Chương 2: NGHIÊN CỨU LÝ THUYẾT VÀ ỨNG DỤNG VỀ PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG LƯU TRỮ
2.1 Nghiên cứu và ứng dụng pin năng lượng mặt trời cho trạm sạc xe điện
2.1.5 Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại tấm pin
Hình 2. 11: Pin mặt trời mắc trực tiếp với tải
Ứng với mỗi điều kiện thời tiết nhất định sẽ có một đường đặc tính về công suất khác nhau và trong đường đặc tính ấy sẽ có một điểm công suất lớn nhất. Như vậy nhiệm vụ là cần phải tìm ra điểm này và giữ hệ thống làm việc tại đó. Bộ điều khiển bám công suất cực đại (MPPT) sẽ thực hiện nhiệm vụ đó thông qua việc điều khiển đóng mở van đóng cắt của bộ biến đổi DC/DC. Giả sử tấm PMT được mắc trực tiếp vào một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị như Hình 2.12. Khi đó điểm làm việc của PMT là giao điểm giữa đường đặc tính I–V của PMT và đường đặc tính I–V của tải.
Xét tải thuần trở nên đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ dốc là 1/R. Giả sử có 3 giá trị của tải là R1, R2, R3 thì 3 đường đặc tính I-V tương ứng sẽ có độ dốc lần lượt là 1/R1, 1/R2, 1/R3. Trong số đó chỉ có đường đặc tính tải tương ứng R2 là cắt đường đặc tính I-V của PMT tại điểm MPP như Hình 2.12.
Hình 2. 12: Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải
Như vậy ứng với tải có giá trị R2 thì PMT sẽ làm việc tại điểm có công suất cực đại MPP, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra một cách hết sức ngẫu nhiên. Khi điều kiện
thời tiết thay đổi hoặc tải biến động, để pin mặt trời vẫn hoạt động ở điểm MPP ta cần bộ MPPT hoạt động theo nguyên lý dung hợp tải.
2.1.5.2 Nguyên lý dung hợp tải
Như đã nói ở trên, khi PMT được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của PMT sẽ do đặc tính tải xác định. Điện trở tải được xác định như sau:
Rt=V0 Io
Trong đó: Vo là điện áp ra, Io là dòng điện ra.
Tải ứng điểm làm việc lớn nhất của PMT được xác định như sau:
Ropt=V(MPP) I(MPP)
Trong đó: V(MPP) và I(MPP) là điện áp và dòng điện tại điểm có công suất cực đại.
Khi giá trị của tải lớn nhất khớp với giá trị Ropt thì công suất truyền từ PMT đến tải sẽ là công suất lớn nhất. Tuy nhiên, điều này thường độc lập và hiếm khi khớp với thực tế. Mục đích của MPPT là phối hợp trở kháng của tải với trở kháng lớn nhất của PMT đây cũng chính là nguyên lý dung hợp tải.
Hình 2. 13: Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC/DC
Từ hình vẽ 2.13 trở kháng do PMT tạo ra là trở kháng vào Rt cho bộ biến đổi.
Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị của Rt được điều chỉnh giá trị phù hợp với Ropt. Vì vậy, trở kháng của tải không cần phải quan tâm nhiều miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh đúng quy tắc hợp lý.
Có nhiều thuật toán MPPT đã được tìm ra trong đó có 2 thuật toán thông dụng nhất là thuật toán: gây nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC). Đồ án này chỉ tập trung vào phương pháp gây nhiễu loạn và quan sát.
2.1.5.3 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O)
Phương pháp thực hiện nhiễu loạn và quan sát (P&O) cũng giống như cái tên của nó, thuật toán dựa vào việc quan sát công suất đầu ra và dịch chuyển công suất dựa
vào tăng hoặc giảm điện áp hay dòng điện tham chiếu. Việc tăng hay giảm tín hiệu tham chiếu phụ thuộc vào công suất trích mẫu trước đó.
Hình 2.14 mô tả cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O. Trong đó tín hiệu dòng điện, điện áp ra của PMT được xử lý nhờ thuật toán P&O, sau khi tính toán, thuật toán dưa ra tín hiệu điện áp tham chiếu Vref. Đây là điện áp cần bám để có thể dò điểm công suất cực đại. Hệ thống cần thêm bộ điều khiển để việc bám này thực hiện đạt hiệu quả cao.
Hình 2. 14: Sơ đồ cấu trúc bộ điều khiển MPPT với thuật toán P&O
Từ đồ thị đặc tính P-V (Hình 2.15) dưới đây, ta thấy rằng: Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 1 tức DP > 0 và DV > 0 thì tăng điện áp để kéo điểm hoạt động về điểm công suất cực đại MPP. Nếu điểm hoạt động đang di chuyển theo hướng 2 tức DP < 0 và DV < 0 thì tăng điện áp để kéo điểm hoạt động ngược trở về điểm công suất cực đại MPP. Nếu điểm hoạt động đang di chuyển theo hướng 3 tức DP > 0 và DV < 0 cần giảm điện áp để kéo điểm hoạt động về điểm công suất cực đại MPP. Cuối cùng điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 tức DP < 0 và DV > 0 thì cần giảm điện áp để kéo điểm hoạt động trở về điểm công suất cực đại MPP.
Từ những phân tích trên đây suy ra lưu đồ thuật toán P&O như Hình 2.14.
Hình 2. 15: Đặc tính P-V của pin mặt trời.
+Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học.
Nhược điểm của nghiên cứu P&O.
Thuật toán P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường thay đổi quá nhanh, hoặc cường độ chiếu sáng không đều trên dãy PV.
Hình 2. 16: Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che Trong điều kiện môi trường không thay đổi ( cường độ bức xạ đồng nhất):
đường cong P1 không đổi, điểm hoạt động của dãy PV dưới giải thuật P&O sẽ dao động xung quanh điểm cực đại A.
Khi dãy PV bị bóng che một phần (ví dụ có đám mây bay qua), đường cong P1
trở thành P2 ( do cường độ bức xạ không đồng nhất), thuật toán P&O sẽ hoạt động chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thuật toán P&O sẽ dò ra điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất (điểm có công suất lớn nhất là điểm C).
+Nhược điểm của nghiên cứu P&O Under Partially Shaded Conditions.
Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp. Tuy nhiên ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm này có thể khắc phục phần nào.