Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mơ tả như sau:
1 C qV kT A PH S I I I e (2.4)
Và dòng bão hịa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:
1 OC Ref SC RS qV kAT I I e (2.5)
2.3.3 Phương trình tương đương của bộ pin NLMT
Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5 V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mơ đun pin mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mơ tả như Hình 2.7:
Hình 2. 7 Mơ đun pin mặt trời Mạch điện Hình 2.7 được miêu tả bởi biểu thức sau:
1 S C PH qV N kT A P P S I N I N I e (2.6)
Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện, nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ mơi trường. Nhiệt độ của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành bình thường (NOCT- Normal Operating Cell Temperature).
Hình 2. 8 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau
Hình 2. 9 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
Qua phương trình (2.6) nhận thấy rằng ngồi việc thay đổi đường đặc tuyến I-V và P-V theo cường độ bức xạ thì đường đặc tuyến này cũng thay đổi theo sự thay đổi của nhiệt độ của pin. Mối tương quan giữa nhiệt độ và đường đặc tuyến I-V và P-V được thể hiện lần lượt qua các Hình 2.10 và 2.11.
Hình 2. 10 Đường đặc tuyến I-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi
Hình 2. 11 Đường đặc tuyến P-V tại S=1000W/m2 khi nhiệt độ pin thay đổi Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là khơng biết trước và nó ln Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là khơng biết trước và nó ln thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ. Do đó, cần có một thuật tốn để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộ điều khiển MPPT.
Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiển theo điện áp tham chiếu được trình bày như Hình 2.12.
Hình 2. 12 Cấu trúc điều khiển MPPT của dàn PV
2.4.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát 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 công suất, ΔP được quan sát như trình bày trong [16, 17] lần lượt bởi Sivagamasundari và Chaudhari.
Hình 2.13 mơ tả nguyên lý hoạt động của thuật toán 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 2. 13 Đường đặc tính P-V và thuật tốn P&O
Để thực hiện được nguyên tắc xác định điểm MPP, một lưu đồ thuật tốn được đưa như trong Hình 2.14 như sau:
− Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dịng điện I và điện áp V, sau đó tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
− Nếu ∆P. ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref. − Nếu ∆P. ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref.
− Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo.
Hình 2. 14 Lưu đồ thuật toán P&O
2.4.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
Thuật toán INC dựa trên thực tế độ dốc của đường cong công suất bằng khơng tại điểm MPP được trình bày lần lượt trong các nghiên cứu [25-28] đã cho thấy:
− Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP. − Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP.
Đặc tính P-V và thuật tốn INC được minh hoạ trên Hình 2.15. − dP/dV = 0, tại MPP
− dP/dV > 0, ở bên trái MPP − dP/dV < 0, ở bên phải MPP
dP / dV=d(IV) / dV=I+V(dI / dV)≈I+V(ΔI /ΔV) nên ta có thể viết lại là :
− ∆I/∆V = -I/V, tại MPP − ∆I/∆V> -I/V, ở bên trái MPP − ∆I/∆V< -I/V, ở bên phải MPP
Hình 2. 15 Đường đặc tính P-V và thuật tốn INC
Lưu đồ thuật tốn Hình 2.16 giải thích sự hoạt động của thuật toán INC điều khiển theo điện áp tham chiếu. Các giá trị ḍng điện và điện áp của PV được đo và sau đó sử dụng các giá trị tức thời và giá trị trước đó để tính tốn các giá trị gia tăng của ∆I và ∆V. Thuật toán sẽ kiểm tra điều kiện của phương trình ở Hình 2.15.
− Nếu điểm hoạt động nằm phía bên trái điểm MPP thì chúng ta phải di chuyển nó sang bên phải bằng cách tăng điện áp của PMT.
− Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang bên trái tức là phải giảm điện áp PMT.
− Khi điều kiện ∆I/∆V = -I/V được thỏa mãn (chính là các điểm MPP) thì thuật tốn này sẽ bỏ qua việc điều chỉnh điện áp.
− Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này là phát hiện điều kiện của môi trường. Nếu điểm hoạt động vẫn ở điểm MPP (điều kiện ΔV= 0) và điều kiện bức xạ không thay đổi (ΔI = 0) thì sẽ khơng phải điều chỉnh điện áp hoạt động. Nếu như bức xạ tăng (ΔI > 0) thì điện áp MPP giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp hoạt động để theo dõi điểm MPP. Nếu bức xạ giảm (ΔI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao hơn, phải giảm điện áp hoạt động để theo dõi
điểm MPP. Vào chu kỳ cuối, nó sẽ cập nhật lịch sử bằng cách lưu các giá trị điện áp và dòng điện hiện tại, sẽ sử dụng chúng như là các giá trị trước đó cho chu kỳ tiếp theo.
