Trong hệ này thì các bộ DC/DC, MPPT có chức năng tương tự trong hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động độc lập.
Bộ biến đổi DC/AC phải tạo được điện áp ra dạng sin, phải đồng bộ được về điện áp, tần số của lưới, phải xác định được điểm làm việc có công suất lớn nhất của dãy PMT. Đầu vào của bộ biến đổi này phụ thuộc vào điện áp cho đến khi xác định được điểm MPP trên đường đặc tính Von – Ampe. Bộ biến đổi phải điều khiển được các góc pha của lưới , và đầu ra của bộ DC/AC này phải được điểu khiển cả về điện áp và tần số.
Các bộ DC/AC thông thường có thể được điều khiển bằng phương pháp PWM điều chỉnh độ rộng xung và hoạt động trong tần số từ 2kHz đến 20kHz.
Bộ biến đổi làm việc với lưới được phân loại rộng rãi thành bộ biến đổi nguồn áp (VSI) và bộ biến đổi nguồn dòng (CSI). Tùy thuộc vào sự điều khiển mà bộ biến đổi DC/AC được phân thành loại bộ biến đổi điều khiển dòng (CSI) hay bộ biến đổi điều khiển áp (VSI).
1.Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) [2]
Bộ biến đổi DC/DC tăng áp có nhiệm vụ biến dòng điện một chiều từ PMT có điện áp thấp lên dòng điện một chiều có giá trị điện áp đủ lớn đưa vào bộ nghịch lưu. Mạch điện DC/DC tăng áp thường dùng van Mosfet và diode như hình 2.3a. Khi bỏ qua mọi tổn hao của van ta có mô hình khâu DC/DC tăng áp với van lý tưởng như hình 2.3b.
19 + - + - DTs Ts +VL(t)- IL(t) Q1 IC(t) C R Vg v - + D1 (a) + - +VL(t)- IL(t) IC(t) C R v - + (b) Vg 1 2 + - +VL(t)- IL(t) IC(t) C R v - + (d) Vg + - +VL(t)- IL(t) IC(t) C R v - + (c) Vg L L L L vL(t) Vg DTs D’Ts Vg - V t iC(t) -V/R I – V/R t (e) DTs D’Ts
Hình 2.3Bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter)
(a) Mạch với van là Mosfet và diode, (b) Mạch với van lý tưởng, (c) Mạch Mosfet dẫn, (d) Mạch khi diode dẫn, (e) Điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ.
Trong đó:
Ts là chu kỳ đóng cắt; fs = 1/Ts là tần số đóng cắt ;
D là tỷ lệ dẫn của Mosfet, 0 ≤ D ≤1 ; D’ = 1 – D
Nguyên lý hoạt động của mô hình lý tƣởng:
Khi khóa ở vị trí 1 (Mosfet dẫn), sơ đồ tương đương được vẽ như hình 2.3c. Điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện như sau:
vL = Vg iC = -v/R
20 Tính gần đúng ta có:
vL = Vg iC = -V/R
Khi khóa ở vị trí 2 (Mosfet khóa), sơ đồ tương đương được vẽ như hình 2.3d. Điện áp trên cuộn cảm và dòng điện qua tụ điện như sau:
vL = Vg - v iC = iL - v/R Tính gần đúng ta có:
vL = Vg - v iC = iL - V/R
Ở trạng thái xác lập, trong một chu kỳ, điện áp trung bình trên cuộn cảm và dòng điện trung bình qua tụ điện bằng không. Do đó :
s T ' L g s g s 0 v (t)dt V DT (V V)D T 0
Biến đổi ta có kết quả tỷ số điện áp bộ biến đổi:
' g V 1 1 M D V D 1 D
Như vậy qua bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost) thì điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào nhờ việc điều khiển tỷ lệ dẫn D của van.
2.Bộ duy trì điểm công suất cực đại (MPPT)[3]
Bất kỳ dùng loại biến đổi DC/DC nào (giảm hoặc tăng thế) thì cũng cần một mạch đặc biệt để giữ cho thế của máy phát PMT ở giá trị tối ưu VM. Vì điều kiện làm việc (như cường độ bức xạ, nhiệt độ,...) luôn biến đổi nên mạch MPPT phải là một mạch điều khiển vòng kín.
Bộ MPPT làm nhiệm vụ tìm ra điểm làm việc của dãy pin để công suất nhận được là lớn nhất tương ứng với mỗi nhiệt độ và cường độ sáng nhất định (điểm MPP). Bộ MPPT sử dụng 2 phương pháp:
1- Điện dẫn gia tăng INC.
21
Đối với phƣơng pháp nhiễu loạn và quan sát P&O:
Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuận toán và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại. Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh (điểm MPP) điểm làm việc có công suất lớn nhất đó như hình 2.4. A B MPPT P V
Hình 2.4Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định. Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O như hình 2.5 sẽ so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước.
Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn.
