Tổng quan về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và ngoài nước đã công bố
Năng lượng đóng vai trò thiết yếu trong việc duy trì tăng trưởng kinh tế, nâng cao chất lượng cuộc sống, và đảm bảo an ninh chính trị cũng như an ninh năng lượng Điều này góp phần vào sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia.
Ngày nay, sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật và nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng tăng đã dẫn đến việc khai thác mạnh mẽ các nguồn năng lượng thiên nhiên Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và việc sử dụng chúng gây ra những tác động tiêu cực đến môi trường, như ô nhiễm không khí và biến đổi khí hậu Những hệ lụy này không chỉ ảnh hưởng đến cuộc sống hiện tại mà còn đe dọa tương lai của nhân loại.
Ngày nay, khi các nguồn năng lượng truyền thống như thủy điện, than đá và dầu khí đang dần cạn kiệt, việc tìm kiếm nguồn năng lượng mới và sạch trở thành yêu cầu cấp thiết, đặc biệt ở các nước đang phát triển Nhiều quốc gia đã thành công trong việc phát triển các nhà máy điện sử dụng năng lượng gió và năng lượng mặt trời với công suất lên tới hàng ngàn MW Tuy nhiên, các nguồn năng lượng này vẫn phụ thuộc vào điều kiện tự nhiên Trong bối cảnh đó, nghiên cứu năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đang được triển khai mạnh mẽ tại Việt Nam nhờ vào tính ưu việt của nó như sự sẵn có và độ sạch cao.
2 như vô tận Vì vậy, chúng ta cần nghiên cứu và ứng dụng nguồn năng lượng vô tận này một cách tốt nhất và hiệu quả nhất
Đảng và Nhà nước ta luôn chú trọng vào việc chỉ đạo và đầu tư phát triển nguồn năng lượng, đặc biệt là năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời, sinh khối, gió và thủy điện.
Năng lượng gió trên thế giới hiện nay tăng trưởng 20% mỗi năm, với sản lượng điện đạt 238.000 MW vào năm 2011 Bên cạnh đó, tổng sản lượng năng lượng mặt trời toàn cầu đã đạt 67.000 MW Hệ thống năng lượng mặt trời công suất lớn có khả năng cung cấp một phần năng lượng đáng tin cậy cho toàn cầu.
Theo chiến lược phát triển năng lượng quốc gia giai đoạn 2011-2020 và tầm nhìn đến năm 2030 được Thủ tướng phê duyệt, Việt Nam đặt mục tiêu năng lượng tái tạo và năng lượng mới sẽ chiếm 5,6% tổng sản lượng điện quốc gia vào năm 2020, với dự kiến tăng trưởng lên 9,4% trong những năm tiếp theo.
Đến năm 2030, nguồn năng lượng này sẽ trở thành lựa chọn hàng đầu nhờ vào những ưu điểm vượt trội như chi phí bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng, không gây ô nhiễm môi trường và đặc biệt là sự phong phú của tài nguyên.
Việt Nam, với vị trí gần đường xích đạo, sở hữu nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, đặc biệt là năng lượng mặt trời với cường độ bức xạ trung bình từ 4 đến 5 kWh/m² mỗi ngày Khu vực phía Nam có cường độ ánh sáng cao, đạt tới 5 kWh/m² và thời gian nắng lên đến 7000 giờ mỗi năm, tạo điều kiện thuận lợi cho việc khai thác năng lượng mặt trời Ngược lại, khu vực phía Bắc với khí hậu bốn mùa có thời gian nắng hạn chế và cường độ ánh sáng trung bình thấp, chỉ có một vài tháng hè có cường độ cao, dẫn đến hiệu quả kinh tế thấp khi sử dụng pin mặt trời.
Trong giai đoạn từ tháng 6 đến tháng 8 năm 2014, tổng số giờ nắng (TSGN) trên toàn quốc dao động từ 400 đến hơn 700 giờ Khu vực ven biển từ Hà Tĩnh đến Ninh Thuận ghi nhận TSGN cao nhất, từ 600 đến trên 700 giờ, với Nha Trang (Khánh Hòa) đạt 725 giờ và Quy Nhơn (Bình Định) đạt 707 giờ Trong khi đó, TSGN thấp nhất được ghi nhận là 304 giờ tại Sa.
Trong tháng VIII, thời gian sunshine (TSGN) tại Việt Nam ghi nhận hụt chuẩn từ 1 đến 250 giờ ở phần lớn diện tích cả nước, với khu vực Tây Bắc và Nam Bộ có TSGN vượt chuẩn từ 1 đến 70 giờ TSGN dao động từ 100 đến 200 giờ ở hầu hết các vùng, ngoại trừ Chi Nê (Hòa Bình) và Hồi Xuân (Thanh Hóa) có TSGN dưới 100 giờ Đồng thời, phía Bắc (từ Quảng Nam trở ra) trải qua tình trạng hụt chuẩn từ 1 đến gần 100 giờ, trong khi phía Nam (từ Quảng Ngãi trở vào) có TSGN vượt chuẩn từ 1 đến 65 giờ.
Hình 1.1: Phân bố tổng giờ nắng 3 tháng
Bảng 1.1: Số giờ nắng (SGN) và chuẩn sai (CS) tại một số trạm (giờ)
Khu vực phía Nam, đặc biệt là Tiền Giang, rất phù hợp cho việc sử dụng pin mặt trời (pin quang điện), thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong bán dẫn để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời Loại pin mặt trời phổ biến nhất hiện nay là pin sử dụng silic tinh thể Silic tinh khiết, mặc dù là một chất bán dẫn, nhưng có tính dẫn điện kém do các điện tử bị giữ lại bởi liên kết mạng Khi bị kích thích bởi ánh sáng hoặc nhiệt độ, các điện tử có thể thoát ra khỏi liên kết, tạo ra điện tử tích điện âm di chuyển từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, và để lại lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị, lúc này chất bán dẫn mới có khả năng dẫn điện.
