Tải trở:
Phương trình mơ tả đơn giản cho tải trở: V = IR hay I =
Đặc tuyến I-V đơn giản là một đường thẳng có độ dốc là Khi R tăng độ dốc của đặc tuyến sẽ hạ thấp, ngược lại khi R giảm độ dốc của đặc tuyến sẽ nâng cao. Đường thẳng I-V của tải trở sẽ giao đường I-V của PV ở điểm làm việc.
Hình 4. 2 Đặc tuyến điện trở
Như hình 4.2, chỉ có trường hợp tải trở là Rm thì cơng suất vận hành của PV là cực đại.
Khi điện trở không thay đổi, điểm làm việc cũng sẽ thay đổi khi điều kiện mơi trường khác đi. Như hình 4.3, chỉ có một điều kiện bức xạ ứng với cơng suất PV là cực đại.
Hình 4. 3 Đặc tuyến trở khi thay đổi bức xạ
4.2 Điểm công suất cực đại 4.2.1 Mục đích của MPPT
Qua những phần trên, cho thấy đối với những tải và điều kiện môi trường khác nhau, điểm vận hành của PV sẽ thay đổi. Khi đó, PV có thể sẽ khơng được vận hành ở công suất cực đại. Để sử dụng tối ưu công suất PV, việc bắt công suất cực đại (mppt) là rất cần thiết.
Hình 4. 4 Buck-Boost
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dị tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại của hệ thống điện mặt trời thơng qua việc đóng mở khóa điện tử của bộ biến đổi DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống PV làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới.
được giới thiệu sơ ở phần dưới.
4.2.2 Bộ Buck-Boost
Cấu hình khơng cách ly của bộ Buck-Boost được minh họa ở hình 4.5. Bộ biến đổi bao gồm nguồn áp Vs, khóa điều khiển S, cuộn cảm L, diode D, tụ lọc đầu ra C và tải R. Khi khóa đóng, diode sẽ tắt (khơng dẫn), cuộn cảm nhận năng lượng từ nguồn, tụ sẽ cấp năng lượng cho tải. Khi khóa ngắt, diode sẽ dẫn, cuộn cảm sẽ cấp năng lượng cho tải và nạp năng lượng cho tụ.
Hình 4. 5 Mạch điện Buck-Boost
Tỷ số vào-ra của điện áp sẽ phụ thuộc vào tỷ số đóng cắt:
(4.1) Mơ tả sơ về dòng và áp của linh kiện trong bộ Buck-Boost khi khóa đóng cắt (lúc ổn định):
Hình 4. 6 Giản đồ hoạt động
Trong đó:
vL, iL: áp và dòng cuộn cảm vS, iS: áp và dòng nguồn vO, iO: áp và dòng ra
iC: dòng tụ
Khi thiết kế cần lưu ý giá trị cuộn cảm và tụ điện để đảm bảo dòng hoạt động liên tục và điện áp ra có độ nhấp nhơ bé:
(4.2) Vì sao bộ Buck-Boost có thể giữ được điểm cực đại của PV?
Thử xét tải trở ở đầu ra bộ Buck-Boost và PV ở đầu vào bộ Buck-Boost, khi hoạt động ổn định, phương trình cân bằng cơng suất vào ra:
(4.3) với Vpv và Ipv là áp và dòng PV, Vo và Io là áp và dòng tải.
đổi x. Dù trường hợp tải thay đổi hoặc điều kiện mơi trường thay đổi, cơng suất vẫn có thể giữ cực đại.
Hình 4. 7 Cách thay đổi đặc tuyến bộ Buck-Boost
4.3 Giới thiệu các giải thuật của MPPT
Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ phân tích 2 phương pháp MPPT được ứng dụng rộng rãi và đã trở nên phổ biến, quen thuộc và cho được một số hiệu quả làm việc. Đó là Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O, Phương pháp điện dẫn gia tăng INCond
4.3.1 Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturbation And Observe - P&O)
Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi cơng suất, ΔP được quan sát. Hình 4.9 mơ tả ngun lý hoạt động của thuật tốn P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV > 0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV < 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP. - Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV > 0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP.