22
Bắt đầu thuật toán P&O
V(k), I(k) P(k)=V(k)*I(k) ∆P(k)=P(k)-P(k-1) V(k-1)=V(k) P(k-1)=P(k) ∆P > 0 V(k)-V(k-1)>0 yes yes no
Giảm Vref Tăng Vref Giảm Vref Tăng Vref
V(k)-V(k-1)>0 no
no yes
Hình 2.5Lưu đồ thuật toán phương pháp P&O
Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi. Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP gây hao hụt một phần năng lượng. Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
Đối với phƣơng pháp điện dẫn gia tăng INC:
Tín hiệu đưa vào là tín hiệu điện áp và dòng điện ra của dàn pin mặt trời V_PV, I_PV; tín hiệu ra là tín hiệu điều khiển D điều khiển góc mở của IGBT để có được công suất cực đại. Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin mặt trời để dò tìm điểm công suất cực đại như trên hình 2.6.
Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: Độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP. Thể hiện như sau:
23 dP 0 dV : Tại điểm MPP dP 0
dV : Bên trái điểm MPP dP
0
dV : Bên phải điểm MPP Vì dP d IV I
I V
dV dV V
nên ta cũng có thể viết như sau:
I I V V : Tại điểm MPP I I V V
: Bên trái điểm MPP
I I
V V
: Bên phải điểm MPP
dP/dV > 0 dP/dV = 0 dP/dV < 0 MPPT P V
Hình 2.6Phương pháp điện dẫn gia tăng
Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (∆I/∆V), thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP. Mỗi khi điểm MPP được tìm ra, hoạt động của pin lại được duy trì ở điểm làm việc này trừ khi có sự thay đổi về dòng điện ∆I, sự thay đổi của dòng điện ∆I thể hiện sự thay đổi của điều kiện thời tiết và của điểm MPP.
Tuy nhiên khi điện dẫn gia tăng lớn quá sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động.
24
Ưu điểm chính của phương pháp này là cho kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh.
Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp. Nó sử dụng hai cảm biến để đo giá trị dòng điện và điện áp nên chi phí lắp đặt cao. Tuy nhiên ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ xử lý đã làm giá thành của hệ này giảm đi rất nhiều. Thuật toán INC điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref được thể hiện trên hình 2.7.
Bắt đầu thuật toán INC
V(k), I(k) ∆V(k)=V(k)-V(k-1) ∆I(k)=I(k)-I(k-1) V(k-1)=V(k) I(k-1)=I(k) ∆V = 0 dI/dV = -I/V dI/dV > -I/V ∆I = 0 ∆I > 0 yes yes yes no Giữ nguyên yes yes no no no
Tăng Vref Giảm Vref Giảm Vref Tăng Vref Giữ nguyên
25
3.Bộ nghịch lưu (DC/AC) [8]
Bộ nghịch lưu là thiết bị điện tử dùng trong các hệ thống PV cung cấp cho các tải xoay chiều AC. Nó có tác dụng biến đổi dòng điện một chiều DC thành dòng điện xoay chiều AC tần số 50-60Hz cung cấp cho các phụ tải xoay chiều thông dụng. Dòng một chiều DC có thể lấy trực tiếp từ tấm PMT hay thông qua thanh cái một chiều nối chung với bộ acquy và bộ điều khiển nạp. Như vậy, đầu vào của bộ nghịch lưu là điện áp DC với giá trị phù hợp với bộ acquy và tấm PMT, đầu ra là điện áp AC phù hợp với điện áp của các phụ tải thông dụng.
Trong các hệ thống nối lưới, bộ nghịch lưu là thiết bị được lựa chọn đầu tiên với các đặc điểm phù hợp với lưới. Sau đó, các tấm PMT được tính toán theo các thông số của bộ nghịch lưu: Điện áp DC đầu vào, công suất của bộ nghịch lưu. Trong hệ thống này, bộ nghịch lưu có nhiệm vụ biến đổi trực tiếp năng lượng từ các tấm PMT thành dòng điện xoay chiều tần số 50Hz tương thích với lưới điện. Dòng điện từ PMT chạy trực tiếp qua bộ nghịch lưu, do đó để đảm bảo hiệu quả tối đa, bộ nghịch lưu phải hoạt động đúng vào thời điểm tấm PMT bắt đầu được chiếu sáng với lượng bức xạ vừa đủ để hoạt động. Trong ngày, điểm làm việc tối ưu trên đường đặc tính V-A thay đổi liên tục theo các biến động của bức xạ Mặt trời và nhiệt độ các tấm PMT. Bộ nghịch lưu thông minh có thể điều khiển và tìm kiếm các điểm làm việc tối ưu và đưa về điểm làm việc phù hợp, có công suất tối đa (MPP). Bộ nghịch lưu còn có chức năng bảo vệ, ngắt các kết nối khi hệ thống lưới hay hệ PMT xảy ra sự cố.
2.2 Các yếu tố ảnh hƣởng đến hệ thống năng lƣợng điện mặt trời
Thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của PMT. Trong đó, nhiệt độ và cường độ sáng là những yếu tố tiêu biểu có ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính V-A của PMT dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP của PMT.
2.2.1Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng [3]
Khi cùng một nhiệt độ T, ta thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt trời từ Ir = 0,25kW/m2 tới bức xạ Ir = 1,50kW/m2 thu được đặc tính V-A như trên hình 2.8.
