta thu được các điểm làm việc khác nhau, tương ứng là các công suất thu được khác nhau P = U x I.
Trong vô số điểm làm việc khác nhau, có một điểm mà tại đó công suất thu được cực đại ta gọi là điểm MPP, tương ứng với nó là các thông số Vm, Im, Pm.
Nếu giữ cố định điện trở ta thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ta thu được một họ các đường đặc tính PV, và đồng thời cũng có vô số các điểm làm việc khác
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 34 nhau. Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực đại.
Hình 3.4 Các điểm làm việc của tải thuần trở.
3.1.2 Bộ điều khiển MPPT
Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều này người ta dùng bộ dò tìm MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều khiển bộ DC/DC để đạt được điểm làm việc này.
Thực tế bộ MPPT là một khối nhận lấy các tín hiệu của pin PV (dòng, áp) sau đó dùng các thuật toán khác nhau để xác định điểm làm việc MPP và truyền các tín hiệu điều khiển này điều khiển đóng cắt bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC để thu được công suất lớn nhất.
Điểm MPP thường nằm ở khủy của đường cong (I,V) của pin PV. Sau khi hệ MPPT tính toán được điểm MPP sẽ đưa tín hiệu điều khiển về điều khiển đóng cắt bộ DC/DC.
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 35 Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter.
3.1.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter)
Có nhiều loại DC/DC converter được sử dụng tùy thuộc vào hệ thống PV và tải. Nếu hệ thống PV có điện áp lớn và tải có điện áp nhỏ bộ Buck converter sẽ được sử dụng, ngược lại sẽ dùng bộ Boost converter. Nếu muốn điều khiển cả tăng giảm điện áp bộ Buck-Boost converter sẽ được sử dụng. Sau đây sẽ trình bày tóm tắt về bộ Buck-Boost converter:
Hình 3.6 Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter). Ta phân tích hai trạng thái đóng ngắt của bộ Buck_Boost Converter:
Hình 3.7 Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter.
Khi khóa (Mosfet) đóng điện áp Vi xuyên qua cuộn dây, dẫn toàn bộ dòng nguồn lúc này là IL chạy qua cuộn dây. Trong suốt thời gian này năng lượng được tích tụ trên cuộn dây. Nếu khóa vẫn còn đóng, cuộn dây sẽ dẫn dòng ngắn mạch và pin quang điện sẽ phát ra dòng ngắn mạch và điện áp bằng zero.
Khi khóa mở dòng vẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây nhưng lúc này năng lượng tích lũy trong cuộn dây bắt đầu giảm đi (dòng chạy qua cuộn dây không thể thay đổi
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 36 đột ngột). Dòng lúc này sẽ chạy qua diode, tụ điện và tải, dòng cuộn dây sẽ nạp cho tụ một điện áp (phân cực ngược) cấp cho tải để có thể duy trì năng lượng trên tải khi khóa đóng lại.
Nếu khóa đóng cắt đủ nhanh thì dòng trên cuộn dây không thể giảm nhiều. Với khóa đóng cắt đủ nhanh và cuộn dây đủ lớn mạch có thể thiết kế với dòng cuộn dây gần như là hằng số.
Nếu khóa đóng cắt đủ nhanh thì điện áp trên tụ không thể thay đổi nhiều. Tương tự ta cũng có thể thiết kế được mạch với điện áp tụ gần như là hằng số.
Cuối cùng chúng ta cần nói đến chu kỳ đóng cắt của switch (D). Nó ảnh hưởng trực tiếp giữa điện áp vào và ra của bộ chuyển đổi. Với bộ buck_boost converter ta có:
Hình 3.8 Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter.
- Khi switch đóng trong khoảng thời gian từ t = 0 đến t = DT , điện áp trên L là Vi.
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 37 (3.2) Với điều kiện dòng qua L là một hằng số, ta có công suất qua L như sau:
(3.3) - Khi switch mở năng lượng trên L bắt đầu xả ra. Diode bắt đầu dẫn điện áp trên L cung cấp cho tải V0.
Khi đó ta có công suất trên tải:
(3.4) Với điều kiện lý tưởng thì V0 và IL là hằng số lúc đó Pout là:
(3.5) Từ (3.4) & (3.5) ta có:
(3.6) Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta có thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn nhờ điều chỉnh D và áp ra có cực tính ngược với áp đầu vào. Mạch công suất là mạch tăng áp nên áp ra có thể lớn hơn áp vào. DT L i DT L i in V I dt T dt I V T P 0 0 1 1 D I V dt I V T P i L DT L i in 0 1 T DT L DT L L out V I dt T dt I V T P 0 0 1 1 ) 1 ( ) ( 1 0 0I T DT V I D V T Pout L L ) 1 ( 0 D D V V i
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 38 Hình 3.9 Sơ đồ khối hệ thống PV có MPPT
Công suất của PV được xác định bằng tích số của hai giá trị IPV và VPV. Bộ MPPT xác định giá trị điện áp Vref (hoặc độ rộng xung) nhằm điều khiển bộ biến đổi năng lượng DC-DC sao cho điện áp DC đặt lên tải thay đổi để thay đổi được công suất tiêu thụ phù hợp với công suất cực đại của PV.
