Trong sơ đồ trên, khối PV có nhiệm vụ cung cấp điện áp DC cho các khối phía sau dựa trên bức xạ mặt trời mà nó nhận được từ mơi trường bên ngồi. Để thu được năng lượng nhiều nhất có thể, một bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC được sử dụng nhằm điều khiển điện áp ngõ ra bộ PV bằng cách tăng hay giảm dòng điện bơm ra từ khối DC/DC. BUS DC có nhiệm vụ nhận cơng suất thu được từ hệ thống pin NLMT cung cấp cho các phụ tải. Trong mơ hình này, để đơn giản trong mô phỏng, BUS DC được đặt trưng bằng một nguồn áp. Việc xây dựng các mơ hình được trình bày cụ thể trong các phần bên dưới.
4.1.1 Khối pin NLMT.
Nhiệm vụ của khối pin NLMT là cung cấp một dòng điện tương ứng với mức điện áp hiện thời đặt trên hai đầu tấm pin. Kết quả dịng điện này được tính tốn dựa trên các phương trình (2.1) đến (2.5) trong mối liên hệ khi có sự thay đổi nhiệt độ và bức xạ mặt trời cung cấp cho các tấm pin. Trong q trình mơ phỏng, nhằm đảm bảo
tính khác quan và chính xác của mơ hình mơ phỏng, luận văn dùng mơ hình pin NLMT được xây dựng sẵn bởi các nhà phát triển
Các tấm pin này có thơng số cơ bản được lựa chọn như trong Hình 4.2 bên dưới.
Hình 4. 2 Thơng số được nhập vào cho mỗi tấm PV Thông số của tấm pin được chọn mô phỏng trong Bảng 4.1 như sau:
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật của PV Module
Apollo Solar Energy ASEC-120G6M No Parameters Module Parallel
string
Series per
string Total 01 Maximum Power (W) 120.1 10 1 1200 02 Open circuit voltage Voc (V) 21.6 10 1 21.6 03 Voltage at maximum power point
Vmp (V) 17.33 10 1 17.33 04 Short-circuit current Isc (A) 7.49 10 1 74.9 05 Current at maximum power point
Imp (A) 6.93 10 1 69.3
Các thông số được nhập vào mỗi tấm PV được chuyển hóa thành các giá trị dịng điện và điện áp tại ngõ ra của tấm pin qua các phương trình từ (2.1) đến (2.5). Hình 4.3 thể hiện sự chuyển đổi này trong chương trình mơ phỏng.
Hình 4. 3 Mơ hình pin NLMT
Trong luận văn, với mục tiêu kiểm tra kết quả MPPT trong điều kiện bóng che, một dãy bốn tấm pin mặt trời được mắc nối tiếp nhau như trong Hình 4.4. Nhằm khác phục tình trạng dịng qua các tấm pin sẽ bằng nhau khi bị bóng che một phần, các diode1 đến diode4 được mắc ngược (chế độ bypass) với các tấm pin này. Ngoài ra diode5 được mắc nối tiếp với các tấm pin mặt trời có nhiệm vụ chống dịng điện ngược chạy về các tấm pin. Các diode được kết nối như trong mơ tả trong Hình 4.4.
Thơng số tổng của các dãy pin trong mô phỏng trong Bảng 4.2 như sau:
Bảng 4.2: Thông số tổng của dãy pin PV
No Parameters Array 1 Array 2 Array 3 Array 4 Total 01 Maximum Power (KW) 1.2 1.2 1.2 1.2 4.8 02 Open circuit voltage Voc (V) 21.6 21.6 21.6 21.6 86.4 03 Voltage at maximum power
point Vmp (V) 17.33 17.33 17.33 17.33 69.32 04 Short-circuit current Isc (A) 74.9 74.9 74.9 74.9 74.9 05 Current at maximum power
point Imp (A) 69.3 69.3 69.3 69.3 69.3
4.1.2 Khối mạch DC/DC và bus DC
Mạch DC/DC có nhiệm vụ chuyển cơng suất thu được từ pin NLMT qua bus DC khác mức điện áp so với điện áp của pin. Trong mơ hình mơ phỏng, một mạch chuyển đổi DC/DC Buck được dùng để cấp cơng suất điện cho một bus DC có cấp điện áp thấp hơn so với điện áp thu được trên hai đầu dãy pin mặt trời.
Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo cơng thức sau: . ON ON dongcat T D T f T (4.1)
Hình 4. 5 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
K
C1 C2
L
Đ
Trong thời gian mở, khóa K thơng cho dịng đi qua, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại khơng cho dịng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Điot khép kín mạch. Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
Hình 4. 6 Dạng sóng điện áp và dịng điện của mạch Buck
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lượng qua chu kỳ đóng cắt của khóa: Năng lượng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ = năng lượng thu từ nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lượng cấp cho tải trong suốt thời gian K khóa = năng lượng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khóa.
Hay cũng có thể phân tích dựa trên phương pháp sau:
Ở điều kiện xác lập, sự cân bằng năng lượng trên cuộn kháng trong thời gian khóa đóng mở được duy trì.
Do: L L dI V L dt (4.2)
nên khi K mở (TON):
TON TOFF T -Vo Vin-Vo V1 IL IL IK ID t t t t t
. ( )
L IN OUT ON
I L V V T
(4.3)
khi K khóa (TOFF):
. .
L OUT OFF
I L V T
(4.4)
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dịng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dịng điện được tính như sau:
max 0
1 2
L L
I I I (4.5)
Trong đó: I0 là dịng tải = OUT Tai
V
R = giá trị trung bình của dịng điện cảm ứng. Từ các công thức trên suy ra:
.
OUT IN
V V D (4.6)
Công thức (4.6) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thơng qua một mạch vịng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở TON. Do đó, bộ biến đổi này cịn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM.
Bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời.
Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất, bộ Buck còn thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dịng điện vào khơng liên tục vì khố điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt.
Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy. Dòng công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử. Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ.
Trong mơ hình mơ phỏng này, một nguồn DC được sử dụng với vai trò là bus DC dùng để gom cơng suất từ dãy pin mặt trời. Do có vai trị là bus DC nên điện áp trên hai đầu nguồn được giữ ổn định trong suốt thời gian vận hành tại một mức điện áp cụ thể đã cho trước.
Hình 4. 7 Sơ đồ khối chuyển đổi DC/DC Buck trong matlab simulink
4.1.3 Khối điều khiển
Khối điều khiển trong mơ hình mơ phỏng được mơ tả chi tiết như trong Hình 4.8 bên dưới. Trong mơ hình này, khối điều khiển lấy tín hiệu vào là các giá trị điện áp và dịng điện thu được trên tấm pin PV. Cơng suất thu được qua các tấm pin được tính bằng điện áp và dịng điện của chúng. Đây là các dữ liệu đầu vào dùng để xác định điểm MPPT trong thuật toán được đề xuất. Trong quá trình thực hiện thuật toán MPPT, giá trị điện áp tham chiếu được xuất ra tại ngõ ra để điều khiển mạch buck đưa điện áp ngõ ra các tấm pin về bằng với giá trị điện áp này.
Việc điều chỉnh điện áp trên các tấm pin được thực hiện thông qua một việc so sánh điện áp tham chiếu Vref với điện áp thực tại trên hai đầu các tấm pin với các trường hợp điều khiển như sau:
− Nếu điện áp tấm pin cao hơn điện áp tham chiếu: khóa K đóng lại để đưa cơng suất ra ngoài bus DC nhằm giảm điện áp trên hai đầu tấm PV. Lượng công suất trên tụ giảm xuống sẽ kéo giảm điện áp trên hai đầu tụ. Sau một thời gian, điện áp trên tụ sẽ tăng giảm quá điện áp tham chiếu. − Nếu điện áp tấm pin thấp hơn điện áp tham chiếu. Lúc này khóa K mở ra
nhằm ngăn khơng cho công suất bơm từ pin mặt trời lên bus DC. Lúc này, lượng công suất thu được trên các tấm pin mặt trời sẽ tích tụ trên hai đầu tụ điện. Lượng dữ trữ công suất tăng sẽ làm tăng điện áp trên tụ. Sau một thời gian, điện áp trên tụ sẽ tăng vượt quá điện áp tham chiếu.
