-Tăng V PV ở tấm PV .
-Cân bằng cơng suất trung bình ở mảng PV nối đến lưới để V PV > VDC - Phát ra dòng điện Iac để kết nối với lưới điện xoay chiều và thoả điều kiện: Pac = PDC * ηDC-DC* ηDC-AC
Chương 3: CÁC THUẬT TỐN VỀ HỆ MPPT VÀ MƠ PHỎNG PHẦN MỀM MATLAB
3.1. Liệt kê các thuật toán
1. Peturb and Observe (P&O)
7.Ripple Correlation Control
2.Incremental Conductance
8.Current Sweep
3.Fractional Open – Circuit Voltage
9.DC Link Capacitor Droop Control
4.Fractional Short-
Circuit Current
10.Load Current or Load Voltage Maximization
5.Fuzzy Logic Control 11.dP/dV or dP/dI Feedback Control 6.Neural Network 12. Kết hợp giữa Fuzzy và Artificial
Neural Network
3.2. Nội dung 3 thuật toán có sẳn trong Psim 9.0
3.2.1. Thuật tốn Hill-Climbing/ Peturb and Observe (P&O)
Thuật toán P&O là phương pháp dị tìm Pmax theo sự biến thiên của điện áp trên module PV.
Bảng 3.1: B ảng tổng kết giải thuật P & O
Perturbation Change in Power Next Perturbation
Positive Positive Positive
Positive Negative Negative
Negative Positive Negative
Negative Negative Positive
3.2.1.1 Thuyết minh bảng giải thuật
Đặt:
* Perturbation ( Điện áp ở chu kỳ đầu) = Ạ
* C= Next Perturbation ( điện áp ở chu kỳ kế tiếp)
Xét về dấu C = A x B, nếu A và B cùng dấu thì C> 0 (positive : dương- tăng ) Nếu A khác dấu với B thì C<0 ( negative : âm- giảm )
3.2.1.2 Ưu nhược điểm của giải thuật P&O :
Giải thuật P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường (cường độ chiếu sáng) thay đổi quá nhanh. Trong điều kiện môi trường không thay đổi: đường cong P1 không đổi, điểm hoạt động của pin PV dưới giải thuật P&O sẽ dao động xung quanh điểm cực đại Ạ Khi bị lệch từ A sang C, C là điểm môi trường thay đổi P1 thành P2, giải thuật P&O sẽ hoạt động sai: điểm hoạt động sẽ khơng cực đại cơng suất.
Hình 3.1: Sự phân kỳ của thuật toán leo đồi quan sát từ MPP cho ở [9]
3.2.2 Thuật toán Incremental Conductance (tăng độ dẫn)
Phương pháp tăng độ dẫn là phương pháp dựa trên hiện tượng độ dốc đường cong công suất của mảng PV.
Hình 3.2: Đặc tuyến P-I (V)
là 0 tại MPP, dương về phía bên trái của MPP, và âm ở bên phải , được cho bởi:
right dV dP left dV dP at dV dP , 0 / , 0 / , 0 / của MPP (1)
(1) có thể viết lại như sau: right V I V I left V I V I at V I V I , / / , / / , / / của MPP (3)
Điểm MPP có thể truy bắt được bởi việc so sánh thường xuyên độ dẫn [ I/V = 1/R (điện dẩn) ] để làm gia tăng độ dẩn ΔI/ ΔV như biểu diễn ở (hình V.3) . Vref là điện áp tham chiếu tại mảng PV bắt buộc phải hoạt động. Tại MPP, Vref = VMPP. Ngay lúc đó MPP đạt được, sự hoạt động của mảng PV thì được duy trì tại điểm này, trừ khi thay đổi ΔỊ Cần lưu tâm việc xác định sự thay đổi của mơi trường và điểm MPP. Thuật tốn giảm hoặc tăng Vref để tìm điểm MPP mớị
Hình 3.3: Thuật toán tăng độ dẫn
3.2.3. Thuật toán dùng Fuzzy Logic để điều khiển hệ MPPT
Khi ánh sáng và nhiệt độ mặt trời thay đổi nhanh thì kỹ thuật P & O khơng đáp ứng được, việc truy bắt điểm MPPT sẽ khơng chính xác, khi đó ta dùng thuật tốn Fuzzy logic để thay thế.
