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, khơng 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 thơng 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 khơng 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.
29
Hình 2.18 (a) cho thấy một sự sắp xếp thực tế hơn của mảng PV, trong đó có hai loại điốt (đường vòng 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 dịng điện ngược.
Hình 2. 18 Vai trò 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 mô-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
30
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 cơng suất cực đại (MPP) và trong trường hợp này có ba điểm. Chỉ có một MPP toàn 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
31
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 mơ 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 toàn cục (GMPP), và hoạt động tại bất kỳ điểm nào khác có thể làm giảm đáng kể cơng suất sẵn có.
32
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 dịng ngắn mạch, kiểm sốt 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 theo dõi và trạng thái ổn định [44-46], khơng thể phân biệt được cực đại tồn cục hoặc cục bộ hoặc chỉ hoạt động hiệu quả dưới một số điều kiện không đồng nhất[47-48]. Các kỹ thuật này cũng có thể bị phụ thuộc vào các thông số cụ thể của hệ thống thay đổi theo thời gian [40], [49-50], nhầm lẫn trong điều kiện môi trường thay đổi nhanh [46] và tổn thất công suất trong các phép đo như điện áp hở mạch và Dòng ngắn mạch [40], [45-51].
Trong điều kiện ngồi trời, độ chiếu sáng có thể thay đổi nhanh chóng và trên các hệ thống PV lớn, vấn đề mây che có thể gây ra các hiện tượng bóng che. Các trở ngại trong mơi trường như cây cối và các tòa nhà cũng dẫn đến việc che bóng các bộ phận của hệ thống. Trong luận văn này, sự kết hợp của bóng tĩnh từ các vật thể và
33
bóng động từ việc mây che phủ…. sẽ được gọi là điều kiện PV bị bóng che từng phần (Partial Shading Conditions -PSC).
Đối với các điều kiện đồng nhất, các yêu cầu chính cho kỹ thuật MPPT bao gồm theo dõi nhanh, phản ứng nhanh với những thay đổi về điều kiện môi trường, độ bền của sự nhiễu loạn và sự xuống cấp của các tấm panel do tuổi tác gây ra và có hiệu quả cao trong phạm vi công suất rộng [51]. Trong điều kiện PSC, những yêu cầu này vẫn được áp dụng, nhưng kỹ thuật này cũng phải có khả năng theo dõi GMPP chứ khơng phải là một MPP địa phương. Kỹ thuật MPPT (GMPPT) tồn cục cần có khả năng xác định nhanh chóng cực đại tồn cục theo các điều kiện thay đổi với chi phí hợp lý và sự phức tạp trong triển khai, và khơng có các tham số phụ thuộc hệ thống.
Luận văn này sẽ đưa ra phương án để giải quyết các điều kiện bức xạ nhanh chóng thay đổi mà trong đó những hạn chế của kỹ thuật MPPT thông thường (P&O; INC) sẽ không thực hiện được.
34
Chương 3: ĐỀ XUẤT THUẬT TOÁN ĐÁP ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI KIỆN THAY ĐỔI
3.1 Phân tích các đường cong đặc trưng trong điều kiện PSC
Nhằm tránh việc quét trên toàn bộ các điện áp của pin một cách vô định, các phương pháp để xác định sự hiện diện của PSC là rất cần thiết. Cần lưu ý rằng khi một dãy PV nằm trong điều kiện bức xạ mặt trời giống nhau Hình 3.1 (a), mỗi mơ đun PV hoạt động như một nguồn, và tất cả các mô đun đều giống hệt nhau về điện áp, dịng điện và cơng suất ngõ ra bất cứ lúc nào. Nhưng trạng thái này thay đổi khi có bóng che.
Hình 3. 1 Cấu hình pin NLMT với hai mức bức xạ khác nhau
Hình 3.2 (a) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau. Mảng PV khơng bị bóng che
35
Hình 3. 2 (b) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau. Một module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3.2 (c) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau. Hai module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
Hình 3.2 (d) Các đường đặc tính P-V và I-V trong các điều kiện bóng che khác nhau. Ba module PV bị bóng che với mức bức xạ 400W/m2
36
Hình 3. 3 Điện áp ngõ ra mỗi mơ đun với cơng suất ngõ ra
Hình 3. 4 Cơng suất đầu ra của module PV với điện áp đầu ra mô đun không bị che và điện áp đầu ra module bị che.