Hình 4. 8 Cách thực hiện P&O
Hình 4. 9 Ngun lý thực hiện thuật tốn P&O
Giải thích thuật tốn:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
Hình 4. 10 Lưu đồ P&O
Thuật tốn P&O có ưu điểm là đơn giản, dễ thực hiện. Khối lượng tính tốn ít. Trong tồn bộ giải thuật chỉ có phép tính cộng trừ và so sánh, khơng hề có phép tính chia.
4.3.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance-IncCond)
Phương pháp điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance-IncCond) dựa trên việc phân tích đạo hàm của công suất theo điện áp. Ở bên trái điểm cực đại, đạo hàm có giá trị dương. Ở bên phải điểm cực đại đạo hàm có giá trị âm.
Giải thuật IncCond dựa trên việc so sánh những biểu thức trên để xác định điểm cực đại. Tỷ số độ thay đổi dòng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dòng
điện và điện áp tức thời để biết được PV đang vận hành ở bên trái hay bên phải so với điểm cực đại.
(4.7)
Ta lại có:
(4.8) Vậy, cơng thức 4.1 trở thành:
(4.9)
Khi điểm vận hành của PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ được giữ khơng đổi. Khi có sự thay đổi về điều kiện mơi trường và tải, giải thuật sẽ so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt công suất cực đại mới.
Hình 4. 11 Ngun lý thực hiện thuật tốn InCond
CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG
5.1 Mơ hình mơ phỏng MPP trong Matlab Simulink
Hình 5. 1 Sơ đồ tổng quát hệ thống tìm MPP trong Matlab Simulink
Mơ hình được mơ phỏng trên thư viện simulink của phần mềm MATLAB 2014ra. Mô phỏng trên miền rời rạc, kiểu mô phỏng fix-step với bước tính Tstep = 2e-5 (s), phương pháp giải ode-4 Runge-Kutta.
Khối PV được xây dựng dựa trên S-Function.
Khối P&O và InCond xây dựng trong Embbeded Function. Giá trị các biến được đưa ra workspace để khảo sát và vẽ đồ thị.
Các giá trị đầu vào như nhiệt độ và bức xạ được thay đổi theo hàm nấc, tại các điểm thời gian 0.33s và 0.66s
Các thông số của PV: + Điện áp hở mạch: 30.8V + Dòng ngắn mạch: 8.7A + Số cell pin mắc nối tiếp: 50
Hình 5. 2 Sơ đồ chi tiết triển khai giải thuật P&O và InCond
Hình 5. 3 Mơ hình hóa PV BX1
Trong hình 5.4, ngõ ra của PI là tín hiệu PWM với tần số 10khz để khiển bộ Boost Converter. Các hệ số Kp, Ki được lựa chọn trong q trình mơ phỏng. Giá trị phù hợp là Kp = 1, Ki = 3.
Hình 5. 5 Mơ hình bộ boost converter
Hình 5. 6 Mơ hình MPPT
Trong hình 5.6, các giải thuật P&O và Incond sẽ được nhúng vào trong các khối Embbedded Function. Chi tiết được mô tả trong mục 5.2 và 5.3
Giải thuật P&O được thể hiện trong khối Embedded Function của Matlab Simulink:
function [Vref,I] = MPPT( V, P, Tsamp)
if isempty(Vref1) Vref1 = 0; end if isempty(V1) V1 = 0; end if isempty(P1) P1 = 0; end if isempty(N) N = 0; end
if (Tsamp > 0.001*N) %chu ky lay mau la 1ms
N = N + 1;
if((P - P1)> deltaP)%cong suat tang
if((V - V1) > deltaV) % dien ap tang --> ben trai mppt Vref = Vref1 + POV;
I = 1;
else %ben phai mppt Vref = Vref1 - POV; I = 2;
end
else %cong suat giam
Vref = Vref1 - POV; I = 3;
else %ben trai mppt Vref = Vref1 + POV; I = 4; end end P1 = P; V1 = V; Vref1 = Vref; else Vref = Vref1; I = 0; end end
Giải thuật IncCond được thể hiện trong khối Embedded Function của Matlab Simulink:
function [Vref,n] = MPPT( V, I, song)
%#eml persistent Vref1; persistent V1; persistent I1; Inc = 0.2 ; a = 0.2; if isempty(Vref1) Vref1 = 0; end if isempty(V1) V1 = 0; end if isempty(I1)
dV = 0; end if abs(dI)< 1e-3 dI = 0; end if song ==0 Vref = Vref1; n = 1; else
if dV == 0 %thay doi nho tren Vref, lam cho dien ap pin khong thay doi
%can duy tri do thay doi Vref cho den khi nao diep ap pin thay doi that %su
if dI == 0
Vref1 = Vref1; n = 2;
elseif dI > 0 %tren dac tuyen V-I, chieu search di len Vref1 = Vref1 + Inc;
n = 3;
else %tren dac tuyen V-I, chieu search di xuong Vref1 = Vref1 -Inc;
n = 4; end
else % dac tuyen P-I
Vref = Vref1; n = 5;
elseif dI/dV + I/V > a % ben trai mppt Vref1 = Vref1 + Inc;
n = 6; else
Vref1 = Vref1 - Inc; % ben phai mppt n = 7;
end
end
Vref = Vref1;
5.2 Mơ hình hóa và mơ phỏng PV
Mơ hình PV được xây dựng trên SimPowerSystem của Simulink để đảm bảo đặc tính điện. Mơ hình gồm có một khối (dùng Embedded function) để tính đầu ra IPV dựa theo VPV và điều kiện mơi trường. IPV tính được sẽ đưa vào một nguồn dòng điều khiển, giống như cấu trúc của PV theo cơng thức 3.4.
Hình 5. 7 Mơ hình trên Simulink
Trong đó Ns và Np chính là số panel PV nối tiếp và song song trong một mảng (array) PV.
Hình 5. 8 Đặc tuyến V-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ khơng đổi
Hình 5. 10 Đặc tuyến P-I khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ không đổi
Trong các hình 5.8 đến 5.10 mơ tả các mối quan hệ như V-I, P-V và P-I của tấm pin mặt trời khi nhiệt độ trên bề mặt tấm pin thay đổi ở các điểm như 25, 35, 45 và 55 độ C. Trong khảo sát này, bức xạ được giữ khơng đổi là 900W/m2.
Ở hình 5.8, ta thấy khi nhiệt độ thay đổi chỉ làm thay đổi áp hở mạch của pin, khơng ảnh hưởng tới dịng ngắn mạch. Chính vì vậy, điểm cơng suất cực đại có xu hướng dịch sang trái khi nhiệt độ tăng.
Ở hình 5.9, khi nhiệt độ tăng, cơng suất giảm. Có 4 điểm mà tại đó PV cho cơng suất cực đại tương ứng với 4 điều kiện hoạt động về nhiệt độ. Điện áp tại MPP giảm dần khi nhiệt độ tăng. Tại 55oC là 18.55V, công suất cực đại tương ứng là 132.7W. Tại 45oC là 19.54V, công suất cực đại tương ứng là 140.2W. Tại 35oC là 20.56V, công suất cực đại là 147.7W. Tại 25oC là 21.52V, công suất cực đại là 155.1W. Các giải thuật tìm kiếm MPP, phải tìm kiếm thành cơng các điểm này để ép PV luôn luôn cho công suất lớn nhất tùy thuộc vào từng điều kiện hoạt động.
Ở hình 5.10, nếu xét theo đồ thị P-I thì điểm cơng suất cực đại chỉ di chuyển theo trục tung khi nhiệt độ thay đổi. Thành phần dịng ngắn mạch ít thay đổi so với điện áp hở mạch.
Hình 5. 11 Đặc tuyến V-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ khơng đổi
Hình 5. 13 Đặc tuyến P-I khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ khơng đổi
Trong các hình 5.11 đến 5.13 mơ tả các mối quan hệ như V-I, P-V và P-I của tấm pin mặt trời khi bức xạ trên bề mặt tấm pin thay đổi ở các điểm như 600, 700, 800 và 900W/m2. Trong khảo sát này, nhiệt độ được giữ khơng đổi là 35 độ C.
Ở hình 5.11, ta thấy khi bức xạ thay đổi, nhiệt độ không đổi, áp hở mạch của các tấm pin không thay đổi nhiều nhưng dòng ngắn mạch thay đổi rất lớn. Điều này dẫn tới điểm công suất cực đại sẽ ít thay đổi theo hồnh độ.