3.2.3.1 Các bộ điều khiển Fuzzy
-Direct Controller : Bộ điều khiển trực tiếp -Supervisory Control: Giám sát sự điều khiển
-PID Adaption ( Bộ đáp ứng PID) : Proportional Intergral Derivative/ Lấy đạo hàm, tích phân với giá trị là một dãy số liệu ( một khoảng) .
- Proportional : làm cân xứng, cân đối
- Intergral: có nhiệm vụ loại trừ lỗi ở chế độ xác lập - Derivative action: có chức năng tăng tốc độ đáp ứng
3.2.3.2 Các khối cơ bản trong chu trình Fuzzy Logic
Hình 3.4 : Cấu trúc của Fuzzy Logic
3.2.3.3 Hàm thành viên
Hình 3.5: Membership function for inputs and output of fuzzy logic controller
Trong đó : Negative Big (NB), Negative Small (NS), Zero (ZE), Positive Small( PS), Positive Big (PB).
3.2.3.4 Cấu trúc của khối Fuzzy Logic
Nhìn chung fuzzy logic control bao gồm 3 phần ( tầng) chính :
-fuzzification ( fuzzy hố): số biến số đầu vào thì được chuyển đổi thành biến ngôn ngữ dựa trên hàm thành viên, xem ( hình V.4 )
- Giải mã fuzzy
-Bảng luật cơ bản / Suy diễn
3.2.3.5 Năng lượng (E) và Sai số của năng lượng ΔE
- Cách tính E và E ) 1 ( ) ( ) 1 ( ) ( ) ( n V n V n P n P n E Và E = E(n)-E(n-1)
-MPPT fuzzy logic controller cho thấy nó thực hiện tốt với điều kiện khí quyển thay đổi
3.2.3.6 Hoạt động của fuzzy logic kép cho việc truy bắt điểm MPP
Hình 3.6: Sơ đồ khối về hoạt động của fuzzy logic kép cho việc truy bắt điểm MPP
FLC : Fuzzy Logic Control, OFLC: Optimized Fuzzy Logic Control Fuzzy Logic Control : Gía trị cơng suất có khi tăng đột biến
OFLC : Gía trị cơng suất tăng từ từ
3.3. Thuật tốn P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần
Đây là một thuật toán được kết hợp với thuật toán P&O trong trường hợp điều kiện dãy PV có cường độ bức xạ khơng đồng nhất(dãy PV bị bóng che một phần bởi các đám mây, tòa nhà v.v.. ).
Hình 3.7: Đường cong P – V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần
Lúc này, những đường cong V–I và P–V của dãy quang điện trong điều kiện một phần bị bóng che được đặc trưng bởi nhiều nấc và đỉnh . Nhiệm vụ thuật tốn là để theo dõi cơng suất đỉnh GP (global peak: đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất) trong điều kiện một phần bị bóng chẹ
Việc xây dựng thuật toán, trước hết là dựa trên một thuật ngữ đặc biệt để mơ tả và giúp đơn giản hóa một dãy PV lớn bị bóng che phức tạp và sau đó nghiên cứu các đặc tính PV, những quan sát trạng thái của các đỉnh global và local (là các đỉnh công suất nhưng khơng phải là lớn nhất) của dãy PV bị bóng chẹ
3.3.1 Hiện tượng bóng che và các thuật ngữ đặc biệt
Mơ hình này sử dụng một thuật ngữ đặc biệt để mơ tả dãy bị bóng che một phần, như mơ tả trong hình 2.18. Các thuật ngữ này giúp đơn giản hóa các mơ hình bị bóng che phức tạp của dãy PV lớn, từ đây, nghiên cứu đặc tính của dãy PV lớn bị bóng chẹ
Hình 3.8: Thuật ngữ sử dụng cho những phần tử của dãy PV bị bóng che một phần; (a) PV module, (b) tập hợp nối tiếp với 2 tập hợp con, (c) nhóm, (d) dãy với 3 nhóm
Một module PV [Hình 3.8 (a)] được coi là bị bóng che nếu ba hoặc nhiều hơn các cell của nó nhận được sự chiếu nắng thấp hơn so với bình thường.