Mặc dù năng lượng mặt trời có tiềm năng lớn, nhưng vẫn đối mặt với những thách thức như chi phí đầu tư cao và hiệu suất chuyển đổi năng lượng còn thấp, với giá khoảng 1.1 đến 1.5 USD/Wp Để giảm giá thành và nâng cao hiệu suất, các nhà khoa học đang nghiên cứu và phát triển công nghệ sản xuất pin mặt trời, tập trung vào cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng Sử dụng bộ điều khiển dò điểm công suất cực đại là một phương pháp hiệu quả để tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin mặt trời, giúp tối đa hóa năng lượng thu được từ pin.
Có nhiều phương pháp MPPT (Maximum power point tracking - Điều khiển bám điểm công suất cực đại) MPPT đã được phát triển và thực hiện bởi các nhà
Trong thế kỷ 20, các kỹ thuật theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) được chia thành hai loại chính: phương pháp trực tiếp và gián tiếp Phương pháp MPPT trực tiếp bao gồm các kỹ thuật như phương pháp nhiễu và quan sát (P&O), gia tăng độ dẫn (INC), hồi tiếp điện áp hoặc dòng điện, logic mờ (FLC) và nơron Trong khi đó, các phương pháp gián tiếp sử dụng điện áp PV vòng hở và dòng PV ngắn mạch Trong số đó, P&O và INC là hai phương pháp được sử dụng phổ biến nhất.
Phương pháp P&O là một kỹ thuật phổ biến trong MPPT nhờ vào cấu trúc đơn giản và yêu cầu ít thông số Tuy nhiên, phương pháp P&O truyền thống gặp khó khăn trong việc phản ứng nhanh khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi.
Hình 1.2: Biểu diễn lưu đồ giải thuật phương pháp P&O
Giải thuật P&O cải tiến, được phát triển bởi nhóm tác giả Dezso Sera và các cộng sự tại Đại học Aalborg, đã khắc phục nhược điểm của phương pháp so sánh công suất trung bình Tuy nhiên, tôi đề xuất một phương pháp tiếp cận mới cho giải thuật P&O, dựa trên bản chất của dòng ngắn.
Lý do chọn đề tài
Ngày nay, nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng trong bối cảnh kinh tế và sản xuất phát triển, trong khi nguồn cung không đáp ứng kịp, dẫn đến tình trạng thiếu hụt Nguồn năng lượng hóa thạch cũng đang cạn kiệt, thúc đẩy sự chuyển hướng sang các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt trời Việc sử dụng năng lượng tái tạo không chỉ giảm sự phụ thuộc vào năng lượng hóa thạch mà còn giảm tác động tiêu cực đến môi trường Để giải quyết khủng hoảng năng lượng, cần tối ưu hóa công suất từ các nguồn tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời Công nghệ chế tạo bộ chuyển đổi công suất đã cải thiện hiệu suất và giảm kích thước, nhưng vẫn gặp khó khăn do chi phí đầu tư cao và hiệu suất chưa đủ cạnh tranh trên thị trường điện.
Công nghệ sản xuất pin mặt trời đang không ngừng phát triển, mở rộng khả năng ứng dụng của nó Việc áp dụng các giải thuật MPPT đã nâng cao hiệu suất của pin mặt trời Trong quá trình nghiên cứu, giải thuật phương pháp INC đã chứng minh được hiệu quả nổi bật.
Phương pháp P&O là một trong những phương pháp hiệu quả trong việc dò tìm điểm công suất cực đại, đặc biệt khi điều kiện môi trường thay đổi mạnh Luận văn lựa chọn phương pháp này vì cấu trúc đơn giản và dễ áp dụng, phù hợp với khả năng và thời gian của người thực hiện.
1.3 Mục tiêu đề tài nghiên cứu:
- Tìm hiểu mô hình pin năng lượng mặt trời, phân tích các đặc tuyến của pin mặt trời
- Tìm hiểu về các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại
- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt trời, xây dựng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại
Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu hòa lưới điện một pha cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, đồng thời tiến hành lắp đặt mạch nghịch lưu dựa trên kết quả mô phỏng từ phần mềm Matlab.
1.4 Nhiệm vụ và giới hạn đề tài:
- Xây dựng mô hình pin năng lượng mặt trời, phân tích các đặc tuyến I-V, P-
V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời dưới các điều kiện môi trường
- Nghiên cứu về giải thuật MPPT của pin mặt trời (giải thuật P&O)
- Nghiên cứu mạch nghịch lưu dùng phương pháp PWM công suất nhỏ một pha
- Dùng phần mềm Matlab/Simulink xây dựng mô hình pin mặt trời, xây dựng giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại (giải thuật P&O)
Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu hòa lưới điện một pha cho hệ thống pin năng lượng mặt trời, đồng thời lắp đặt mạch nghịch lưu dựa trên kết quả mô phỏng từ phần mềm Matlab.
Bài viết phân tích và so sánh hiệu quả của bộ nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời tự thiết kế và lắp ráp với bộ nghịch lưu hòa lưới sản xuất quy mô công nghiệp Nghiên cứu này nhằm xác định sự khác biệt về hiệu suất, chi phí và tính khả thi giữa hai loại bộ nghịch lưu, từ đó giúp người tiêu dùng có cái nhìn rõ ràng hơn trong việc lựa chọn giải pháp năng lượng mặt trời phù hợp Kết quả cho thấy bộ nghịch lưu tự thiết kế có thể cạnh tranh với sản phẩm công nghiệp, nhưng cần cân nhắc về các yếu tố như độ tin cậy và bảo trì.
- Kết quả lắp đặt một mô hình hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới hoàn chỉnh đưa vào hoạt động
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu (sách, báo, tạp chí khoa học), tổng hợp và phân tích
- Nghiên cứu lý thuyết về hòa đồng bộ hệ thống điện mặt trời nối lưới
- Xây dựng mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink
Thiết kế và thi công bộ nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời là một bước quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Việc mua bộ nghịch lưu hòa lưới sản xuất quy mô công nghiệp giúp phân tích và so sánh các kết quả, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.
1.6 Điểm mới của luận văn:
Bài viết này trình bày cơ sở lý thuyết cho đề tài “Nghiên cứu thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu suất phát điện của hệ thống pin năng lượng mặt trời” tại Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Tiền Giang, được tài trợ từ nguồn kinh phí sự nghiệp khoa học của tỉnh Tiền Giang.
