Đặc tính làm việc của PMT thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch lớn nhất UOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch ISC khi điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được áp dụng theo công thức:
P=U .I
Tại điểm làm việc U=U
OC / I
= 0 và U=0/I =I
SC , công suất làm việc của pin cũng có giá trị bằng 0.
Ở mỗi tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc U = UMPP có công suất lớn nhất như Hình 2.4. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện trên hình.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
phải tiến hành ghép nối chúng lại với nhau. Có ba hình thức ghép nối các tấm pin như sau:
a) Ghép nối tiếp
Hình thức này được sử dụng để nâng cao điện áp của hệ thống. Điện áp khi tổ hợp nS tấm pin nối tiếp với nhau được xác định như sau [2],[3]:
Ummp = nS.Ummp1 UOC = nS.UOC1 Upv = nS.Upv1 (2.9)
Hình 2.5: Đường đặc tính và sơ đồ tương đương ghép nối tiếp các tấm pin
b) Ghép song các tấm pin
Hình thức này thường dùng để nâng cao cường độ dòng điện của hệ thống. Dòng điện khi tổ hợp nP tấm pin song song với nhau được xác định như sau [2],[3]:
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Hình 2.6: Đường đặc tính và sơ đồ tương đương ghép song song các tấm pin
c) Ghép hỗn hợp các tấm pin
Hình thức này thường dùng để nâng cao điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống [2],[3].
Hình 2.7: Ghép hỗn hợp các tấm pin
2.1.5. Các yếu tố ảnh hưởng đến pin mặt trời
Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của PMT. Trong đó, nhiệt độ và cường độ bức xạ là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính U – I của tấm PMT dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP (Maximum Power Point) của tấm PMT.
a) Ảnh hưởng của cường độ bức xạ
Để chứng minh sự ảnh hưởng của CĐBX lên các tấm PMT ta tiến hành thay đổi điều kiện của CĐBX giảm từ 1000 - 400 W/m2 mỗi bước giảm 200 W/m2 thu được đặc tính U – I và P – U như Hình 2.8.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
a) Đường đặc tính U – I
b) Đường đặc tính P – U
Hình 2.8: Đường đặc tính khi cường độ bức xạ thay đổi Nhận xét:
Dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ thuận với CĐBX mặt trời. CĐBX càng lớn thì dòng ISC càng lớn và ngược lại.
Do dòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của tấm PMT cũng tăng hay nói cách khác điểm MPP cũng thay đổi, di chuyển về phía trên khi CĐBX mặt trời tăng.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
a) Ảnh hưởng của nhiệt độ
Khi thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời thay đổi từ 15 ∘ C đến nhiệt độ 40 ∘ C. Từ đó, thu được đường đặc tính U - I và P – U như Hình 2.9.
a) Đường đặc tính U – I
b) Đường đặc tính P – U
Hình 2.9: Đường đặc tính khi nhiệt độ thay đổi Nhận xét:
Đường đặc tuyến thay đổi theo nhiệt độ.
Điện áp hở mạch VOC phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính U – I của PMT cũng phụ thuộc vào nhiệt độ.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Kết luận:
Ta thấy rằng khi các yếu tố khí hậu như CĐBX, nhiệt độ thay đổi thì đường đặc tính của PMT cũng thay đổi theo do đó điểm có công suất cực đại cũng di chuyển theo và vị trí điểm MPP cũng thay đổi. Cho nên, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm PMT trời là phải có một thuật toán để theo dõi quá trình thay đổi vị trí của điểm MPP và giữ cho hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP.
2.2. Bộ biến đổi DC/DC (Boot Converter)
Bộ chuyển đổi DC/DC có nhiệm vụ là tiếp nhận điện áp một chiều phát ra từ tấm PMT và điều chỉnh điện áp đó thông qua bộ tăng áp (Boot Converter) để đáp ứng điện áp đầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC Inverter). Bên cạnh đó bộ tăng áp trong bộ chuyển đổi DC/DC còn thực hiện việc điều khiển để đạt được công suất ngõ ra lớn nhất từ tấm PMT.
Bộ tăng áp được thể hiện như Hình 2.10.
L PV IS, IL US Ud IGBT Uc D C Load U0, Ua
Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp
Cấu tạo mạch tăng áp gồm các thành phần: 1 IGBT, 1 diode, 1 cuộn dây và 1 tụ điện.
Nguyên lý hoạt động:
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Khi khóa S mở: lúc này dòng điện chạy từ nguồn đến tải, cuộn dây giải phóng năng lượng, tụ tích điện. Điện áp trên tải lúc này bằng tổng của điện áp ngõ vào và điện áp trên cuộn cảm.
Is, IL U L Uc Load Is, IL UL US Load Uc
a) Sơ đồ tương đương khi b) Sơ đồ tương đương khi
khóa S mở khóa S đóng
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Giá trị điện áp trung bình [3]:
US=(1−D)U o
Trong đó:
D=
D (duty cycle): là tỷ số chu kỳ hay hệ số làm việc của khóa S.
2.3. Bộ biến đổi DC/AC (Inverter)
Bộ biến đổi DC/AC có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ tấm PMT hoặc từ ắc - quy thành dòng điện xoay chiều (AC) để cung cấp cho tải. Bộ nghịch lưu một pha có cấu tạo được mô tả như Hình 2.12.
Sơ đồ gồm có 4 van điều khiển là T1, T2, T3, T4 và các diode hồi tiếp D1, D2, D3, D4.
U
dc
T1
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
T3
Hình 2.12: Sơ đồ tương đương mạch nghịch lưu cầu 1 pha Nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu cầu một pha như sau:
Nữa chu kỳ đầu tiên từ 0 đến t2 cặp van T1 và T2 dẫn điện lúc này phụ tải được kết nối với nguồn điện. Điện áp trên tải lúc này là U = E (hướng dòng điện sẽ chạy trong mạch như đường nét đỏ trên Hình 2.12).
Tại thời điểm t = t2, T1 và T2 sẽ bị khóa đồng thời T3 và T4 sẽ được mở ra. Tải sẽ được cấp vào nguồn theo chiều ngược lại, nghĩa là dấu điện áp trên tải lúc này sẽ đảo chiều U = - E (hướng dòng điện lúc này được thể hiện bằng đường nét xanh trên Hình 2.12). Khi T1, T2 khóa lại dòng tải sẽ khép mạch qua D3, D4 về tụ C và tương tự khi T3, T4 khóa dòng tải sẽ khép mạch qua D1, D2.
2.4. Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu (MPPT)
Phương pháp MPPT (Maximum Power Point Tracking) được sử dụng để dò tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất từ tấm PMT. Phương pháp này có thể xác định chính xác đến 97% điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP).
Điện mặt trời có tính chất đặc thù là phụ thuộc vào các điều kiện môi trường như: điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ,… khi các yếu tố này thay đổi thì điểm MPP cũng dịch chuyển theo. Vì vậy, điểm MPP cần phải dùng thuật toán để xác định, thuật toán này là trung tâm của bộ điều khiển MPPT.
Dưới đây là một số thuật toán sử dụng phương pháp điều khiển vòng kín thông dụng cho bộ điều khiển MPPT hiện nay.
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Lưu đồ thuật toán được thể hiện trong Hình 2.13.
NO D=D+D I k-1 = I k V k-1 = V k YES D=D+D
Hình 2.13: Lưu đồ thuật toán P&O
Từ các giá trị đầu vào là điện áp Vk và dòng điện Ik tại thời điểm t bao gồm cả giá trị Vk-1 và Ik-1 tại thời điểm trước nó t−Δt
của hệ thống PMT. Sau đó hệ thống sẽ tính toán các giá trị Pk, Pk-1, Δ P, Δ V như sau [5],[6]: Pk =V k . Ik P k−1=V k−1 .I k−1 ΔP=Pk−Pk−1 ΔV =V k−V k−1
Nếu thì điểm làm việc hiện tại của hệ thống PMT chính là điểm công suất cực đại (MPP) khi đó hệ thống trả về giá trị chu kỳ nhiệm vụ D (duty cycle)
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Nếu và hoặc và thì điểm làm việc của hệ
thống PMT đang nằm bên trái điểm MPP. Để hệ thống làm việc trùng với điểm MPP thì hệ thống MPPT cần phải tăng giá trị D.
Nếu và hoặc và thì điểm làm việc của hệ thống
PMT nằm bên phải điểm MPP. Lúc này, để hệ thống làm việc trùng với điểm MPP thì hệ thống MPPT cần phải giảm giá trị D.
Nhược điểm của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm làm việc có công suất cực đại khi điều kiện thời tiết thay đổi. Sự dao động điện áp làm tổn thất công suất trong hệ thống PMT.
2.4.2. Phương pháp gia tăng điện dẫn INC (Incremental Conductance)
Phương pháp INC sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy PMT để dò tìm điểm công suất tối ưu dựa trên độ dóc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP, độ dóc này dương khi nằm bên trái điểm MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP.