Ở hình 5.12, ta thấy cơng suất thay đổi rất nhiều khi bức xạ thay đổi. Tại bức xạ 600W/m2, điện áp tại MPP là 20.94V, công suất cực đại là 101W. Tại bức xạ 700W/m2, điện áp tại MPP là 20.85V, công suất cực đại là 117.3W. Tại bức xạ 800W/m2, điện áp tại MPP là 20.7V, công suất cực đại là 132.7W. Tại bức xạ 900W/m2, điện áp tại MPP là 20.5V, công suất cực đại là 147.7W. Trong trường hợp bức xạ tăng dần, điện áp tại MPP không thay đổi nhiều. Các điểm MPP sẽ được gặp lại khi áp dụng các giải thuật tìm kiếm MPP.
Ở hình 5.13, quan sát trên biểu đồ P-I, ta thấy điểm công suất cực đại di chuyển nhanh về phía phải trên trục hồnh khi bức xạ tăng.
Khi nhiệt độ không đổi, công suất tăng khi bức xạ tăng, điểm MPP không thay đổi vị trí nhiều trên trục hồnh trong đồ thị P-V.
5.3 Kết quả mô phỏng của phương pháp P&O
Hình 5. 14 Điện áp PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O
Hình 5. 16 Cơng suất PV tại MPP khi bức xạ thay đổi theo P&O
Kết quả mô phỏng:
Bắt công suất cực đại của PV ở điều kiện bức xạ thay đổi theo hàm nấc lần lượt là 600W/m2 đến 800W/m2 và 900W/m2 ở nhiệt độ khơng đổi là 35oC.
Theo các hình 5.14, 5.15, 5.16, ta có một số nhận xét sau:
Thời gian quá độ của hệ thống là 0.2s. Thời gian này có thể tăng lên hoặc giảm xuống tùy thuộc vào bước tìm kiếm của điện áp tham chiếu. Trong kết quả mơ phỏng này, bước tìm kiếm được chọn là 0.2 Volt. Nếu bước tìm kiếm tăng lên, thời gian đáp ứng giảm xuống nhưng ở trạng thái xác lập, điện áp tham chiếu cho điểm MPP sẽ dao động nhiều. Việc lựa chọn bước tìm kiếm phù hợp là dựa trên thực nghiệm.
Đối với phương pháp P&O, ở trạng thái xác lập, điện áp tham chiếu sẽ không dừng lại ở một điểm mà dao động quanh bước tìm kiếm (0.2 Volt). Điều này thể hiện rõ ở hình 5.14. Cũng trong hình này, điện áp PV đã bám theo điện áp tham chiếu. Chứng tỏ mơ hình hoạt động tốt.
Theo hình 5.12 và hình 5.14, 5.16, ta có bảng so sánh giá trị công suất của PV theo giải thuật PO khi bức xạ thay đổi như sau:
điểm MPP của PV đã khảo sát ở mục 5.5. Do điện áp tại MPP không thay đổi nhiều khi chỉ bức xạ thay đổi, nên thời gian xác lập khi bức xạ thay đổi diễn ra rất nhanh, gần như là tức thời với bước tìm kiếm là 0.2V.
Bắt cơng suất cực đại của PV ở điều kiện bức xạ không đổi tại 900W/m2, nhiệt độ thay đổi theo hàm nấc từ 25oC đến 35oC và 55oC.
Hình 5. 18 Dòng điện PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O
Hình 5. 19 Cơng suất PV tại MPP khi nhiệt độ thay đổi theo P&O
Kết quả mô phỏng:
Bắt công suất cực đại của PV ở điều kiện nhiệt độ thay đổi theo hàm nấc lần lượt là 25, 35 và 55oC tại bức xạ không đổi 900W/m2.
Khi nhiệt độ thay đổi, bức xạ thay đổi, dịng ngắn mạch gần như khơng thay đổi (hình 5.18), trong khi điện áp thay đổi rất nhiều. Chính vì vậy, cần có thời gian để điện áp PV xác lập tới điện áp tham chiếu từ bộ MPP. (hình 5.17)
Theo hình 5.9 và hình 5.17, 5.19, ta có bảng so sánh giá trị cơng suất của PV theo giải thuật P&O khi nhiệt độ thay đổi như sau:
Hình 5. 20 Đáp ứng dịng điện, điện áp, cơng suất của PV khi cả nhiệt độ và bức xạ