- Kết nối nối tiếp các module PV, mà nhận được cùng cường độ bức xạ, thì hình thành một “tập hợp con” ("subassembly") [Hình 3.8 (b)].
- Kết nối nối tiếp những tập hợp con, với mỗi tập hợp con có cường độ bức xạ khác nhau, thì tạo thành một “tập hợp nối tiếp” (“series assembly”).
- Một "nhóm" (“group”) hình thành từ một số tập hợp nối tiếp tương tự (có đặc tính P- V giống nhau) được kết nối song song với nhau[Hình 3.8 (c)].
- Nhiều nhóm được kết nối song song, với nhau thì tạo thành một “dãy PV” (“PV array”) [Hình 3.8(d)].
Một ví dụ đơn giản của dãy PV bị bóng che, được thể hiện trong hình 3.8(d), chỉ có ba nhóm riêng biệt.
Hình 3.9 cho thấy các đường cong tương ứng với dãy P -V nàỵ Các đường cong P- V C1, C2, và C3 là của một “tập hợp nối tiếp”("Series assembly") của nhóm 1, nhóm 2 và nhóm 3, được thể hiện trong hình 3.9(a). Hình 3.9(b) cho thấy các đường cong P-V D1, D2 và D3 là của toàn bộ các nhóm 1, nhóm 2 và nhóm 3, thu được bằng cách cộng gộp các đường cong C1, C2, và C3 trên trục dòng điện. Quan sát thấy được rằng các đỉnh công suất PS1, PS2, PS3 xảy ra tại V1 = 65V, V2 = 114V, V3 = 163V
Hình. 3.9: (a) C1, C2 và C3 tương ứng với các đường cong P-V cho tâp hợp nối tiếp
của nhóm 1, 2, 3. (b) D1, D2, D3 tương ứng với các đường cong P-V cho các nhóm 1, 2, 3. (c) kết quả cuả đường cong P-V cho toàn bộ dãỵ
Điều quan trọng cần lưu ý là kể từ bốn module khơng có bị bóng che trong mỗi tập hợp nối tiếp của nhóm 1, đỉnh cơng suất PS1 xảy ra gần ở điện áp V1 = 4 × 16,3 = 65V, trong đó 16,3V là 80% điện áp hở mạch của module (VOC_module) xem xét.
Một lý luận tương tự có thể được áp dụng cho PS2 và PS3, xảy ra gần V2 (= 7 x 16,3 = 114V) và V3 (= 10 × 16,3 = 163V).
Vị trí của các đỉnh PS1, PS2, PS3 điều chỉnh vị trí của các đỉnh PG1 đến PG3 [Hình 3.4 (b)] và từ đây, cũng dẫn đến điều chỉnh vị trí các đỉnh PAmax1 đến PAmax3 trên đường cong P-V của toàn bộ dãy [Hình 3.9(c)]. Do đó, các đỉnh PAmax1, PAmax2, và PAmax3 xảy ra gần như ở điện áp V1, V2, và V3, tương ứng.
Hình. 3.10: (a)Bảng tóm tắt trường hợp phức tạp, bao gồm 5 nhóm, 10 x 90
modules.(b) mơ hình. (c)Đường cong đặc tính I–V của dãỵ (d) Đường cong đặc tính P–V của dãỵ
Một kết quả quan trọng của quan sát này là các đỉnh công suất dãy được dịch cách nhau bằng một bội số nguyên của 80% VOC_module (n × 0,8 × VOC_module), trong đó "n" là một số nguyên. Khi sự khác biệt số nguyên tối thiểu trong số lượng các module bị bóng che giữa các tập hợp nối tiếp của hai nhóm là một, thì sự dịch chuyển tối thiểu có thể giữa hai đỉnh liên tiếp là 0,8 × VOC_modulẹ
Một số quan sát quan trọng về các đường cong của dãy PV khi bị bóng che một phần, được liệt kê như sau:
1) Các đường cong I-V dưới điều kiện một phần bị bóng che có nhiều nấc, trong khi
2) Các đỉnh trên đường cong P-V xảy ra gần như bội số của 80% VOC_module . 3) Sự dịch chuyển tối thiểu giữa các đỉnh kế tiếp gần 80% VOC_modulẹ
4) Nghiên cứu mở rộng của các đường cong P-V, cũng như là dữ liệu thực tế, đã cho
thấy rằng khi đường cong P-V đi qua từ hai bên (đi từ trái sang phải hoặc từ phải sang trái), thì độ lớn của các đỉnh cơng suất tăng lên. Sau khi đạt được đỉnh GP, độ lớn của những đỉnh tiếp theo (nếu chúng hiện diện) sẽ liên tục giảm.