1.7 Giá trị thực tiễn của luận văn
Giải pháp này mang lại hiệu quả cao trong việc tối ưu hóa sử dụng và mở rộng ứng dụng của pin năng lượng mặt trời cho cả tổ chức và cá nhân.
1.8 Nội dung của luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mô phỏng giải thuật PO và Kỹ thuật điều khiển hệ thống boost điện áp DC
Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu nối lưới
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu (sách, báo, tạp chí khoa học), tổng hợp và phân tích
- Nghiên cứu lý thuyết về hòa đồng bộ hệ thống điện mặt trời nối lưới
- Xây dựng mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink
Thiết kế và thi công bộ nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời là một bước quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Việc mua bộ nghịch lưu hòa lưới sản xuất quy mô công nghiệp giúp phân tích và so sánh các kết quả, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng tái tạo.
Điểm mới của luận văn
Đề tài "Nghiên cứu thuật toán điều khiển nhằm tối ưu hóa hiệu suất phát điện của hệ thống pin năng lượng mặt trời" được thực hiện tại Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Tiền Giang, với nguồn kinh phí từ sự nghiệp khoa học của tỉnh Tiền Giang, sẽ cung cấp cơ sở lý thuyết quan trọng cho nghiên cứu này.
Giá trị thực tiễn của luận văn
Giải pháp nâng cao hiệu quả sử dụng pin năng lượng mặt trời đang trở thành lựa chọn khả thi cho các tổ chức và cá nhân, giúp ứng dụng công nghệ này một cách rộng rãi hơn.
Nội dung của luận văn
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Mô phỏng giải thuật PO và Kỹ thuật điều khiển hệ thống boost điện áp DC
Chương 4: Thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu nối lưới
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập
2.1.1 Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC là thiết bị quan trọng trong hệ thống nguồn điện một chiều, giúp chuyển đổi nguồn điện không ổn định thành nguồn điện có thể điều khiển được Trong các hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi này hoạt động kết hợp với MPPT để tối ưu hóa điện áp đầu vào từ pin mặt trời, đảm bảo cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải Thông thường, bộ biến đổi DC/DC bao gồm các thành phần chính như khoá điện tử, cuộn cảm để lưu trữ năng lượng, và điôt dẫn dòng.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia thành hai loại chính: có cách ly và không cách ly Loại có cách ly sử dụng máy biến áp cách ly tần số cao để tách biệt nguồn điện một chiều đầu vào và đầu ra, đồng thời điều chỉnh áp suất thông qua hệ số biến áp, thường được áp dụng cho các nguồn cấp một chiều với khoá điện tử Các mạch cầu, nửa cầu và flyback là những dạng phổ biến của loại này, đặc biệt trong các thiết bị quang điện làm việc với lưới điện để đảm bảo an toàn Ngược lại, loại không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly và chủ yếu được sử dụng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều Trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV), các bộ biến đổi DC/DC thường gặp bao gồm cả hai loại trên.
- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost)
- Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk
Việc lựa chọn loại DC/DC phù hợp cho hệ thống điện mặt trời (PV) phụ thuộc vào yêu cầu về điện áp đầu ra của ắc quy và tải kết nối với dãy panel mặt trời.
Bộ giảm áp buck giúp xác định điểm làm việc tối ưu khi điện áp vào cao hơn điện áp ra của bộ biến đổi, tuy nhiên, điều này ít xảy ra khi cường độ bức xạ ánh sáng giảm thấp.
Bộ tăng áp boost có khả năng tối ưu hóa điểm làm việc ngay cả trong điều kiện ánh sáng yếu Hệ thống này sử dụng bộ Boost để nâng cao điện áp cung cấp cho tải trước khi chuyển đổi qua bộ biến đổi DC/AC.
Bộ Buck – boost vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp
Các loại bộ biến đổi DC/DC a Mạch Buck
Khóa K trong mạch bao gồm các loại điện tử như BJT, MOSFET và IGBT Mạch Buck có nhiệm vụ giảm điện áp đầu vào xuống mức phù hợp để nạp ắc quy Các transistor trong mạch được điều khiển đóng mở với tần số cao, và hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức: D = t_on / T.
Bộ giảm áp Buck hoạt động bằng cách sử dụng khóa K để điều khiển dòng điện Khi khóa K mở, điện áp một chiều được nạp vào tụ C2 và cung cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L Khi khóa K đóng lại, dòng điện từ đầu vào ngừng lại, nhưng tải vẫn nhận đủ năng lượng nhờ vào năng lượng lưu trữ trên cuộn kháng và tụ điện, với sự hỗ trợ của Điốt khép kín mạch Điều này cho thấy cuộn kháng và tụ điện có vai trò quan trọng trong việc lưu giữ năng lượng trong thời gian ngắn, giúp duy trì hoạt động của mạch khi khóa K không mở.
Hình 2.2: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
Phân tích mạch điện dựa trên cân bằng năng lượng trong chu kỳ đóng cắt của khóa cho thấy rằng năng lượng cung cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng với năng lượng thu từ nguồn khi khóa mở Đồng thời, năng lượng cung cấp cho tải trong thời gian K khóa được lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong khoảng thời gian K khóa.
Dưới điều kiện xác lập, năng lượng trên cuộn kháng được duy trì ở trạng thái cân bằng trong suốt thời gian khóa đóng mở.
dI L v L L (2-2) nên khi K mở (T on ): on out in
13 khi K khóa (Toff): off out
Nếu cuộn kháng đủ lớn, thì dòng điện cảm ứng biến thiên ít, giá trị cực đại của dòng điện được tính như sau:
Trong đó: Io là dòng tải = V out /R tải = giá trị trung bình của dòng điện cảm ứng
Từ các công thức trên suy ra:
Công thức (2-6) cho thấy rằng điện áp ra có thể được điều chỉnh thông qua việc kiểm soát hệ số làm việc D qua mạch hồi tiếp, sử dụng giá trị dòng điện nạp ắc quy làm chuẩn Hệ số làm việc này được điều chỉnh bằng phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở T on, do đó bộ biến đổi này còn được gọi là bộ điều chế xung PWM.
Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời b Mạch Boost
Hình 2.3: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng
L Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ Khi K mở cho dòng qua (T on ) cuộn kháng tích năng lượng, khi K đóng (Toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua điôt tới tải
Mạch này nâng cao điện áp ra bằng cách tăng điện áp võng khi ắc quy phóng Khi khóa K mở, cuộn cảm kết nối với nguồn một chiều Khi khóa K đóng, dòng điện cảm ứng chảy vào tải qua điốt Điện áp ra được tính toán dựa trên hệ số làm việc D của khóa K.
Phương pháp này cho phép điều chỉnh tông trong chế độ dẫn liên tục, nhằm điều chỉnh điện áp vào V1 tại điểm công suất cực đại tương ứng với điện áp tải Vo.
Hình 2.4: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost c Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Mạch Boost có khả năng tăng điện áp đầu ra luôn lớn hơn điện áp đầu vào do điều kiện D < 1, trong khi mạch Buck chỉ có thể giảm điện áp Khi kết hợp cả hai mạch này, ta tạo ra mạch Buck-Boost, cho phép điều chỉnh điện áp đầu vào bằng cách vừa tăng vừa giảm điện áp.
Phương pháp dò tìm điểm làm việc tối ưu MPPT
Khi một tấm pin mặt trời (PV) được kết nối trực tiếp với tải, điểm làm việc của nó sẽ là giao điểm giữa đặc tính I-V của tấm PV và đặc tính I-V của tải Nếu tải là thuần trở, đặc tính của tải sẽ biểu diễn bằng một đường thẳng có độ dốc là 1/Rtải.
Hình 2.14: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 2.15: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được
Trở kháng của tải phụ thuộc vào điều kiện làm việc của pin, và điểm làm việc thường không đạt công suất tối đa, dẫn đến hiệu suất thấp Hệ thống pin mặt trời thường bị quá tải khi phải cung cấp công suất trong thời gian ánh sáng yếu, như vào mùa đông Sự không đồng bộ giữa tải và tấm pin mặt trời gây ra quá tải và tổn thất trong toàn bộ hệ thống Để khắc phục tình trạng này, phương pháp MPPT được áp dụng để duy trì điểm làm việc tại công suất tối đa, với khả năng xác định chính xác đến 97% điểm MPPT.
Chương này trình bày đặc tính làm việc I-V của mô-đun pin mặt trời và tải, đồng thời phân tích sự tương thích giữa tải và pin Ngoài ra, bài viết cũng đề cập đến phương pháp điều khiển MPPT và ứng dụng của nó trong hệ thống năng lượng mặt trời.
22 thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC/DC trong hệ thống và giới hạn của phương pháp MPPT
2.2.2 Nguyên lý dung hợp tải
Như đã nói ở trên, khi PV được mắc trực tiếp với một tải, điểm làm việc của
PV sẽ do đặc tính tải xác định Điện trở tải được xác định như sau: o o tai I
Trong đó: V o là điện áp ra, I o là dòng điện ra
Tải lớn nhất của PV được xác định như sau:
Điện áp và dòng điện cực đại được ký hiệu là V MPP và I MPP Khi tải đạt giá trị tối ưu R opt, công suất truyền từ hệ thống năng lượng mặt trời (PV) đến tải sẽ đạt mức cao nhất Tuy nhiên, điều này thường không xảy ra trong thực tế Mục tiêu của MPPT là điều chỉnh trở kháng của tải sao cho phù hợp với trở kháng tối ưu của PV Một ví dụ điển hình cho việc này là việc sử dụng mạch Boost để kết hợp tải.
Giả sử bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình từ nguồn cung cấp cần phải tương đương với công suất trung bình mà tải hấp thụ.
Từ 2 công thức (2-22) và (2-24) ta có: o in I
Hình 2.16: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D
Hình vẽ 2.16 cho thấy trở kháng do PV tạo ra là trở kháng vào Rin cho bộ biến đổi Bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D, giá trị Rin có thể được điều chỉnh để phù hợp với Rload Do đó, trở kháng của tải không cần phải lo lắng nhiều, miễn là tỉ lệ làm việc của khoá điện tử trong bộ biến đổi được điều chỉnh một cách hợp lý.
2.2.3 Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
Điểm làm việc có công suất lớn nhất của MPPT trên đường đặc tính I – V thay đổi liên tục theo điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ Hình 2.17 minh họa đường đặc tính I – V tại các mức cường độ bức xạ khác nhau, giữ nhiệt độ ổn định ở 25°C Trong khi đó, hình 2.18 cho thấy các đường đặc tính làm việc tại cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ môi trường tăng dần.
Hình 2.17: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2.18: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ bức xạ
Hai hình vẽ cho thấy sự dịch chuyển điện áp tại điểm MPPT, do đó cần áp dụng thuật toán để xác định vị trí này Thuật toán đóng vai trò trung tâm trong bộ điều khiển MPPT Bài viết sẽ tập trung vào phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O, một trong những phương pháp phổ biến trong thực tế.
Phương pháp nhiễu loạn và quan sát P&O
Phương pháp này là một trong những phương pháp đơn giản và phổ biến nhất, nhờ vào thuật toán dễ thực hiện Thuật toán phân tích sự biến đổi điện áp theo chu kỳ để xác định điểm làm việc có công suất tối đa Khi sự biến thiên điện áp làm tăng công suất, biến thiên tiếp theo sẽ tiếp tục theo hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm giảm công suất, biến thiên tiếp theo sẽ thay đổi chiều hướng Khi điểm làm việc với công suất lớn nhất được xác định trên đường đặc tính, sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm MPPT đó.
Hình 2.19: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
Hình 2.20: Lưu đồ thuật toán Phương pháp P&O
Sự dao động điện áp trong hệ quang điện gây tổn hao công suất, đặc biệt khi thời tiết thay đổi chậm hoặc ổn định Để khắc phục vấn đề này, có thể điều chỉnh logic trong thuật toán P&O bằng cách so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một phương pháp khác là giảm bước tính biến thiên, nhưng điều này có thể làm cho thuật toán chậm chạp hơn trong việc theo dõi điểm MPPT khi thời tiết thay đổi, dẫn đến hao hụt công suất lớn hơn.
Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là không xác định chính xác điểm làm việc tối ưu khi điều kiện thời tiết thay đổi Mặc dù vậy, phương pháp này có cấu trúc đơn giản và dễ thực hiện Trong trạng thái ổn định, điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPPT, dẫn đến một phần hao hụt năng lượng.