Hình 3.2 (c) là một ví dụ trong phân tích sau: các mơ đun trong dãy nối tiếp được tiếp xúc với hai cường độ bức xạ mặt trời khác nhau, và mức bức xạ mặt trời tương ứng là 1000 và 400 W/m2. Các điện áp của các mô-đun được tiếp xúc với mức bức xạ khác nhau là hoàn toàn khác nhau. Hai đỉnh trên đường cong P-V được chia thành hai phần riêng biệt, như thể hiện trong Hình 3.2 (c). Phần A là đường cong có chứa đỉnh trái (đường cong D-A-C), và phần B là đường cong có chứa đỉnh phải (đường cong C-B-E). Trong phần A, dòng điện của PV lớn hơn dòng điện tối đa mà module PV có thể sản xuất khi bị bóng che (M3 và M4). Do đó, dịng điện sẽ chảy qua diode đấu ngược của mỗi mơ-đun. Ở giai đoạn này, chỉ có PV M1 và M2 cung cấp nguồn điện, còn PV M3 và M4 đã bị bỏ qua bằng các điốt. Các đường cong đặc trưng
37
của điện áp mô đun PV với công suất ra được thể hiện trong Hình 3.3 (a) và 3.3 (b). Điện áp của PV M3 và M4 xấp xỉ âm 0.7 V (điện áp chuyển tiếp của diode) trong phần A, như thể hiện trong Hình 3.3 (b). Do đó, điện áp mô đun bằng với điện áp âm của diode (điện áp chuyển tiếp đi qua diode) có thể được sử dụng như là một trong những cách hiệu quả để ước tính tình trạng che bóng một phần. Trong phần B, tất cả các mô đun PV đều cung cấp năng lượng, nhưng các mơ đun khơng bị bóng che và bị bóng che đều có điều kiện làm việc khác nhau. Bởi vì các mơ đun PV nhận được một lượng bức xạ mặt trời khác nhau, điện áp của các mô đun PV khác nhau. Trong phần B (đường cong C-B-E), điện áp của các mơ đun khơng bị bóng che lớn hơn mơ-đun bị bóng che, như thể hiện trong Hình 3.4. Rõ ràng đây là một chỉ báo khác để xác định ảnh hưởng của bóng che một phần.
Theo phân tích trên, một số các quan sát được tóm tắt lại như sau:
− Các đường cong I-V trong điều kiện bóng che một phần có nhiều bước, trong khi các đường cong P-V được đặc trưng bởi nhiều đỉnh.
− Số lượng đỉnh tương đương với số lượng các mức độ bức xạ khác nhau được chiếu xạ trên mảng PV, và bất kỳ đỉnh nào cũng có thể là GMPP.
− Điện áp của mô đun PV nhận được bức xạ mặt trời khác nhau là khác nhau.
Điện áp của mô đun PV được bỏ qua bởi một diode bằng với giá trị âm của điện áp diode tại lớp tiếp giáp PN.
3.2 Giải thuật đề xuất tìm điểm MPPT khi các dãy pin bị bóng che một phần (Mức bức xạ trên các PV bị che là đồng đều) (Mức bức xạ trên các PV bị che là đồng đều)
Hình 3. 5 Các dãy pin màu đen có mức bức xạ (Ir=400W/m2) với dãy pin màu trắng có mức bức xạ (Ir=1000W/m2) trên một mảng PV
38
Ở hình minh họa 3.5 ta thấy trên một mảng PV trong đó các module bị bóng che một phần đều có chung một mức là 400W/m2. Các module cịn lại khơng bị bóng che đều ở mức bức xạ là 1000W/m2. Như vậy ở đây mảng PV đã bị bóng che một phần nhưng có mức bức xạ các pin bị che là như nhau. Thuật toán bên dưới áp dụng cho trường hợp này và được kiểm chứng trong phần kết quả mơ phỏng (Chương 4).
Hình 3.6 cho thấy lưu đồ của thuật toán MPPT được cải tiến để theo dõi GMPP trong điều kiện bóng che một phần. Việc thực hiện các thuật tốn ln bắt đầu với giá trị điện áp tham chiếu (Vref ) được thiết lập là 85% điện áp hở mạch Voc(khối 1) như trong chương trình chính đồng thời nhập thông số ban đầu là số lượng module PV (N: số lượng module). Dưới bức xạ mặt trời đồng nhất, chỉ có một đỉnh trong đường cong P-V. Các phương pháp MPPT truyền thống như theo dõi và quan sát (P & O) có thể hoạt động tốt. Do đó, cho đến khi bóng che xảy ra, nó duy trì hoạt động tại GMPP bằng cách liên tục thực hiện phương pháp P & O (khối 2 và 3). Khi một MPP được tìm thấy, nó sẽ lưu trữ thơng tin điểm cực đại này, ví dụ như cơng suất dãy PV và điện áp dãy PV (khối 4). Một chương trình ngắt định thời được sử dụng để đảm bảo kiểm tra thường xun điều kiện bóng (khối 5). Khi điện áp mơ đun PV lớn hơn một điện áp khác trong cùng một điểm (Vi Vj), điều đó có nghĩa là bóng che một phần đã xảy ra. Khi sự sai số tuyệt đối giữa hai điện áp này lớn hơn một hằng số đã xác định trước (được sử dụng để loại bỏ sự xáo trộn của mẫu và những khác biệt nhỏ do sự thay đổi