Hình 2.14: Đường đặc tuyết P – V Từ Hình 2.14. ta có [5]:
dVdP =0
tại điểm MPP
dVdP >0
nằm bên trái điểm MPP
dVdP <0
nằm bên phải điểm MPP
dP
ΔP<0 ΔV >0 ΔP>0 ΔV <0
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời ΔI ΔV ΔI ΔV ΔI ΔV I
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời V với giá trị điện dẫn gia tăng
thuật toán sẽ tìm ra điểm làm việc có công suất cực đại. Độ lớn của điện dẫn gia tăng sẽ quyết định độ nhanh chậm trong việc tìm ra điểm MPP. Tuy nhiên nhược điểm của phương pháp INC là khi điện dẫn tăng quá lớn sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động.
Lưu đồ thuật toán INC được thể hiện trong Hình 2.15.
YES Start Measure V(k), I(k) I= I(k) - I(k-1) V = V(k) – V(k-1) NO V = 0 YES I = 0 YES D=D-D NO ∆∆VI >−VI NO D=D+D NO YES I > 0 NO D=D+D ΔI ΔV
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
I(k-1) = I(k) V(k-1) = V(k)
Hình 2.15: Lưu đồ thuật toán INC
2.4.3. Phương pháp lập luận mờ FLC (Fuzzy Logic Controller)
Phương pháp lập luận mờ FLC (Fuzzy Logic Controller) có một số ưu điểm so với các phương pháp MPPT kinh điển, FLC cho phép 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.
Hình 2.16: Sơ đồ khối của FLC
Chu trình làm việc của phương pháp FLC gồm các giai đoạn: tín hiệu đầu vào Error (Ek) và Change Error (CEk) sẽ qua khâu làm mờ (Fuzzification Interface) đi đến giai đoạn lập luận mờ (Decision – making Unit) dựa trên các quy luật cơ bản (Rule Base) và các biến ngôn ngữ cơ bản (Data Base) đưa dữ liệu đến khối giải mờ (Defuzzication Interface) để xuất ra kết quả đầu ra là ΔD
(Duty cycle). Các biến đầu vào được xác định theo biểu thức [6]:
Ek = ΔP
ΔV
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Ek < 0 điểm làm việc nằm bên phải điểm MPP
Giá trị CEk cho ta biết hướng di chuyển của điểm làm việc:
CEk > 0 điểm làm việc đang có xu hướng di chuyển lại gần điểm MPP CEk < 0 điểm làm việc đang có xu hướng di chuyển ra xa điểm MPP Lưu đồ thuật toán FLC được thể hiện trong Hình 2.17.
Input: Vk, Ik Pk = Vk × Ik P k-1 = V k-1 × I k-1 E k CEk Làm mờ (Fuzzification)
Lập luận dựa trên các rule (Decision making) Giãi mờ (Defuzzification) D=D+D Luật cơ bản (Rule base)
Biến ngôn ngữ cơ bản (Data base) V k-1 = V k; I k-1 = I k
Hình 2.17: Lưu đồ giải thuật FLC
Đầu vào Ek có miền giá trị của biến ngôn ngữ này là -100 đến 100. Biến ngôn ngữ này có các giá trị ngôn ngữ là NB (Negative Big), NS (Negative Small), ZE (Zero), PS (Positive Small) và PB (Positive Big).
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Hình 2.16: Đầu vào Ek
Đầu vào CEk có miền giá trị của biến ngôn ngữ này là -1 đến 1. Biến ngôn ngữ này có các giá trị ngôn ngữ là NB (Negative Big), NM (Negative Medium), NS (Negative Small), ZE (Zero), PS (Positive Small), PM (Positive Medium) và PB (Positive Big).
Hình 2.17: Đầu vào CEk
Đầu ra ∆D có miền giá trị của biến ngôn ngữ từ -0.02 đến 0.02. Biến ngôn ngữ ngày có các giá trị ngôn ngữ là NB (Negative Big), NM (Negative Medium), NS (Negative Small), ZE (Zero), PS (Positive Small), PM (Positive Medium) và PB (Positive Big).
Chương 2: Cấu tạo và hoạt động của hệ thống điện mặt trời
Hình 2.18: Đầu ra ∆D
Phương pháp FLC được điều khiển bởi bảng quy luật (Rule base) theo nguyên tắc biến động độ dốc dP/dV trên đường đặc tuyến P – V của nguồn PMT. Mục đích của các quy luật khiển là tìm được điểm MPP bất kể nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi dựa vào các giá trị đầu vào đã được mờ hóa thành các giá trị ngôn ngữ.
Bảng 2.1: Bảng quy luật điều khiển (Rule base)
E NB NS ZE PS PB
2.4.4. Phương pháp P&O mờ thích nghi (Fuzzy - P&O)
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