26 năng lượng Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột.
Phương pháp điều khiển MPPT
Thuật toán MPPT chỉ đạo bộ điều khiển MPPT điều chỉnh điện áp làm việc của hệ thống pin mặt trời Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển là duy trì ổn định mức điện áp làm việc thông qua việc tăng giảm điện áp Có ba phương pháp phổ biến để điều khiển MPPT, bao gồm phương pháp điều khiển PI, phương pháp điều khiển trực tiếp và phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra.
2.4.1 Phương pháp điều khiển PI
MPPT sẽ đo điện áp và dòng điện từ hệ thống năng lượng mặt trời (PV), sau đó sử dụng thuật toán MPPT để xác định giá trị điện áp quy chiếu Vref Nhiệm vụ của thuật toán này là điều chỉnh điện áp làm việc của PV lên mức Vref Quá trình tính toán giá trị Vref được thực hiện lặp lại theo chu kỳ, thường từ 1 đến 10 lần mỗi giây.
Hình 2.21: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI
2.4.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp
Phương pháp điều khiển này sử dụng một mạch vòng điều khiển đơn giản hơn, giúp điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT một cách hiệu quả.
Việc điều chỉnh hệ số làm việc hoàn toàn dựa trên nguyên lý dung hợp tải trình bày ở mục 2.2
Hình 2.22: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT
Theo công thức 2-26 thì tổng trở của PV được coi là tổng trở vào bộ biến đổi (R in )
Việc tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào Rin, dẫn đến điện áp làm việc PV dịch sang bên trái và giảm xuống Ngược lại, giảm D sẽ làm tăng Rin, khiến điện áp làm việc dịch sang bên phải và tăng lên Thuật toán MPPT sẽ xác định cách thức dịch chuyển điện áp này.
Hình 2.23: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và hệ số làm việc D
2.4.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra
Phương pháp cải tiến này nâng cao hiệu quả từ phương pháp điều khiển trực tiếp, chỉ yêu cầu hai cảm biến để đo điện áp và dòng điện ra khỏi bộ biến đổi Phương pháp điều khiển PI kết hợp với điều khiển trực tiếp cho phép kiểm soát chính xác điểm làm việc của pin mặt trời Tuy nhiên, để tránh tình trạng quá điện áp hoặc quá dòng điện, cần thêm các cảm biến khác để đo tín hiệu ra, dẫn đến tổng cộng bốn cảm biến cần thiết cho cả hai phương pháp Điều này có thể làm tăng chi phí lắp đặt.
Phương pháp điều khiển đo trực tiếp cho phép theo dõi sự thay đổi công suất của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) tại đầu ra của bộ biến đổi, với hệ số làm việc D được coi là biến điều khiển Thuật toán P&O được áp dụng để xác định điểm công suất tối ưu (MPPT).
Giới hạn chính của MPPT là không thể đồng thời tác động đến tín hiệu vào và tín hiệu ra trong quá trình xác định điểm làm việc với công suất tối ưu Do đó, để đảm bảo điện áp ra ổn định, hệ thống cần sử dụng ắc quy để duy trì mức điện áp này.
Một nhược điểm của MPPT là khả năng xác định điểm công suất tối ưu sẽ bị ảnh hưởng nếu tải không tiêu thụ hết công suất sinh ra Trong hệ thống PV độc lập với tải giới hạn bởi dòng và áp, MPPT có thể dịch chuyển điểm làm việc ra khỏi MPPT, gây tổn thất công suất Do đó, việc xác định chính xác dung lượng tải là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất sử dụng năng lượng từ các pin mặt trời.
Hệ thống PV làm việc với lưới điện luôn xác định điểm làm việc tối ưu để đạt công suất lớn nhất Việc này rất quan trọng vì nếu có công suất dư thừa, hệ thống có thể bơm năng lượng vào lưới điện, từ đó gia tăng lợi nhuận cho người sử dụng.
Mặc dù hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC trong MPPT không bao giờ đạt 100%, nhưng việc áp dụng MPPT mang lại sự gia tăng hiệu suất đáng kể Tuy nhiên, hệ thống pin mặt trời cần xem xét tổn hao công suất do bộ biến đổi này gây ra Cần cân nhắc giữa hiệu suất và chi phí, đồng thời thực hiện phân tích kinh tế so với các hệ thống cung cấp điện khác.
Việc khám phá các phương pháp nâng cao hiệu suất cho hệ thống pin mặt trời, chẳng hạn như sử dụng máy theo dõi mặt trời, là rất cần thiết để tối ưu hóa năng suất năng lượng.
Kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện
2.5.1 Sự cần thiết của việc kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời với lưới điện
Ngày nay, sự phát triển của sản xuất và kinh tế xã hội yêu cầu nguồn cung năng lượng điện phải tăng trưởng Để đáp ứng nhu cầu này, chúng ta cần phát triển đa dạng các nguồn năng lượng như nhiệt điện, thủy điện và năng lượng hạt nhân Tuy nhiên, những nguồn năng lượng này đang dần cạn kiệt và có tác động tiêu cực đến môi trường Do đó, việc phát triển nguồn năng lượng bền vững, vô tận như năng lượng gió và năng lượng mặt trời là rất cần thiết, mặc dù chi phí đầu tư cao Việc tận dụng các nguồn năng lượng tái tạo này, kết hợp với máy phát diesel sử dụng khí biogas để hòa lưới điện, sẽ giúp giảm tải cho hệ thống điện và giảm chi phí đầu tư cho ắc quy dự trữ.
Hòa lưới các nguồn điện năng lượng tái tạo vào hệ thống điện giúp đảm bảo cung cấp điện liên tục và giảm thiểu tình trạng quá tải đường dây Việc này tối ưu hóa công suất của các nguồn năng lượng, góp phần ổn định hệ thống điện trong những thời điểm quá tải.
Hòa lưới hệ thống pin quang điện vào lưới điện phân phối giúp tối ưu hóa công suất điện từ năng lượng mặt trời và giảm chi phí đầu tư cho thiết bị lưu trữ Trong bối cảnh an ninh năng lượng ngày càng được chú trọng và tình trạng mất điện do nhu cầu vượt quá khả năng cung ứng, việc phát triển hệ thống pin năng lượng mặt trời hòa lưới trở thành giải pháp quan trọng để bù đắp thiếu hụt điện trong giờ cao điểm.
