6. Bố cục luận văn
2.4.3. Hệ thống điện mặt trời nối lưới
a) Sơ đồ khối hệ thống
Để khai thác và sử dụng NLMT cần có một hệ thống lưới điện thông minh. Khi có ánh sang mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), nguồn
DC-DC Converter MPPT Lưu trữ (Battery) DC-AC Inverter Tải DC Tải AC PV
năng lượng môt chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm hóa đơn tiền điện.
Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời được sử dụng cho các thiết bị điện trong nhà để thay cho điện lưới. Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện tiêu thụ thì lượng điện thừa sẽ được nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy). Ngược lại, khi lượng điện tiêu thụ lớn hơn lượng điện mặt trời sinh ra (vào ban đêm, hay lúc trời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ được lấy thêm từ lưới điện như bình thường hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt).
Sơ đồ khối của một hệ thống điện mặt trời nối lưới được chỉ ra trên Hình 2.17, chúng gồm các khối chức năng như sau:
Hình 2. 17: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới
+ Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin.
+ Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.
DC-AC Inverter UPV IPV Điều khiển Lf Rf L¦íI §IÖN IG UG PV cDC PV DC-DC Boost Converter MPPT IPV U
+ Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC - DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định.
+ Khối biến đổi một chiều - xoay chiều (DC-AC) có nhiệm vụ biến đổi năng lượng điện một chiều thành năng lượng điện xoay chiều dùng trực tiếp cho tải xoay chiều và kết nối với lưới điện.
+ Khối lọc để khử sóng hài bậc cao
b) Vấn đề điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới
Để đảm bảo cho hệ thống điện mặt trời nối lưới làm việc an toàn, ổn định, có hiệu suất cao thì cần phải có các điều khiển sau:
+ Điều khiển bám điểm làm việc có công suất tối đa và điều khiển hoạt động của bộ biến đổi DC-DC. Đối với hệ thống điện mặt trời nối lưới việc điều khiển MPPT đóng vai trò rất quan trọng, đảm bảo cho hệ thống luôn làm việc với hiệu suất cao nhất.
+ Điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới DC-DC bao gồm điều chế độ rộng xung PWM để đóng/mở các van của Inverter nhằm tạo ra sóng hình sin có cùng tần số với điện áp lưới; điều khiển nối lưới; điều khiển dòng công suất bơm vào lưới. Ngoài ra còn có các điều khiển khác như bù sóng hài, chống cô lập hóa (Anti islanding)...
Luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu các giải pháp điều khiển bám điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới 3 pha. 2.5. KẾT LUẬN CHƢƠNG 2
Chương 2 trình bày tổng quan về năng lượng mặt trời, đặc điểm của bức xạ mặt trời; tổng kết các phương pháp khai thác sử dụng năng lượng mặt trời truyền thống; cấu tạo, đặc điểm, đặc tính của pin mặt trời; cấu trúc, các yêu cầu điều khiển hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập và nối lưới
CHƢƠNG 3
ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƢU CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI DÙNG THUẬT TOÁN MỜ
3.1. Ý NGHĨA VIỆC XÁC ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) CỰC ĐẠI (MPPT)
Ở chương 2 ta đã biết quan hệ giữa các thông số dòng điện, điện áp, công suất (Ipv, Upvvà Ppv) của modul pin quang điện PV phụ thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường làm việc theo biểu thức:
Hình 3. 1: Quan hệ I(U) và P(U) của PV
Các đường cong quan hệ I(U) và P(U) được biểu diễn trên hình 3.1, đó là một quan hệ phi tuyến. Đường cong P(U) có một điểm cực đại (MPP), tại điểm này tấm pin PV sẽ đưa ra một công suất cực đại. Ta mong muốn hệ thống luôn luôn làm việc tại điểm MPP đó.
Mặt khác do cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường thay đổi có một cách ngẫu nhiên làm cho điểm công suất tối đa (MPP) của PV thay đổi liên tục, do đó để hệ thống điện mặt trời vận hành hiệu quả, cần có thuật toán điều khiển phù hợp để duy trì chế độ làm việc của chúng luôn tại điểm công suất tối đa.