− Cứ như vậy, việc liên tục đóng cắt khóa K tại một tần số cao sẽ thu được một điện áp một chiều trên các tấm PV có giá trị tương đương với giá trị với giá trị điện áp tham chiếu mong muốn tại điểm MPPT.
Hình 4. 8 Sơ đồ khối điều khiển trong mơ hình
4.1.4 Mơ hình mơ phỏng của hệ thống pin NLMT.
Sau q trình mơ hình hóa các khối chức năng của hệ thống pin NLMT, một mơ hình mơ phỏng hệ thống pin NLMT được đưa ra như trong Hình 4.9 bên dưới. Để ghi nhận các kết quả trong suốt q trình mơ phỏng, các khối workspace được dùng để thu thập các giá trị của các thơng số này.
Hình 4. 9 Mơ hình hóa mơ phỏng hệ thống pin NLMT
4.1.5 Mơ hình kiểm tra cơng suất dãy pin NLMT khi bị bóng che một phần.
Để có thể đánh giá được hiệu quả và độ chính xác trong việc xác định điểm GMPP trong phương pháp MPPT trong điều kiện bóng che được đề xuất, một mơ hình xác định mối tương quan giữa cơng suất và điện áp tại ngõ ra các tấm pin trong điều kiện bóng che một phần được thực hiện. Hình 4.10 mơ tả chi tiết mơ hình mơ phỏng được đề xuất. trong mơ hình bao gồm một dãy 4 pin NLMT được mắc nối tiếp nhau với các mức bức xạ mặt trời khác nhau tùy từng điều kiện mô phỏng. Ngõ ra của các tấm pin này được mắc vào một nguồn dịng có điều khiển nhằm điều chỉnh linh hoạt điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời.
Hình 4. 10 Mơ hình hóa mơ phỏng hệ thống pin NLMT kiểm chứng
Khi điện áp trên nguồn một chiều thay đổi sẽ tác động lên các tấm pin NLMT và làm dòng điện đầu ra của chúng cũng thay đổi theo. Kết quả của sự thay đổi này sẽ thu được mối liên hệ giữa điện áp và dòng điện tại ngõ ra của các tấm pin mặt trời như được thể hiện trong Hình 4.11 bên dưới.
Kết quả thu được từ mối quan hệ dòng điện và điện áp đầu ra hệ thống pin NLMT sẽ cho ta kết quả mối liên hệ giữa điện áp và công suất ngõ ra của pin NLMT tại các mức bức xạ mặt trời tương ứng khác nhau. Một cách trực quan, điểm công suất cực đại tồn cục và điểm cơng suất cực đại địa phương cũng sẽ được xác định như được minh họa trong Hình 4.12
Hình 4. 12 Tương quan điện áp – dịng điện trong mơ hình kiểm chứng
4.2 Kết quả mô phỏng
Để đánh giá tổng quan hiệu quả của phương pháp dị tìm điểm GMPP trong điều kiện bóng che một phần được đề xuất qua luận văn, nhiều trường hợp mô phỏng khác nhau được thực hiện nhằm bao quát các điều kiện có khả năng trong q trình hoạt động được thực hiện và các kết quả thu nhận được sẽ được trình bày chi tiết trong các phần dưới đây.
Trong mỗi trường hợp mô phỏng, mức bức xạ ban đầu được giữ bằng nhau tại tất cả các tấm pin, sau thời gian 0.5s sẽ xuất hiện hiện tượng bóng che một phần trên hệ thống pin này. Lúc này lượng bức xạ mặt trời mỗi tấm pin thu được có sự thay đổi khơng giống nhau và lần lượt nhận các mức bức xạ khác nhau. Khi đó giải thuật dị tìm MPPT trong điều kiện bóng che được đề xuất sẽ được dùng để xác định vị trí GMPP trên hệ thống pin này. Nhiều mức bức xạ mặt trời khác nhau được đưa ra với vị trí GMPP thay đổi khác nhau khi so với vị trí các LMPP sẽ được dùng để đánh giá khả năng dị tìm được điểm GMPP của hệ thống trong giải thuật được đề xuất. Các kết
quả qua quá trình mơ phỏng được ghi nhận trong từng trường hợp cụ thể như bên dưới.