Việc nghiên cứu các giải pháp phù hợp để hòa lưới các hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ vào lưới điện là rất cần thiết.
Sự phát triển của công nghệ chế tạo pin năng lượng mặt trời chất lượng cao với chi phí ngày càng giảm đang giúp hệ thống pin năng lượng mặt trời trở thành một phần quan trọng trong việc kết nối các nguồn năng lượng nhỏ lẻ thành một nguồn năng lượng lớn trong hệ thống phân phối điện Điều này không chỉ đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà còn góp phần đảm bảo an ninh năng lượng trong tương lai gần.
Khi hòa lưới điện, việc đảm bảo cung cấp công suất tối đa từ hệ thống pin năng lượng mặt trời và chất lượng điện năng là rất quan trọng Để đạt được điều này, bộ nghịch lưu được sử dụng cần tích hợp bộ điều chỉnh dòng điện với các thông số hiệu chỉnh phù hợp.
Luận văn này mô phỏng bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa lưới với mục tiêu tối ưu hóa công suất thu được từ năng lượng mặt trời Bộ chuyển đổi không chỉ điều chỉnh dòng điện để bơm công suất tác dụng vào lưới mà còn giữ cho công suất phản kháng ở mức rất nhỏ, giúp hệ số công suất gần bằng 1 Hơn nữa, các hệ số điều khiển của bộ điều chỉnh dòng điện được thay đổi theo điều kiện hoạt động của bộ nghịch lưu, nhằm duy trì tổng độ méo dạng sóng hài của dòng điện ở mức thấp, từ đó nâng cao hiệu suất của bộ chuyển đổi năng lượng.
2.5.2 Các điều kiện hòa nguồn năng lượng mặt trời với lưới điện
Tùy thuộc vào đặc điểm của các nguồn điện hòa đồng bộ, chúng ta sẽ xác định các thông số khác nhau có ảnh hưởng đến quá trình hòa đồng bộ giữa hai nguồn điện áp.
Để thực hiện thao tác hòa đồng bộ hai nguồn áp, cần xác định điểm đồng bộ chính xác để thiết bị đóng cắt có thể hòa hai nguồn áp với nhau Điểm hòa này phải thỏa mãn các điều kiện cần thiết để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình kết nối.
- Điện áp máy phát hòa bằng điện áp lưới E h = U l
- Giá trị tần số của máy phát hòa phải bằng tầng số của lưới f h = f l
- Điện áp máy phát phải có cùng thứ tự pha với thứ tự pha của lưới
- Góc lệch giữa hai véc tơ E h và U l bằng không
Để phân tích các điều kiện hòa đồng bộ, cần đảm bảo rằng dòng điện cân bằng giữa các máy phát điện có giá trị nhỏ nhất, nhằm tránh hư hỏng cho máy phát và đảm bảo chúng hoạt động song song bình thường Nếu các điều kiện hòa được thỏa mãn, đặc biệt là góc lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép, việc hòa thành công sẽ diễn ra mà không có dòng cân bằng chạy giữa các máy phát.
Khi các điều kiện hòa giữa các máy phát được thỏa mãn, hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và máy phát được hòa sẽ bằng không, đồng thời dòng cân bằng vào thời điểm hòa cũng bằng không, không xảy ra hiện tượng tăng dòng đột biến hay dao động điện áp trên thanh cái Ngược lại, nếu các điều kiện hòa đồng bộ không được thỏa mãn, sẽ xuất hiện dòng cân bằng và dao động điện áp khi hòa máy phát vào mạng, ví dụ như máy phát làm việc trên lưới MFl và máy phát sẽ hòa vào là MFh.
Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hòa ta cũng có:
Giả sử ban đầu lấy = = 0 ta có
Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hòa được tính theo công thức sau:
X l : Điện kháng của máy phát tương đương làm việc trên lưới
X h : Điện kháng của máy phát hòa
2.5.2.1 Điều kiện về biên độ điện áp
Về trị số độ lớn của điện áp lưới và suất điện động máy hòa không thỏa mãn trong khi đó các điều kiện kia thỏa mãn:
= > 0 (2-31) Độ lớn I cb tùy thuộc độ chênh lệch của điện áp pha
Biểu thị véc tơ cho thấy điều kiện hòa thứ nhất không được thỏa mãn, điều này chứng minh rằng dòng cân bằng vẫn tồn tại, với giá trị nằm trong khoảng từ 0 đến 1 nm.
Hình 2.24: Sơ đồ véc tơ khi điện áp không thỏa mãn 2.5.2.2 Điều kiện về tần số
Giả sử điện áp các máy phát điện bằng nhau: U l =E h =U, tần số khác nhau: f l ≠ f h
Trong các trường hợp máy phát đang hoạt động và máy phát hòa lưới, véc tơ điện áp của chúng lệch nhau một góc δ Do tốc độ gốc của hai máy phát ω1 và ω2 không bằng nhau, góc δ sẽ thay đổi trong khoảng từ 0 đến 180 độ, với hiệu điện áp nằm trong giới hạn nhất định.
Khi hòa máy phát điện vào lưới, dòng cân bằng xuất hiện và giá trị của nó phụ thuộc vào độ lớn ∆U Do điện trở của cuộn dây stator nhỏ so với trở kháng, véc tơ dòng cân bằng I cb sẽ lệch pha với véc tơ điện áp ∆U một góc 90 độ Dòng cân bằng có giá trị lớn có thể gây ra va đập cơ học trên trục máy phát, dẫn đến hư hỏng nghiêm trọng.
Giá trị biên độ cân bằng vào thời điểm hòa lưới đối với máy phát khi E ” d1 E ” d2 = E ” d được xác định bằng biểu thức sau:
E ” d1 , E ” d2 : Sức điện động máy phát 1 và máy phát 2 có điện trở kháng siêu dẫn dọc trục
33 x ” d1 , x ” d2 : Điện trở kháng siêu dẫn dọc trục của máy phát 1 và máy phát 2 x c : Điện trở kháng, qua điện trở kháng đó máy phát 1 được hòa với máy phát
2 k y : Hệ số va đập, có tính đến thành phần không chu kỳ của dòng điện
: Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện
Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi = 180 0
Dòng cân bằng có thể tăng đột ngột lên đến 10 đến 15 lần so với dòng định mức, gây ra lực điện động lớn trong cuộn dây stator, dẫn đến hư hỏng các cuộn dây này.