Giả sử modul PV có đặc tính I(U) và P(U) ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ như hình 3.2, đặc tính tải của PV là đường thẳng 0m
P,I I(U) MPP ISC P(U) U UMPP UOC
đi qua gốc tọa độ, điểm làm việc của PV là giao điểm giữa đặc tính I(U) của PV và đặc tính tải của chúng. Ta thấy rằng nếu modul PV làm việc tại điểm C sẽ có công suất cực đại. Điểm có công suất cực đại gọi là điểm MPP (Maximum Power Point).
Hình 3. 2: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử trong bộ chuyển đổi DC-DC (đối với hệ thống không có chuyển đổi DC-DC thì MPPT được thực hiện trong bộ chuyển đổi DC-AC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời. MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển.
Xét một hệ thống hệ thống điện mặt trời nối lưới có sơ đồ khối như Hình 3.3
Hình 3. 3: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP
PWM PV MPPT DC-AC Inverter Grid DC-DC Converter Upv,Ipv
Nhiệm vụ của khối MPPT là đưa ra thuật toán xác định điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và gửi tín hiệu điều khiển hệ thống duy trì làm việc tại điểm có công suất cực đại đó. Ta gọi đó là điều khiển bám điểm làm việc có công suất cự đại (hay điều khiển bám điểm làm việc tối ưu) của hệ thống.
Trong chương này sẽ khảo sát một số thuật toán MPPT đồng thời đề xuất thuật toán ứng dụng logic mờ để điều khiển bám điểm làm việc tối ưu của hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha. Kết quả được kiểm tra thông qua mô phỏng cho một hệ thống với các số liệu cụ thể trên Matlab-Simulink.
3.2. MỘT SỐ THUẬT TOÁN MPPT THÔNG DỤNG
3.2.1. Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage)
Thuật toán này dựa trên nhận xét rằng: Điện áp tại điểm công suất cực đại chỉ thay đổi đôi chút với các mức bức xạ khác nhau (Hình 3.4).
Hình 3. 4: Quan hệ P(U) của tấm pin PV
Điện áp MPP là tỉ số giữa điện áp UMPPvà điện áp UOC, trong đó UMPP là điện áp tại điểm MPP, UOC là điện áp hở mạch. Tỷ số này tùy thuộc vào các thông số của tế bào năng lượng mặt trời, giá trị thường được sử dụng là 76%. Tại thời điểm dòng điện bằng không, tiến hành đo điện áp hở mạch UOC sau đó tính được UMPP. Nhược điểm của thuật toán này sự mất năng lượng khi tải bị ngắt kết nối và MPP không luôn ở mức 76%.
3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe)
Đây là thuật toán thường được sử dụng nhất để dò điểm MPP nó dựa trên cơ sở gây nhiễu loạn điện áp và quan sát dP/dt. Đạo hàm này cho thấy điện áp đang là cao hay thấp và do đó cần giảm hay tăng điện áp cho tới khi đạo hàm bằng 0. Lưu đồ thuật toán P&Q được chỉ ra trên hình 3.5
Hình 3. 5: Lưu đồ thuật toán P&O
Nhược điểm của thuật toán này là do dựa trên sự nhiễu loạn nên sẽ luôn tồn tại dao động ngay cả khi đã đạt tới điểm công suất cực đại.
3.2.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance)
Thuật toán này sẽ khắc phục được hiện tượng dao động xung quanh điểm công suất cực đại của thuật toán P&Q. Điều này được thực hiện bằng cách sử dụng sự gia tăng độ dẫn của các tấm PV để tính toán dấu hiệu không nhiễu loạn.
Từ biểu thức của công suất: pui đạo hàm 2 vế theo u ta có:
dp di
i u 0
Từ đó ta thu được:
di i
du u (3.2)
Dựa vào (3.2) thuật toán có thể xác định điểm MPP xây dựng được lưu đồ thuật toán INC được chỉ ra trên Hình 3.6. Ta thấy thuật toán này phức tạp hơn thuật toán P&Q.
Hình 3. 6: Lưu đồ thuật toán INC
3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance)
Trong mỗi tế bào pin mặt trời đều có một điện dung ký sinh và chúng được sử dụng để xác định điểm công suất cực đại. Kỹ thuật điện dung ký sinh sử dụng gợn sóng chuyển mạch để xáo trộn mảng. Để tính toán điện dung ký sinh các gợn sóng trung bình trong công suất và điện áp mảng tạo ra bởi tần số chuyển mạch được đo và sử dụng để tính toán độ dẫn mảng. Sau đó thuật toán dẫn gia tăng được sử dụng để xác định hướng điểm hoạt động của MPP. Đây có thể coi là một sự cải tiến của kỹ thuật INC. Thuật toán này có nhược điểm phức tạp, mặt khác vì điện dung ký sinh thường rất nhỏ nên chỉ thích hợp cho hệ thống lớn có nhiều modul mắc song song. Ngoài ra khi có tụ điện lớn mắc ở đầu vào của
chuyển đổi DC-DC thì phương pháp này mất tác dụng.
3.3. MPPT SỬ DỤNG LOGIC MỜ
Các phương pháp MPPT theo Q&O và INC có ưu điểm là đơn giản song chúng có chung một nhược điểm là chưa đề cập đến vị trí điểm làm việc đang xét. Sau đây tác giả đề xuất giải pháp một sử dụng bộ điều khiển mờ để xây dựng thuật toán theo dõi và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại cho hệ thống điện mặt trời nối lưới. Từ đường cong quan hệ giữa công suất và điện áp (P-U) của tấm pin (hình 3.7) ta thấy khi hệ thống làm việc ở phía trái điểm Pmax thì dP/dU dương cần tăng điện áp để hệ thống tiến đến điểm Pmax, ngược lại khi hệ thống làm việc ở phía phải điểm Pmax thì dP/dU âm cần giảm điện áp để hệ thống tiến đến điểm Pmax. Hệ thống làm việc tại điểm Pmax thì dP/dU = 0.
Hình 3. 7: Quan hệ P-U của tấm PV
Bộ điều khiển mờ tìm điểm Pmax thực hiện đo lường điện áp và dòng điện ở đầu ra của tấm pin, sau đó tính công suất theo biểu thức P = U*I để đưa đến đầu vào bộ điều khiển. Đầu ra bộ điều khiển làm thay đổi chu kỳ điều chế độ rộng xung để đóng cắt bộ chuyển đổi DC-DC. Nguyên tắc làm việc của bộ điều khiển mờ như sau:
Tại mỗi thời điểm lấy mẫu (tk) FLC kiểm tra công suất ở đầu ra PV và xác định sự thay đổi tương đối của công suất so với điện áp (dp/du). Nếu giá trị này lớn hơn zero, bộ điều khiển sẽ thay đổi chu kỳ làm việc của PWM để tăng điện áp cho đến khi công suất là cực đại (hoặc giá trị dp/du = 0). Nếu giá trị này nhỏ hơn zero, bộ điều khiển sẽ thay đổi chu kỳ làm việc của PWM để giảm điện
áp cho đến khi công suất là cực đại. FLC có 2 đầu vào là E và DE, có 1 đầu ra là hệ số làm việc D (D = Ton/T) tín hiệu ra được đưa vào bộ điều chế độ rộng xung để điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC. Các đầu vào và đầu ra được định nghĩa như sau: P P(k) P(k 1) E(k) U U(k) U(k 1) E DE E(k) E(k 1) t (3.3)
Trong đó P(k) công suất tức thời của PV tại thời điểm tk. Sai số E(k) cho biết điểm hoạt động của tải tại thời điểm tk đang ở phía bên trái hay bên phải điểm công suất cực đại trên đường đặc tính của PV, độ thay đổi DE diễn tả hướng chuyển động của điểm MPP. Sử dụng mô hình mờ Mandani với các hàm liên thuộc đầu vào, ra được biểu diễn trên Hình 3.8 và Hình 3.9.
Luật hợp thành có dạng tổng quát như:
if E = ei and DE = dej then D = dk (3.4) Nguyên tắc xây dựng luật hợp thành của bộ điều khiển mờ là khi E âm điểm làm việc đang ở bên trái điểm MPP ta cần tăng D (để tăng điện áp) và ngược lại. Biến đầu vào DE dùng để hiệu chỉnh bộ điều khiển.
Hình 3. 9: Hàm liên thuộc đầu ra (D)
Giải mờ bằng phương pháp trọng tâm giá trị đầu ra D được tính theo công thức (3.5) n j j j 1 n j j 1 d d D d (3.5)
Quan hệ Vào - Ra của bộ điều khiển mờ được biểu diễn trên Hình 3.11
3.4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
3.4.1. Sơ đồ và kịch bản mô phỏng
Việc mô phỏng thuật toán xác định và duy trì điểm công suất tối đa của hệ thống điện mặt trời nối lưới được thực hiện trên phần mềm Matlab-Simulink. Sơ đồ mô phỏng được mô tả trên hình 3.12. Các thông số của hệ thống sử dụng cho mô phỏng được chỉ ra trên Bảng 3.1
Hình 3. 10: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới Bảng 3. 1: Thông số của tấm pin mặt trời
Thông số Giá trị
Pin quang điện mã hiệu Aavid Solar ASMS- 165P
60 cell Khoảng thay đổi của bức xạ mặt trời (600 - 1000)W/m2
Nhiệt độn làm việc của tấm pin 25±50C
Điện trở song song của cell pin 1000ꭥ
Điện trở nối tiếp của cell pin 0,008ꭥ
Dòng điện ngắn mạch 3,8A
Dòng điện bão hòa của diot (IS0) 2.10-8A
Hệ số ảnh hưởng nhiệt độ 0,0024
Điện trở và điện cảm của cuộn dây L1 0,005ꭥ, 410-4H Thông số của bộ lọc
Thông số của lưới điện 3 pha Thông số tải 1
Kịch bản mô phỏng:
+ Tổng thời gian mô phỏng 0,5s
+ Tại thời điểm t = 0,1s Inverter được nối lưới với bức xạ 600W/m2 + Tại t = 0,3s bức xạ mặt trời tăng từ 600W/m2 lên 1000W/m2
+ Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu: PWM điều chế véc tơ không gian + Mô phỏng cho 2 trường hợp:
i) Nhiệt độ T = 250C và ii) T = (25 + 5sin20t) 0C
3.4.2. Kết quả mô phỏng
Các kết quả mô phỏng được chỉ ra trên các hình từ Hình 3.11 đến Hình 3.15. Trong đó:
+ Hình 3.11 là đường cong đáp ứng điện áp trên DC - Bus khi bức xạ mặt trời thay đổi từ (600 – 1000) W/m2, tại nhiệt độ T = 250C
+ Hình 3.12 là đường cong đáp ứng điện áp trên DC-Bus khi bức xạ mặt trời thay đổi từ (600 – 1000) W/m2
, nhiệt độ T = (25 + 5sin20t) 0C
+ Hình 3.13 là đáp ứng công suất của tấm pin quang điện và đáp ứng công suất Inverter bơm vào lưới Bus khi bức xạ mặt trời thay đổi từ (600 – 1000)W/m2, tại nhiệt độ T = 250C
+ Hình 3.14 là đường cong điện áp và dòng điện pha A của Inveter khi bức xạ mặt trời thay đổi từ (600 – 1000) W/m2, tại nhiệt độ T = 250C
Hình 3. 12: Điện áp UDC-bus khi nhiệt độ thay đổi
Hình 3. 13: Công suất tấm PV và công suất Inverter bơm vào lưới khi nhiệt độ hằng
+ Hình 3.15 là đường cong điện áp và dòng điện 3 pha của Inveter khi bức xạ mặt trời thay đổi từ (600 – 1000) W/m2, tại nhiệt độ T = 250C