3.2 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) 3.2.1 Xáo trộn và theo dõi P&O 3.2.1 Xáo trộn và theo dõi P&O
Đây là thuật toán thường được dùng nhất để tìm điểm công suất cực đại, nó dựa vào việc làm thay đổi điện áp và theo dõi tỷ số dP/dt. Dấu của đạo hàm điện áp cho biết điện áp tăng hay giảm và điện áp có thể giảm hoặc tăng tới khi đạt được điểm công suất cực đại và lúc đó đạo hàm bằng 0. Bởi vì thuật toán này dựa trên việc thay đổi, nên sẽ có sự dao động thậm chí khi đạt được điểm công suất cực đại.
Thuyết minh thuật toán P&O (hình 3.10):
- 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
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 39 Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán P&O.
* Nhược điểm của thuật toán P&O:
Theo lưu đồ trên (hình 3.10) ta thấy thuật toán P&O phụ thuộc rất lớn vào thời gian lấy mẫu so sánh. Trong trường hợp cường độ chiếu sáng không đổi giải thuật P&O hoạt động rất tốt khi truy tìm điểm cực đại. Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi thuật toán P&O sẽ sai bởi vì hệ MPPT không hiểu được công suất tăng do thay đổi cường độ chiếu sáng chứ không phải do sự dao động điện áp khi làm việc. Kết quả là thuật toán sẽ giảm điện áp hoặc tăng điện áp liên tục do nhận thấy công suất đo lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu.
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 40 Hình 3.11 PV đặc điểm điều khiển
Giải thuật P&O vốn dựa vào quan hệ V-P của PV, bên trái điểm cực đại (MPP) dP/dV >0, trong khi ở bên phải điểm MPP, dP/dV < 0. Nếu điện áp vận hành của PV được đi theo hướng dP/dV>0, điều này cho thấy PV đang đi đến điểm MPP, ngược lại nếu đi theo hướng dP/dV < 0, điểm làm việc đã đi qua điểm MPP, khi đó giải thuật P&O sẽ đảo chiều (H.3.11). Vì vậy giải thuật này có nhiều mặt hạn chế như luôn luôn giao động quanh điểm MPP, đáp ứng chậm, và có thể đáp ứng sai dưới các điều kiện môi trường thay đổi (H.3.12). Khi bức xạ thay đổi PV chuyển đường đặc tuyến thấp lên đặc tuyến cao. Khi đó ΔP = (Pk+1 - Pk) > 0 và ΔV > 0, giải thuật tiếp tục tăng Vref làm cho điểm làm việc ngày càng xa điểm MPP.
Ta xét một hệ PV phát năng lượng về lưới điện:
Khi chiếu độ tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 sang P2 (hình 3.12) Giả sử ở thời điểm k hệ MPPT đang điều khiển PV hoạt động ở điểm A, thời điểm k+1 chiếu độ tăng nhanh. Lúc đó P[k+1] > P[k] và giả sử điện áp lúc đó V[k+1] > V[k] , thì theo thuật toán P&O hệ MPPT sẽ tăng điện áp lên và lúc đó điểm làm việc sẽ là điểm C (không phải điểm cực đại)
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 41 Hình 3.12 Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O.
Ta nhận thấy nguyên nhân dẫn đến sự hoạt động sai của thuật toán P&O là không phân biệt được sự thay đổi công suất do thay đổi điện áp với sự thay đổi công suất do thay đổi cường độ chiếu sáng.
Yêu cầu đề ra để giải quyết sự hoạt động sai này là:
1. Thuật toán MPPT chỉ hoạt động hiệu quả khi không có sự thay đổi chiếu độ (trên cùng một đường cong công suất)
2. Khi có sự thay đổi chiếu xạ thay đổi thì giữ nguyên điện áp đang hoạt động ở điểm MPP cũ đến khi chiếu xạ ổn định thì mới tiếp tục truy tìm MPP theo điện áp.
3.2.2 Thuật toán điều khiển điều khiển logic mờ (FLC): 3.2.2.1 Phương pháp điều khiển: 3.2.2.1 Phương pháp điều khiển:
Khi thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ta thu được một họ các đường đặc tính PV. Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực đại . Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều này người ta dùng bộ MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều khiển bộ dc/dc để đạt được điểm làm việc này hình 3.13. Bộ MPPT có tác dụng theo dõi dòng điện và điện áp hiện hành để điều khiển công suất cấp cho tải là lớn nhất, bất kể nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi. Bộ điều khiển MPPT phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Điểm vận hành của PV càng gần điểm MPP càng tốt, không phân biệt sự thay đổi của khí quyển.
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 42
- Chi phí thấp và hiệu suất cao.
- Cung cấp công suất đầu ra phù hợp với yêu cầu tải.