Tổng quan về hệ thống boost điện áp DC
3.1.1 Mô hình mạch Boost PFC 1 nhánh
Hình 3.1: Sơ đồ mạch boost PFC
Nguyên lý hoạt động của mạch:
Khi van đóng, diode D bị khóa do bị phân cực ngược bởi tụ C Năng lượng trong tụ C được xả qua tải, tạo ra dòng điện từ nguồn dương đi qua cuộn L, sau đó trở về nguồn âm.
Khi van cắt hoạt động, diode D phân cực thuận cho phép dòng điện từ nguồn đi qua cuộn L để nạp cho tụ C với cực tính như trong hình Cuộn L sẽ đổi cực tính, dẫn đến điện áp nạp cho tụ C được tính bằng V C = V S + VL Nhờ đó, điện áp đầu ra của mạch boost sẽ cao hơn điện áp đầu vào.
Hình 3.2: Dòng điện và điện áp vào bộ boost PFC
Khi tính toán cho mạch điện có điện áp đầu ra 400Vdc cao hơn điện áp đầu vào từ 180-240V, cần xem xét các trạng thái đóng cắt của van Điều này giúp xác định mối quan hệ giữa các giá trị đầu ra, đầu vào và các thành phần trong mạch điện.
36 những phương pháp chọn thiết bị và điều khiển phù hợp nhất với thông số của mạch theo yêu cầu
3.1.1.1 Điện áp ra a Xét khi van bán dẫn đóng: Ta vẽ lại mạch như sau
Hình 3.3: Sơ đồ thay thế khi van đóng Điện áp đặt trên hai đầu cuộn dây là VL= VS
Dòng điện qua cuộn dây tăng dần Ta có quan hệ sau:
Trong một khoảng thời gian ngắn, điện áp vào có thể được coi là ổn định, dẫn đến việc tốc độ biến thiên dòng điện qua cuộn L được xác lập Khi đó, công thức (2.1) có thể được biểu diễn dưới dạng sai phân.
Gọi: TON là chu kỳ dẫn của van
T là chu kỳ đóng cắt của van
Từ (3-2) ta có: = (D.T) (3-3) b Xét khi van bán dẫn mở:
Ta vẽ lại được mạc như sau:
Hình 3.4: Sơ đồ tương đương khi van cắt Điện áp đặt trên cuộn dây là:
VL = VS - V0 (3-4) Với giả thiết VL mang giá trị âm và lượng biến đổi dòng điện ∆i trên cuộn L cũng mang giá trị âm ta có
Khi dòng điện đi qua cuộn dây, tổng lượng tăng dòng điện khi van đóng phải tương đương với tổng lượng giảm dòng điện khi van hở.
Từ (3-8) ta thấy V0 > VSvà D càng lớn thì V 0 càng lớn V0= VSkhi D = 0 Thông thường ta lấy D trong khoảng 0,1 < D < 0,9
3.1.1.2 Sự biến thiên điện áp đầu ra
Quá trình nạp và phóng liên tiếp của tụ C diễn ra khi van đóng cắt Điện áp ra sẽ thay đổi tùy thuộc vào giá trị điện dung của tụ và tần số đóng cắt của van, được mô tả bởi công thức i C (t) = C (3-9).
Do tần số hoạt động của van trong mạch boost khá cao nên ta xem như: i C i R =
Với : f là tần số biến thiên điện áp đầu ra
3.1.1.3 Sự biến thiên dòng điện trong cuộn dây và chế độ dòng liên tục Để đảm bảo được chức năng cho bộ PFC ta phải thiết kế để mạch Boost PFC hoạt động ở chế độ dòng liên tục
Hình 3.5: Dạng sóng dòng điện trên cuộn dây ở chế độ dòng liên tục
Khi tính toán cho trường hợp tải thuần trở, giá trị L trong mạch sẽ tăng lên khi tải mang tính cảm, điều này giúp dòng điện qua mạch trở nên mịn hơn.
Khi điện áp và dòng điện qua L đồng pha ta có công suất do nguồn cung cấp: s s L
Công suất tiêu thụ của tải:
Bỏ qua tổn hao trên các mạch chuyển đổi ta có:
I L Từ đó ta thấy dòng điện qua cuộn L lớn hơn dòng qua tải
Từ đồ thị hình 3.5 ta có các biểu thức sau:
I Lmin = I L - (3-15) Như vậy để dòng qua L liên tục ta phải có:
Từ (3-8) và (3-13) ta có: I L = (3-17) Vậy:
Với: f là tần số đóng cắt của van
3.1.2 Mô hình mạch Boost PFC n nhánh
Phương pháp tăng áp 1 nhánh là một giải pháp thực tiễn, nhưng không phải là tối ưu cho hiệu suất chuyển đổi Tương tự, phương pháp song song cũng mang lại lợi ích trong việc giảm dòng đầu vào và làm giảm độ nhấp nhô của điện áp đầu ra.
Hình 3.6: Mạch boost PFC với n – giai đoạn
Cấu trúc n - giai đoạn tăng xen kẽ chuyển đổi có thể dẫn đến sự phức tạp trong hệ thống và khó khăn trong bảo trì do số lượng nhánh tăng Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là giảm dòng đầu vào và ổn định điện áp đầu ra Tuy nhiên, nhược điểm là tín hiệu mạch lái có thể tăng lên, mặc dù tín hiệu đến mạch lái vẫn được điều chỉnh theo số lượng quy định trong công thức.
Trong công thức (3-20), n đại diện cho số lượng nhánh xen kẽ, trong khi k là thứ tự của các nhánh này (k = 1, , n) Hình (3.7) minh họa tín hiệu PWM cho bốn giai đoạn tăng xen kẽ chuyển đổi, với mỗi xung kích của nhánh mạch boost có tín hiệu logic lệch nhau 90º Điện áp vào và điện áp đầu ra sẽ có sự giảm nhấp nhô tương ứng với số nhánh n trong các giai đoạn chuyển đổi xen kẽ, điều này sẽ được phân tích chi tiết trong các phần sau.