Hình 2. 16 Lưu đồ thuật tốn INC
2.5 Hiện tượng bóng che một phần và các ảnh hưởng
Bóng che một phần (Partial Shading Conditions -PSC) là một điều kiện mà tại đó ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đều trên tất cả các tấm pin, các tế bào quang điện. Điều này dẫn đến hiện tượng bất ổn và các đặc tính I-V và P-V phức tạp. Hầu hết, bóng che một phần xảy ra khi các tế bào PV nhất định trên tấm PV hoặc cả tấm được che khuất khỏi ánh sáng mặt trời trực tiếp. Nghiên cứu chỉ ra rằng hầu hết các bóng che một phần xảy ra do cây xung quanh, mây che phủ, nhà cửa, phân chim, bụi / lá, nước và góc độ nghiêng của tấm pin mặt trời. Bóng che hồn tồn cũng tạo ra những vấn đề tương tự cho các hệ thống PV nhưng không được thảo luận nhiều như bóng che một phần vì lượng bức xạ mặt trời chiếu xuống các tấm pin PV là như nhau.
Hình 2. 17 Minh họa hiện tượng bóng che một phần
Ví dụ ở Hình 2.17 các cây cối, các tịa nhà và những đám mây gần đó là những lý do chính cho việc che bóng từng phần. Các lý do khác, không được hiển thị trong biểu đồ, cũng ảnh hưởng đến hiệu suất của một hệ thống PV và bao gồm nhiệt độ khác nhau, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly.
Phương pháp theo dõi điểm cực đại (MPPT) thường là một phần thiết yếu của một hệ thống PV vì các đặc tính phi tuyến tính của mảng PV. Trong các điều kiện khí quyển thống nhất, mảng PV thể hiện một điểm cơng suất lớn nhất (MPP) có thể được theo dõi bằng các kỹ thuật MPPT thông thường . Dưới điều kiện bóng che từng phần, tình huống trở nên phức tạp hơn khi PV tạo ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMs) [6-9], một trong số đó là một GM tồn cục. Bóng che một phần là một hiện tượng khi một số mô-đun trong mảng PV nhận được mức chiếu xạ khác nhau do bụi, thời tiết nhiều mây hoặc từ bóng của các tịa nhà gần đó, cây cối, núi, vv. Thật vậy, che chắn một phần thực tế không thể tránh khỏi trong việc xây dựng các hệ thống PV tích hợp. Thật không may, các phương pháp MPPT thông thường không đủ khả năng để xử lý các điều kiện bóng mờ một phần. Theo [10,11], tổn thất năng lượng do sự hội tụ thuật tốn MPPT đến điểm cơng suất cực đại địa phương (LM) thay vì GM có thể lên tới 70%. Do đó, cần phải phát triển các phương pháp tìm MPPT mới có thể tìm kiếm GM từ tất cả các LM hiện có.
Hình 2.18 (a) cho thấy một sự sắp xếp thực tế hơn của mảng PV, trong đó có hai loại điốt (đường vịng và chặn) được nối vào. Trong suốt một phần bóng, nhiều mơ- đun PV được chiếu sáng ít hơn và hoạt động như một bộ phận thay thế máy phát [18- 19,20]. Tình trạng này làm giảm tổng phát điện và có thể gây ra vấn đề nóng [12]. Để bảo vệ các mơ-đun khỏi vấn đề nóng, một hoặc nhiều điốt bypass được nối song song với một nhóm các tế bào trong mỗi mơ-đun PV [13]. Các khóa điốt được kết nối vào cuối mỗi chuỗi PV để bảo vệ mảng không bị ảnh hưởng bởi sự mất cân bằng hiện tại giữa các dãy PV khác nhau tạo nên các dòng điện ngược.
Hình 2. 18 Vai trị Diode bảo vệ trong dãy PV
Hình 2.18 (a) cho thấy rằng mảng PV nhận được một bức xạ đồng đều, các điốt bypass của mỗi chuỗi đều có xu hướng phân cực ngược. Do đó, dịng điện trong PV chảy qua mơ-đun PV và kết quả đường cong P-V biểu diễn một MPP duy nhất. Tuy nhiên, trong điều kiện bóng mờ từng phần thể hiện trong hình. 2.18 (b), chuỗi S1 nhận được mức chiếu xạ đồng đều, nhưng mơ đun được tơ bóng của chuỗi S2 nhận được bức xạ mặt trời giảm. Sự khác biệt về điện áp giữa hai mô-đun được chiếu xạ khác nhau của S2 chạy qua diode bỏ qua S2 của mơ-đun bóng mờ. Kết quả là đường cong P-V cho S2 được đặc trưng bởi hai LMs. Có thể khẳng định rằng trong suốt q trình
bóng mờ một phần, việc kích hoạt các điốt bằng đường vịng biến đổi đường cong P-V thành đường cong phức tạp hơn - đặc trưng bởi nhiều LM.