Hình 3.11: Sơ đồ thuật tốn MPPT với dãy PV bị bóng che
Giải thích sơ đồ thuật tốn:
Hình 3.11 cho thấy sơ đồ của thuật toán được đề xuất để theo dõi điểm GP dưới điều kiện một phần bị bóng chẹ Việc thi hành thuật tốn ln bắt đầu với giá trị điện áp tham chiếu (Vref) cài đặt bằng 85% của VOC (khối 1) như thể hiện trong "Chương trình chính".
Cho đến khi xảy ra bất kỳ xáo trộn (hoặc bộ đếm thời gian ngắt), nó vẫn duy trì hoạt động tại điểm GP bằng cách tiếp tục thực hiện phương pháp P & O (khối 2 và 3). Khi bất kỳ xáo trộn đột ngột (như bị bóng che một phần) hoặc bộ đếm thời gian ngắt, "Chương trình chính" xác định các yêu cầu để theo dõi các điểm GP (khối 4-6) và gọi "chương trình con theo dõi điểm GP" (khối 7a). "Chương trình con theo dõi điểm GP" theo dõi điểm GP mới, và sau đó tiếp tục đi qua điều khiển "Chương trình chính”, duy trì các hoạt động tại điểm GP mới nàỵ
"Chương trình con theo dõi điểm GP" cũng được gọi định kỳ tại một khoảng thời gian 25s khi bộ đếm thời gian tạo ra một lệnh ngắt (khối 7b).
Để hiểu các thuật toán, giả định rằng một điểm GP đã đạt được khi một sự thay đổi chiếu nắng đột ngột dịch chuyển điểm hoạt động đến các vùng lân cận của một trong các đỉnh local (ví dụ, điểm D [Hình. 2.20(d)]). Đỉnh local này(điểm D) được theo dõi bởi phương pháp P&O (khối 2). Cho dù MPP có đạt hay khơng, nó cũng được kiểm tra bằng cách xác định các dấu hiệu của công suất trong hai nhiễu loạn tiếp theo (khối 3).
Khi đỉnh local đầu tiên (điểm D) được theo dõi, thuật toán lưu trữ các thông tin dịng về cơng suất ra và điện áp ra của dãy PV như Pmax_last và Vm_last, tương ứng. Thuật tốn sau đó cài đặt bit cờ (flag = 1) để kiểm tra điểm GP ở phía bên trái của điểm D (khối 4). Sự thay đổi đột ngột trong mức độ chiếu nắng (ΔG) hoặc bóng mờ dẫn đến sự biến đổi công suất (= ΔP). Nếu ΔP là lớn hơn một sự thay đổi công suất cụ thể nhất định (= ΔPcrit), thì sau đó việc theo dõi điểm GP bắt đầu (khối 5 và 6). ΔPcrit có thể được thay đổi tùy thuộc vào hệ thống PV ở trên và mơi trường của nó.