4.2.1 Khi BXMT trên các tấm pin lần lượt là 1000, 1000, 1000, 400 W/m2
Trong trường hợp bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin lần lượt là 1000, 1000, 1000, 400 W/m2, kết quả thực thi mối liên hệ giữa công suất ngõ ra và điện áp trên các tấm pin được thể hiện như trong Hình 4.13. Qua hình có thể nhận thấy điểm GMPP đạt được tại mức điện áp 50.38V và có cơng suất cực đại lúc này là 3484.5W
Hình 4. 13 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt là 1000, 1000, 1000, 400 W/m2
Trong trường hợp này, để kiểm chứng chương trình tìm GMPPT bức xạ mặt trời ban đầu được chọn là 1000 W/m2, sau 0.5s thì bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin sẽ lần lượt là 1000, 1000, 1000, 400 W/m2. Kết quả đạt được trong mơ phỏng được thể hiện như trong Hình 4.14. Qua kết quả này nhận thấy khi có sự thay đổi cường độ bức xạ mặt trời tại thời điểm 0.5s, hệ thống đã nhanh chóng điều chỉnh điện áp ngõ ra hệ thống PV nhằm đưa điểm hoạt động về điểm MPP mới. Tuy nhiên, do chưa có sự tham gia của giải thuật tìm kiếm GMPP nên hệ thống khơng thể xác định điểm công suất cực đại mới này có phải là điểm GMPP hay khơng. Lúc này giải thuật tìm kiếm GMPP được khởi động sau khi có sự thay đổi điểm là việc của hệ thống pin. Sau quá trình tìm kiếm khoảng 0.8s (tại thời điểm 1.4s), hệ thống đã xác định đúng được điểm GMPP với các thông số được đưa ra đúng như trên.
Hình 4. 14 Cơng suất và điện áp ngõ ra hệ thống pin NLMT trong thời gian mơ phỏng với chương trình tìm điểm GMPP ở mức BXMT từ 1000W/m2 sang 1000, 1000,
1000, 400 W/m2
4.2.2 Khi BXMT trên các tấm pin lần lượt là 1000, 400, 400, 400 W/m2
Trong trường hợp bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin lần lượt là 1000, 400, 400, 400 W/m2, kết quả thực thi mối liên hệ giữa công suất ngõ ra và điện áp trên các tấm pin được thể hiện như trong Hình 4.15. Qua hình có thể nhận thấy điểm GMPP đạt được tại mức điện áp 71.4V và có cơng suất cực đại lúc này là 2015.3W
Hình 4. 15 Mối tương quan P-V của hệ thống PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt là 1000, 400, 400, 400 W/m2
Trong trường hợp này, để kiểm chứng chương trình tìm GMPPT bức xạ mặt trời ban đầu được chọn là 1000 W/m2, sau 0.5s thì bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin sẽ lần lượt là 1000, 400, 400, 400 W/m2. Kết quả đạt được trong mơ phỏng được thể hiện như trong Hình 4.16. Qua kết quả này nhận thấy khi có sự thay đổi cường độ bức xạ mặt trời tại thời điểm 0.5s, hệ thống đã nhanh chóng điều chỉnh điện áp ngõ ra hệ thống PV nhằm đưa điểm hoạt động về điểm MPP mới. Tuy nhiên, do chưa có sự tham gia của giải thuật tìm kiếm GMPP nên hệ thống không thể xác định điểm công suất cực đại mới này có phải là điểm GMPP hay khơng. Lúc này giải thuật tìm kiếm GMPP được khởi động sau khi có sự thay đổi điểm là việc của hệ thống pin. Sau quá