Hình 2. 19 Đồ thị mối tương quan P-V khi có hiện tượng bóng che
Các đặc tính P-V thể hiện trong Hình 2.2 có thể đại diện cho một tấm PV trong điều kiện bình thường. Tuy nhiên, ví dụ được thấy trong Hình 2.19 cho thấy các đặc tính P-V của mảng PV có thể bị ảnh hưởng bởi các bóng che trong các điều kiện khác nhau. Đường cong P-V có nhiều đỉnh do đó nó có nhiều điểm công suất cực đại (MPP) và trong trường hợp này có ba điểm. Chỉ có một MPP tồn cục và hai MPP địa phương, trong đó MPP tồn cục có giá trị MPP cao nhất trong đường cong P-V.
Theo dõi các điểm công suất cực đại là một cân nhắc quan trọng trong các hệ thống quang điện, đặc biệt là khi các hệ thống này tăng kích thước và tiếp xúc với các điều kiện môi trường không đồng nhất. Các kỹ thuật MPPT thông thường được thiết kế để theo dõi điểm công suất cực đại trong các điều kiện đồng nhất, nơi có một điểm cơng suất lớn nhất. Trong các điều kiện môi trường không đồng nhất, với các điốt bypass được tích hợp vào mạch điện, các đường đặc tính cơng suất - điện áp trở nên phức tạp hơn dẫn đến có nhiều điểm MPP. Trong những điều kiện như vậy, các kỹ thuật MPPT thông thường khơng thể theo được điểm MPP lớn nhất và có thể dẫn đến
tổn thất năng lượng đáng kể. Luận văn đánh giá các phương pháp được thiết kế để giảm thiểu sự phức tạp phát sinh từ điều kiện môi trường không đồng đều trong hoạt động của hệ thống PV.
Các tế bào PV có mức dòng điện và điện áp rất thấp và thường được cấu hình trong các chuỗi nối tiếp và sau đó song song để hình thành mơ đun PV [34-35]. Các mơ-đun sau đó được nối thành chuỗi và song song để tạo thành mảng. Các đặc tính I- V và P-V của ba mô-đun kết nối với nhau trong điều kiện môi trường thống nhất được thể hiện trong Hình 2.20.
Hình 2. 20 Đặc tính I-V và P-V của ba tấm pin PV trong môi trường đồng nhất Khi tất cả các tế bào trong một mô-đun (hoặc tất cả các mô-đun trong một mảng) Khi tất cả các tế bào trong một mô-đun (hoặc tất cả các mô-đun trong một mảng) đều trải qua cùng điều kiện môi trường về độ bức xạ và nhiệt độ, các đặc tính này chỉ đơn giản là mở rộng từ trường hợp của một tế bào đơn lẻ. Tuy nhiên, nếu một tế bào đơn lẻ trong một chuỗi bị che khuất, khả năng đầu ra của toàn bộ chuỗi sẽ được giới hạn ở mức của ô bị bóng che nhiều nhất. Để giảm nhẹ tác động này, các diode bypass được đưa vào mô-đun để cung cấp một đường dẫn thay thế và đảm bảo tránh khỏi sự hình thành điểm nóng và tổn hại đến tế bào PV[35]. Đối với một mơ-đun có diode bypass, khi các điều kiện môi trường không đồng nhất xảy ra trên các ô hoặc các mô đun, các đặc tính trở nên phức tạp hơn. Trong trường hợp các điều kiện không đồng nhất cho 3 mơ-đun, các đặc tính I-V và P-V kết quả được hiển thị trong Hình 2.21. Trong trường hợp này, có ba điểm duy nhất có thể là Điểm năng lượng cực đại (MPP). Tuy nhiên, chỉ một trong số đó là GMPP thực tế tồn cục (GMPP), và hoạt động tại bất kỳ điểm nào khác có thể làm giảm đáng kể cơng suất sẵn có.
Hình 2. 21 Đặc tính bóng che một phần với bức xạ 1000W/m2, 700W/m2, 300W/m2 Các chiến lược MPPT được thiết kế để cho phép một hệ thống PV theo dõi công suất tối đa tối ưu. Nhiều kỹ thuật này dựa trên việc sử dụng gradient của đường cong P-V để định vị MPP ví dụ như trong các nghiên cứu [36-39]. Kết quả là, các kỹ thuật này có thể theo dõi điểm tồn cục hoặc địa phương vì khơng có cơ chế để phân biệt cục bộ hay tồn cục.
Các kỹ thuật MPPT thông thường bao gồm theo dõi và quan sát (P&O), tăng tổng dẫn (INC), điện áp mạch hở và dòng ngắn mạch, kiểm soát tương quan Ripple, quỹ đạo MPP, điều khiển kiểm soát cực trị (ESC), cực đại hóa điện áp tải và dịng điện tải và các phương pháp khác được trình bày cụ thể trong các nghiên cứu [40-43]. Hầu hết các kỹ thuật này được thiết kế để xử lý trường hợp điều kiện môi trường đồng nhất và do đó chúng dừng lại khi xác định vị trí cực đại đầu tiên. Trong điều kiện không đồng nhất, các kỹ thuật này có thể dẫn đến năng lượng hệ thống ít hơn đáng kể so với năng lượng PV phát ra. Những hạn chế khác của các kỹ thuật này nữa là tốc độ