Nếu bất kỳ điều kiện theo dõi điểm GP nói trên xảy ra, "chương trình con theo dõi điểm GP" bắt đầu, quét đường cong P-V cho các đỉnh khác. Điều này được thực hiện bằng cách áp dụng một hiễu loạn ΔVlarge lớn, nên là ít hơn so với việc di chuyển tối thiểu có thể giữa hai đỉnh liên tiếp (quan sát 4, khối 8), để đảm bảo rằng khơng có đỉnh nào bị mất trong suốt q trình theo dõi, ΔVlarge có thể được xem xét như là 60% - 70% VOC_modulẹ
Nhiễu loạn ban đầu thì về phía bên trái (đối với điểm C), được chỉ định bởi "flag = 1" (khối 10). Nếu điều kiện chiếu nắng không đồng bộ (khối 9) và nếu bất kỳ các giới hạn (khối 11 và 12) chưa đạt đến , thì độ dốc của dP / dV được đo tại điểm hoạt động mới (khối 14).
Nếu độ dốc là dương, rối loạn này được tiếp tục trong cùng một hướng (khối 15 và 16) cho đến khi đạt được "Vmin", điện áp thấp nhất bên dưới nơi mà điểm GP gần như khơng có khả năng xảy ra (khối 12). Tuy nhiên, nếu độ dốc dP / dV là âm, nó cho thấy rằng có một đỉnh (điểm C) trong vùng lân cận, và từ đây, kỹ thuật MPP thông thường được áp dụng để theo dõi điểm này (điểm C, khối 17). Nếu công suất tương ứng với đỉnh này ít hơn trước, thì các điểm hoạt động ban đầu (tức là, trước điểm quan sát lớn nhất trong quá trình theo dõi, điểm D) được khôi phục, và xáo trộn hiện tại được áp dụng theo hướng khác (khối 18, 20, và 21). Sự chuyển động bên phải là được chỉ định bởi "flag = -1" (khối 21).
Nếu công suất ở đỉnh mới lớn hơn so với trước đó, thì Pmax_last và Vm_last được cập nhật (khối 19), điểm này được coi như là ứng cử viên có khả năng cho điểm GP, và rối loạn ở phía bên trái đường cong P-V vẫn được tiếp tục cho đến khi đạt được một điểm nhỏ hơn hoặc Vmin (khối 12).
Bây giờ, sự xáo trộn được áp dụng đối với phía bên phải, và một q trình tương tự được tiến hành (khối 13). Độ dốc dP / dV được đo sau mỗi xáo trộn lớn, và nếu nó là dương, thì nó cho thấy một đỉnh local trong vùng lân cận. Điểm này được theo dõi, và nếu độ lớn của nó lớn hơn Pmax_last, thì rối loạn này được tiếp tục ở bên phảị Tuy nhiên, trong suốt quá trình này, nếu bất kỳ điểm nhỏ hơn nào (điểm E) được quan sát, thì hoạt động sẽ được khôi phục tại (điểm B) nơi mà nó đã được lưu trữ như MPP trong suốt quá trình theo dõi nàỵ
Sự hoạt động thậm chí cịn được phục hồi tại điểm B, nếu đạt được Vmax, trong đó Vmax là bằng 85% của VOC_module (khối 11).
Thuật toán vẫn tiếp tục theo dõi đỉnh nếu chỉ có một đỉnh tồn tại trên đường cong P-V, như là trường hợp trong sự chiếu nắng đồng nhất, các thuật tốn có thể qt tồn bộ phạm vị Để tránh điều này, sau khi áp dụng của mỗi xáo trộn lớn (ΔVlarge), sự dao động cơng suất sẽ được đọ Do đó, trong trường hợp này, nếu các dao động lớn hơn so với một sự thay đổi cơng suất nhất định có thể chấp nhận được (ΔPtol: 4% -5% công suất dãy), bộ điều khiển ngay lập tức khôi phục các hoạt động để đến GP (khối 9).
3.3.2 Kết quả thuật tốn P&O dưới điều kiện dãy PV bị bóng che một phần
Một dãy PV(10 x 90 module) có 5 nhóm. Các module đều ở nhiệt độ 25oC, điện áp hở mạch VOC = 21.06 (V), dòng ngắn mạch ISC = 3.8 (A).
Bảng tóm tắt minh họa
Nhóm số 1
- Số tập hợp con trong tập hợp nối tiếp là 2, trong đó có 3 module khơng bị bóng che(cường độ bức xạ G = 1), 7 module bị che(cường độ bức xạ G = 0.1).
- Số tập hợp nối tiếp trong nhóm là 20.