26 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 0,75 kW/m2 0,50 kW/m2 0,25 kW/m2 1,00 kW/m2 1,25 kW/m2 1,50 kW/m2, T = Const Isc (A) U (V) Đường công suất
cực đại
Hình 2.8Đặc tính Von – Apme với ảnh hưởng của cường độ sáng
Từ đường đặc tính V-A với ảnh hưởng của cường độ ánh sáng, ta có nhận xét như sau:
- Dòng ngắn mạch ISC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Cường độ bức xạ càng lớn thì dòng ISC càng lớn và ngược lại.
- Do dòng điện và điện áp tăng dẫn tới công suất hoạt động của pin cũng tăng hay nói cách khác điểm MPP có công suất lớn nhất cũng tăng lên, di chuyển về phía trên khi cường độ chiếu sáng của mặt trời tăng.
2.2.2Ảnh hưởng của nhiệt độ [3]
Sự phụ thuộc của đặc trưng sáng V-A của pin mặt trời tinh thể Si vào nhiệt độ trong khoảng nhiệt độ từ -40oC đến +60oC như hình 2.9.
Nhận xét:
Với cùng một cường độ sáng, điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ T, khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của PMT giảm mạnh, còn dòng điện thì tăng ít. Bên cạnh đó, công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng.
27 0 0,5 0,6 0,25 0,50 0,75 1,00 Isc (A) U (V) 0,7 E = Const 60oC 20oC -40oC
Hình 2.9Đặc tính Von – Apme với sự ảnh hưởng của nhiệt độ
Các yếu tố ảnh hưởng trên thay đổi thì vị trí của điểm MPP cũng di chuyển theo. Do đó, việc cần thiết để khai thác hiệu quả tấm PMT là phải có một thuật toán để theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lượng mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó.
28
Chƣơng 3 -XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI CÔNG SUẤT LỚN
3.1 Giới thiệu mô hình chi tiết công suất 100kW của Matlab/Simulink
3.1.1Mô hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời công suất 100kW kết nối lưới
Như chúng ta đã biết có rất nhiều mô hình mô phỏng để nghiên cứu hệ thống điện năng lượng mặt trời như: Mô hình chi tiết, mô hình trung bình và mô hình dạng phasor. Trong mục này, luận văn sử dụng mô hình chi tiết để nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố môi trường và bộ dò công suất cực đại đến các đặc tính và đến hiệu suất của hệ thống điện mặt trời. Mô hình bao gồm: Hệ thống pin mặt trời, bộ dò công suất cực đại, bộ biến đổi điện áp một chiều, bộ biến đổi điện áp xoay chiều và lưới điện được thế hiện như ở trên hình 3.1.
Hình 3.1Mô hình mô phỏng HTĐ mặt trời công suất 100kW kết nối lưới
Mô hình mô phỏng hệ thống điện mặt trời kết nối lưới được giải thích các khối như sau:
- Mô hình mô phỏng dàn pin mặt trời (PV_Array)
- Mạch điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC (Boost converter) - Bộ điều khiển tìm công suất cực đại (MPPT)
29
- Mạch nghịch lưu DC/AC và khối điều khiển VSC - Mạch lọc thành phần sóng hài LC
- Máy biến áp cách ly 100kW 260V/25kV. - Kết nối với lưới điện (Utility grid).
3.1.2Mô hình mô phỏng dàn pin mặt trời PV Array
Matlab/Simulink sử dụng sơ đồ thay thế PMT ở hình 1.2 để xây dựng mô hình mô phỏng dàn pin mặt trời PV Array chịu sự tác động của cường độ ánh sáng Ir và nhiệt độ T được thể hiện trên hình 3.2.
Hình 3.2Mô hình mô phỏng dàn pin mặt trời PV Array
Các thông số cơ bản của dàn PMT SunPower SPR-305-WHT-D được thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1Các thông số cơ bản của PMT SunPower SPR-305E-WHT-D
Các thông số SunPower SPR-305E-WHT-D
Điện áp hở mạch Voc (V) 64,2
Dòng điện ngắn mạch Isc (A) 5,96
Điện áp tại điểm MPP VMPP (V) 54,7
Dòng điện tại điểm MPP IMPP (A) 5,58
Công suất cực đại PMPP (W) 305,226
Công suất hệ thống P(kW) 100,7
Điện áp của hệ tại điểm MPP (V) 273,5
30
Các thông số SunPower SPR-305E-WHT-D
Dòng quang điện IL (A) 6,0092
Dòng qua điốt Id (A) 0,945
Điện trở sơn Rsh (ohms) 269,593
Điện trở nối tiếp Rs (ohms) 0,372
Từ các giá trị của cường độ sáng Ir và nhiệt độ T ở điều kiện có sẵn mà nhà sản xuất đưa ra thì ra có thể xây dựng được các đường đặc tính qua đó xác định được giá trị ở điều kiện làm việc bất kỳ.
3.1.3Mô hình mô phỏng mạch điều chỉnh điện áp một chiều DC/DC
Mạch điều chỉnh điện áp thường có ba loại cơ bản như sau: