Phương pháp P&O mờ thích nghi là phương pháp MPPT cải tiến dựa trên phương pháp P&O kinh điển và phương pháp FLC với các ưu điểm như: cho phép điều chỉnh linh hoạt các bước nhiễu loạn của thuật toán P&O kinh điển, vận hành ổn định trong toàn vùng làm việc của nguồn năng lượng mặt trời.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời Input: Vk, Ik Pk = Vk × Ik P k-1 = V k-1 × I k-1 YES Pk – Pk-1 = 0 Ik-1 = Ik × Ik-1 Vk-1 = Vk × Vk-1 Pk-1 = Vk-1 × Ik-1 ∆P ∆V Fuzzy logic ∆ D
NO YES Vk – Vk-1 > 0 YES D=D+D D=D-D D=D- D D=D+D I k-1 = I k V k-1 = V k
Hình 2.19: Lưu đồ thuật toán P&O mờ thích nghi
Thuật toán P&O mờ thích nghi gồm hai vòng điều khiển: vòng điều khiển thuật toán P&O kinh điển và vòng điều khiển thuật toán FLC, bộ điều khiển của vòng lập mờ thích nghi FLC được xây dựng dựa trên bảng luật mờ với các thông số ngõ vào là các giá trị ∆P, ∆V và thông số ngõ ra là giá trị ∆D được hiệu chỉnh.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Hình 2.20: Sơ đồ khối Fuzzy logic
Điện áp tham chiếu được coi là phần tử nhiễu do đó để hạn chế giá trị ∆V bị nhiễu bằng cách trừ hoặc thêm bước biến đổi theo sự thay đổi của công suất đầu ra PV thu được. Bước này được tính bởi khối FLC thích nghi, nó có vai trò điều chỉnh giá trị ∆ D phù hợp với vị trí điểm vận hành dựa trên bảng luật mờ được cho ở Bảng 2.2 bên dưới. Giá trị bước thay đổi tỷ lệ thuận với khoảng thời gian giữa điểm vận hành và điểm MPP. Quá trình này sẽ tiếp tục cho đến khi đạt đến điểm MPP.
Bảng 2.2: Bảng quy luật điều khiển [7]
∆ V ∆P NB ZE PS PM PB
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
CHƯƠNG 3
KHẢO SÁT VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG 3.1. Khảo sát hệ thống
Hệ thống điện Mặt Trời tại thư viện khoa Công Nghệ có tổng công suất là 15kW, được thiết kế theo hệ thống GTS (Grid Tie Solar). Hệ thống sử dụng 60 Solar panels, chia làm 3 pha mỗi pha 20 Solar panel. Hệ thống sử dụng bộ Grid Tie Solar Inverter 6kWp cho mỗi pha để cung cấp cho tải và hòa vào lưới điện 220V/50Hz.
Hình 3.1: Mô hình hệ thống điện Mặt Trời tại thư viện khoa Công Nghệ
3.1.1. Hệ thống Solar cell
Hệ thống điện mặt trời tại thư viện khoa Công Nghệ sử dụng tấm Solar Panel RS-P630-250W được phân phối bởi Công ty cổ phần năng lượng Mặt Trời Đỏ (Red Sun Enery Joint Stock Co) có thông số như sau:
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
Solar Panel RS-P630-250W Rated Maximum Power
Current at Pmax Voltage at Pmax Short-Circuit Current Open-Circuit Voltage Power Tolerence Weight: Dimensions:
Maximum System Voltage:
Maximum Series Fuse Rangting: 10A
Hình 3.2: Thông số tấm Solar Panel RS-P630-250W
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
3.1.2. Bộ nghịch lưu DC-AC
Hệ thống sử dụng bộ Grid - Tied Solar Inverter 6kWp cho mỗi pha để cung cấp cho tải và hòa vào lưới điện.
Hình 3.4: Bộ Grid – Tie Solar Inverter 6kWp
Thông số của bộ Grid – Tie Solar Inverter 6kWp được trình bài trong Bảng 3.1 được cung cấp từ nhà sản xuất Công ty TNHH sản xuất & thương mại cơ điện – điện tử Việt Linh.
Bảng 3.1: Thông số bộ Grid – Tie Solar Inverter 6kWp
TT
Thông số kết nối với pin mặt trời (DC)
1
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
4
5
6 Dòng vào lớn nhất (1 kênh)
7
Thông số kết nối với điện lưới (AC)
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
3.1.3. Bộ điều khiển trung tâm
Hệ thống điện Mặt Trời tại thư viên khoa Công Nghệ sử dụng phần mềm giám sát Năng lượng hệ thống Grid - Tie Solar Inverter (GMS - V2.20) có chức năng kết nối truyền thông đến các thiết bị hòa lưới điện Mặt Trời (ATS ® Grid - Tie Solar Inverter, Enery Meter,…) về máy tính trung tâm để giám sát và lưu trữ các thông số điện năng dưới dạng sơ đồ, bảng biểu hoặc đồ thị.
Hình 3.5: Giao diện phần mềm GMS- V2.20 3.2. Mô phỏng hệ thống
Hệ thống điện mặt trời tại thư viện khoa được mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink với bộ MPPT sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi nhằm so sánh khả năng đáp ứng của bộ điều khiển MPPT trong các trường hợp.
Thông số tấm pin ở mỗi pha:
Công suất cực đại của tấm pin: Pmax = 250W Điện áp ở công suất cực đại: Vmpp = 29.6V Dòng điện ở công suất cực đại: Impp = 8.45 V Điện áp hở mạch: Voc = 37V
Dòng điện ngắn mạch: Isc = 9.02 A Số tấm pin mắc nối tiếp nP = 10 Số tấm pin mắc song song nS = 2
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
3.2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC
Đầu vào bộ chuyển đổi DC/DC là điện áp DC phát ra từ tấm PMT (Vin+,Vin-). Tín hiệu điện áp và dòng điện phát ra từ tấm pin được đưa đến bộ MPPT chuyển thành tín hiệu PWM để điều khiển khóa điện tử IGBT.
Hình 3.6: Sơ đồ mạch tăng áp
Bộ điều khiển MPPT sử dụng cả hai thuật toán điều khiển P&O kinh điển và phương pháp P&O mờ thích nghi với đầu vào là giá trị điện áp và giá trị dòng điện của tấm PMT được lấy từ các sensor, đầu ra là giá trị D (duty cycel).
Sơ đồ bộ điều khiển MPPT được thể hiện như hình bên dưới:
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
Hình 3.8: Phương pháp P&O mờ thích nghi
3.2.2. Bộ chuyển đổi DC/AC
Mạch động lực của bộ chuyển đổi DC – AC sử dụng mạch nghịch lưu cầu một pha đầu vào là điện áp một chiều phát ra từ bộ tăng áp DC/DC, đóng cắt bằng khóa công suất.
Chương 3: Khảo sát và mô phỏng hệ thống
3.3. Thu thập số liệu
Số liệu CĐBX và công suất được trình bài như Bảng 3.2 bên dưới, được lấy từ bộ điều khiển trung tâm tại phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo (Thư viên Khoa Công Nghệ) ngày 07/11/2019 (từ 9h03 đến 9h22). Số liệu CĐBX cho trong bảng sẽ được dùng để mô phỏng hệ thống từ đó so sánh công suất ngõ ra của tấm PMT khi mô phỏng bằng hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi với với công suất thực tế đo đạt được.
Bảng 3.2: Cường độ bức xạ và công suất thực tế
Thời gian 09:03 09:04 09:05 09:06 09:07 09:08 09:09 09:10 09:11 09:12
Chương 4: Kết quả mô phỏng
CHƯƠNG 4
KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Hệ thống được mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulink với bộ MPPT sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi nhằm so sánh khả năng đáp ứng của bộ điều khiển MPPT trong các trường hợp với nhiêt độ không đổi T = 25°C với các thông số ngõ ra bên dưới:
Công suất cực đại P = 5000W
Điện áp ở công suất cực đại V = 296V Dòng điện ở công suất cực đại I = 16.9A
Sơ đồ tổng quát hệ thống được thể hiện như Hình 4.1.
Hình 4.1: Hệ thống điện mặt trời 5kW
4.1. Trường hợp cường độ bức xạ ở điều kiện tiêu chuẩn
Để đánh giá độ ổn định của cả hai phương pháp ta tiến hành mô phỏng hệ thống ở điều kiện tiêu chuẩn với cường độ bức xạ S = 1000 W/m2 nhiệt độ T = 25°C với tải có công suất 1000W thời gian chạy mô phỏng là 5 phút.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.2: Công suất ngõ ra của tấm pin
Phương pháp P&O
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.4: Dòng điện ngõ ra của tấm pin
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.6: Công suất tải tiêu thụ Nhận xét:
Với điều kiện trên ta thấy rằng lúc này tấm PMT nhận được CĐBX đủ để phát ra công suất cực đại. Từ kết quả trên cho thấy rằng cả hai thuật toán P&O và P&O mờ thích nghi đều làm việc ổn định chứng minh thuật toán điều khiển MPPT sử dụng là chính xác với độ ổn định cao.
4.2. Trường hợp cường độ bức xạ thay đổi theo lý thuyết
Bức xạ giảm từ 1000 – 250 W/m2 từ giây 0.4 – 0.9s và 1.9 – 2.0s và bức xạ tăng từ 250 – 1000 W/m2 từ giây 1.3 -1.4s và 2.3 – 2.6s với thời gian chạy mô phỏng là 3s ở nhiệt độ cố định 25°C.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Hình 4.7: Bức xạ thay đổi theo lý thuyết
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.8: Công suất ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.8 trình bày công suất ngõ ra của tấm PMT ở điều kiện CĐBX thay đổi ngẫu nhiên. Ta thấy rằng công suất phát ra khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi có độ ổn định cao hơn, hệ thống đáp gần như là cùng lúc khi CĐBX tăng với độ dao động ổn định quanh điểm MPP. Quá trình bức xạ giảm hệ thống vẫn làm việc ổn định. Sự chênh lệch công suất là rất nhỏ. Ngược lại phương pháp P&O có xu hướng giảm công suất ở các vị trí cường độ bức xạ giảm nhanh (giây thứ 0.9 và giây thứ 2).
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.9: Điện áp ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.9 trình bày điện áp ngõ ra của tấm PMT khi CĐBX thay đổi ngẫu nhiên. Ta thấy rằng tại những vị trí CĐBX tăng nhanh hoặc giảm nhanh thì phương pháp P&O có độ dao động mạnh dẫn đến việc giảm giá trị điện áp điều này sẽ gây mất ổn định cho hệ thống. Còn phương pháp P&O mờ thích nghi thì tương đối ổn định với độ dao động tương đối thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.10: Dòng điện ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.10 trình bày dòng điện ngõ ra của tấm PMT khi CĐBX thay đổi ngẫu nhiên. Dòng điện ngõ ra khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi luôn ổn định khi CĐBX tăng hoặc giảm. Ngược lại dòng điện khi sử dụng phương pháp P&O luôn dao động và không ổn định khi CĐBX tăng nhanh hoặc giảm nhanh.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.11: Điện áp ngõ ra mạch tăng áp Nhận xét:
Hình 4.11 trình bày điện áp ngõ ra mạch tăng áp khi CĐBX thay đổi theo thực tế. Qua kết quả trên ta thấy dù CĐBX thay đổi nhưng điện áp ngõ ra mạch tăng áp luôn giữ ổn định.
Kết luận: Từ kết quả trên ta thấy rằng hệ thống làm việc tương đối ổn định với cả hai phương pháp tuy nhiên phương pháp P&O mờ thích nghi có một số ưu điểm vượt trội so với phương pháp P&O kinh điển như: thời gian đáp ứng của hệ thống sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi (0.03s) nhanh hơn phương pháp P&O (0.07s) hệ thống đáp gần như là cùng lúc khi CĐBX tăng với độ dao động ổn định quanh điểm MPP. Quá trình bức xạ giảm hệ thống vẫn làm việc ổn định. Sự chênh lệch công suất là rất nhỏ. Độ dao động điện áp rất thấp khi CĐBX thay đổi.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Từ số liệu Bảng 3.1 ta vẽ lại đường cong bức xạ thực tế được trình bày như Hình 4.12 bên dưới.