Hình 3.13 Sơ đồ khối của bộ MPPT
Trong nghiên cứu của luận văn sử dụng bộ bộ điểu khiển logic mờ (FLC) (FLC: fuzzy logic controller) để theo dõi điểm MPP của hê thống PV. Bộ điều khiển logic mờ (FLC) làm việc với hiệu suất cao, chắc chắn và thiết kế đơn giản. Ngoài kỹ thuật FLC làm việc với đầu vào không chính xác, không cần một mô hình toán học chính xác và nó có thể xử lý phi tuyến. Nó dựa trên kiến thức và kinh nghiệm của người dùng chứ không phải là sự hiểu biết kỹ thuật của hệ thống. Các khối chính của FLC (hình 4-2) bao gồm: Hai biến rõ đầu vào sai số E và sự thay đổi của sai số CE tại k lần lấy mẫu xác định theo biểu thức (4.1) và (4.2); mờ hóa (Fuzzification); các qui tắc điều khiển mờ (rules); suy diễn mờ (inference); giải mờ (defuzzification); biến ra là tỷ số độ rộng xung D.
Hình 3.14 Sơ đồ khối của bộ FLC ( 1) ( 1) ph ph ph ph P k P k E k V k V k (3.7) 1 CE k E k E k (3.8) Pin quang điện Bộ chuyển đổi DC-DC Bộ điều khiển MPPT Tải D Mờ hóa (Fuzzification) Suy diễn mờ (Inference) Giải mờ (Defuzzification) Các qui tắc (Rules) E(k) CE(k) ΔD
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 43 Trong đó:
- Pph(k): Công suất tức thời của PV.
- Vph(k): Điện áp của PV
Đầu vào E(k) thể hiện tại thời điểm k điểm làm việc nằm bên trái hoặc bên phải điểm MPP, trong khi đầu vào CE (k) thể hiện hướng di chuyển của thời điểm này.
3.2.2.2. Giải thuật:
Hình 3.15 Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC
3.3.5.3. Qui tắc điều khiển mờ:
Mục đích của điều khiển là xác định điểm làm việc MPP bất kể nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi. Suy luận mờ sử dụng phương pháp Mamdani và dựa vào luật hợp thành mờ, rất dễ dàng xây dựng lên tới 25 quy tắc điều khiển như thể hiện trong Bảng
3-1. Bắt đầu V(k), I(k), P(k) E(k), CE(k) D(k)=D(k-1)+ΔD V(k-1), I(k-1), P(k-1) Ngõ vào hàm thành viên (Input membership functions)
Danh sách quy tắc
(Rule list)
Ngõ ra hàm thành viên (Input membership functions)
Mờ hóa (Fuzzification) Đánh giá quy tắc (Rule evaluation) Giải mờ (Defuzzification) Dữ liệu cơ bản Trở lại
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 44 Bảng 3.1 Bảng chọn tỷ số D của FLC
Mỗi quy tắc điều khiển từ bảng 3.1 có thể được mô tả bằng cách sử dụng các biến đầu vào là sai số E, thay đổi sai số CE và biến đầu ra D. Từ đó xây dựng được ma trận quan hệ mờ R như trong biểu thức 3.34:
Ri: nếu E là Ai và CE là Bi thì D là Di (3.9) Trong đó: Ai, Bi, là các giá trị đầu vào biến mờ E, CE thứ i của bảng 4.1
Di là giá trị đầu ra rõ tương ứng với đầu vào thứ i
Theo bảng 4.1 và biểu thức (3.34) ta có 25 qui tắc điều khiển như sau:
Phép suy diễn mờ trong ứng dụng này áp dụng qui tắc Mamdani dựa trên luật hợp thành min-max. Các giá trị A, B, và D phụ thuộc các hàm thành viên µA(E), µB(CE) và µD(D) tương ứng. Các giá trị các hàm thành viên Hi tại vị trí thứ i theo qui tắc hợp thành min.
Gọi Hi là độ phụ thuộc của E và CE vào các giá trị ngôn ngữ đầu vào ta có:
Hi = min(µAi(E), µBi(CE)) (3.10) Gọi Hi là độ phụ thuộc của E và CE vào các giá trị ngôn ngữ đầu vào ta có: Gọi Ri ma trận đầu ra theo luật điều khiển ta có:
Ri = min(Hi, µDi(D)) (3.11) Hợp mờ sử dụng phương pháp tiêu chuẩn max. Bằng phương pháp này giá trị tối ưu rõ nét đầu ra được sử dụng để điều khiển đóng cắt bộ DC - DC.
25
j i
i=1
HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 45
3.2.2.4 Giải mờ:
Để thực hiện giải mờ ta chọn phương pháp giải mờ thông dụng là phương pháp điểm trọng tâm để tính toán giá trị rõ nét đầu ra của FLC là tỷ số độ rộng xung, biểu thức .
Toàn bộ hệ thống logic mờ đươc thể như hình . Mờ hóa tổ hợp với mỗi biến đầu vào để xác định qui tắc điểu khiển mờ. Sau đó giải mờ được áp dụng để suy giá trị rõ