Hình 4.12: Bức xạ thay đổi theo thực tế
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.13: Công suất ngõ ra của tấm pin
Từ kết quả mô phỏng trên ta thu được công suất mô phỏng của khi sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi so với công suất thực đo được từ hệ thống được trình bày như bảng bên dưới:
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Bảng 4.1: Công suất theo bức xạ thực tế
Nhận xét:
Hình 4.13 trình bày công suất ngõ ra của tấm PMT khi CĐBX thay đổi theo thực tế. Ta thấy rằng công suất ngõ ra của tấm pin khi sử dụng phương pháp P&O mờ thích nghi ổn định (không có những gợn sóng) hơn phương pháp P&O, giá trị công suất mô phỏng gần bằng với số liệu thực tế với độ chênh lệch không quá ±10 W, hệ thống vẫn làm việc ổn định khi CĐBX xuống thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.14: Điện áp ngõ ra của tấm pin Nhận xét
Hình 4.14 trình bày điện áp ngõ ra của tấm pin khi sử dụng cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi với điều kiện CĐBX đổi theo thực tế. Qua kết quả trên ta thấy rằng phương pháp P&O khi CĐBX thay đổi thì điện áp ra dao động dẫn đến những gợn sóng như trên hình với độ dao động điện áp là ± 3V, đường cong khi sử dụng thuật toán P&O thích nghi là một đường thẳng, hệ thống luôn ổn định khi CĐBX tăng hoặc giảm.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.15: Dòng điện ngõ ra của tấm pin Nhận xét:
Hình 4.15 trình bày dòng điện ngõ ra của tấm pin khi CĐBX thay đổi theo lý thuyết. Ta thấy rằng đường cong dòng điện khi sử dụng thuật toán P&O có những gợn sóng khi CĐBX giảm, còn hệ thống dùng thuật toán P&O mờ thích nghi thì tương đối ổn định cả khi CĐBX xuống thấp.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
Phương pháp P&O
Phương pháp P&O mờ thích nghi
Hình 4.16: Điện áp ngõ ra mạch tăng áp Nhận xét:
Hình 4.16 trình bày điện áp ngõ ra mạch tăng áp khi CĐBX thay đổi theo thực tế. Qua kết quả trên ta thấy dù CĐBX thay đổi liên tục nhưng điện áp ra mạch tăng áp luôn giữ ổn định.
Kết luận: Từ kết quả trên ta thấy rằng với điều kiện CĐBX thực tế như trên thì phương P&O mờ thích nghi làm việc ổn định hơn phương pháp P&O kinh điển. Khi mô phỏng bằng phương pháp P&O mờ thích nghi thì công suất mô phỏng và công suất từ số liệu thực tế là gần bằng nhau (công suất mô phỏng và công suất thực tế chênh lệch nhau không quá ± 10W). Đối với phương pháp P&O kinh điển khi thay đổi CĐBX theo thực tế hệ thống làm việc tương đối ổn định, tuy nhiên sự dao động điện áp là rất lớn dẫn đến sự chênh lệch công suất mô phỏng và khi so sánh với công suất thực tế thì chênh lệch rất cao (công suất mô phỏng và công suất thực tế chênh lệch nhau ± 30W). Nguyên nhân gây ra sự chênh lệch này do khi mô phỏng trên phần mềm ta sử dụng các linh kiện bán dẫn ở điều kiện lý tưởng với với hiệu suất cao nhưng khi đo đạt thực tế sẽ có sự chênh lệch do sự hao phí trên các linh kiện điện tử công suất này.
Chương 4: Kết quả mô phỏng
4.4. Kết luận chung
Từ kết quả mô phỏng với các trường hợp trên có thể kết luận rằng hệ thống làm việc tương đối ổn định với cả hai phương pháp P&O và P&O mờ thích nghi. Tuy nhiên ở các điều kiện môi trường thay đổi như CĐBX thay đổi ngẫu nhiên và CĐBX thay đổi theo thực tế thì phương pháp P&O thích nghi lại phát huy được những ưu điểm vượt trội so với phương pháp P&O kinh điển như: khả năng đáp