Giải thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC
3.2.1 Giải thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC
Giải thuật điều khiển hệ thống Boost điện áp DC được xây dựng như hình sau:
Hệ thống Boost DC sử dụng hai cảm biến: một cảm biến áp để đo điện áp ngõ ra và một cảm biến dòng để đo dòng điện qua cuộn kháng Giá trị điện áp đặt Vref sẽ được trừ với giá trị điện áp đo được ở ngõ ra, từ đó tạo ra điện áp điều khiển Qua khâu PI, tín hiệu dòng điều khiển Iref được tính toán Dòng điều khiển này sẽ được trừ với dòng điện qua cuộn kháng để xác định dòng điều khiển, và qua khâu Hysteresic sẽ tạo ra xung kích để kích dẫn khóa bán dẫn SW.
3.2.2 Kết quả mô phỏng hệ thống Boost DC
Mô hình mô phỏng hệ thống Boost DC được xây dựng trên phần mềm Matlab như sau:
+ Trong đó khối DC/DC converter chứa toàn bộ giải thuật Boost được thể hiện như hình sau:
Hình 3.9: Cấu trúc khối giải thuật hệ thống boost DC
+ Kết quả mô phỏng đạt được:
DANG SONG DIEN AP MO PHONG HE THONG BOOST DC
Dien ap ngo ra V0 Dien ap ngo vao Vi Dien ap dat Vref
Hình 3.10: Kết quả mô phỏng dạng sóng điện áp hệ thống boost DC
Hệ thống Boost với điều khiển vòng kín đảm bảo giá trị điện áp DC ở ngõ ra VO luôn ổn định và bám sát giá trị điện áp đặt V ref, giúp triệt tiêu độ vọt lố điện áp và đáp ứng quá độ nhanh Điều này chứng tỏ rằng giải thuật Boost DC có thể được ứng dụng hiệu quả để nâng điện áp cho các hệ thống pin mặt trời có điện áp thấp, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu điện áp cao hơn.
Mô hình và mô phỏng giải thuật P&O
3.3.1 Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời
Mô hình này mô phỏng một phân tử pin mặt trời thể hiện như hình 3.11:
Hình 3.11: Mô hình mô phỏng một phần tử pin mặt trời
Trong mô hình SimElectronics và Simulink, khối Solar cell được kết nối với cảm biến dòng và cảm biến áp để đo dòng điện và điện áp Mô hình cũng tích hợp khối Irradiance level và Temperature Các thông số mô phỏng được thiết lập với Is = 0,1 nA, nhiệt độ T ở mức độ C, và dòng Ir0 được đặt là 7,34A khi bức xạ mặt trời đạt 1000W/m².
Sử dụng Matlab để mô phỏng mô hình trong hình 3.11, chúng ta sẽ vẽ các đặc tuyến I-V và P-V cho một phần tử pin với các thông số biến đổi Mô phỏng được thực hiện với bức xạ mặt trời là 476,84 W/m², nhằm đạt được dòng điện Iph = 3,5A.
3.3.2.1 Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi
Công suất cực đại ngõ ra thay đổi khi điện trở Rs của pin thay đổi (Rs=0,01; 0,02; 0,03; 0,04; 0,05) Các tham số mô phỏng:
- Dòng điện ngược bão hòa Is = 0,1 nA
Hình 3.12: Đặc tuyến I-V, P-V khi thay đổi Rs Bảng 3.1: Giá trị Vm, Pm khi Rs thay đổi
Có thể thấy được công suất cực đại đạt được khi Rs nhỏ nhất, Rs càng tăng thì công suất cực đại giảm
Tiến hành khảo sát đặc tuyến và đo giá trị Pm khi thay đổi Is = 0,1; 1; 10 nA Các tham số mô phỏng:
Hình 3.13: Đặc tuyến I-V và P-V khi Is thay đổi Bảng 3.2: Giá trị Vm, Pm khi Is thay đổi
Từ đường đặc tuyến hình 3.13 và bảng 3.2 cho thấy công suất cực đại giảm khi tăng Is
3.3.2.3 Khi thay đổi nhiệt độ T
Khảo sát đặc tuyến khi thay đổi T = 25, 45, 65, 85 o C Các tham số khác
Hình 3.14: Đặc tuyến I-V và P-V khi T thay đổi Bảng 3.3: Giá trị Vm, Pm khi T thay đổi
Giải thuật P&O là phương pháp hiệu quả để xác định điểm MPP thông qua việc thay đổi điện áp, như đã được trình bày trong các phần trước Trong phần này, chúng tôi sẽ giải thích chi tiết về cơ chế hoạt động của phương pháp này.
47 rõ hơn về giải thuật P&O và nguyên nhân các hạn chế của giải thuật này với sự thay đổi nhanh của môi trường
Hình 3.15: Lưu đồ giải thuật P&O Thuyết minh giải thuật P&O:
- Đo lường dòng điện I(k+1), V(k+1) lần lấy mẫu thứ k+1, tính toán công suất P tại lần lấy mẫu thứ k+1
- So sánh công suất P(k+1) với công suất trước nó 1 chu kỳ lấy mẫu P(k):
+ Nếu công suất sau bằng công suất trước thì V(k) = V(k+1) (điện áp trước bằng điện áp sau), I(k) = I(k+1) (dòng điện trước bằng dòng điện sau)
Nếu công suất tại thời điểm k+1 lớn hơn công suất tại thời điểm k (P(k+1) > P(k)), cần xem xét hai điều kiện: nếu điện áp tại lần lấy mẫu k+1 lớn hơn điện áp tại lần lấy mẫu k (V(k+1) > V(k)), thì thực hiện tăng xung kích; ngược lại, nếu V(k+1) nhỏ hơn V(k) (V(k+1) < V(k)), thì thực hiện giảm xung kích.
Nếu công suất sau P(k+1) lớn hơn công suất trước P(k), ta chia thành hai điều kiện: nếu điện áp mẫu sau V(k+1) lớn hơn điện áp mẫu trước V(k), cần giảm xung kích; ngược lại, nếu V(k+1) nhỏ hơn V(k), cần tăng xung kích.
Trong điều kiện cường độ bức xạ giao động thì điểm hoạt động MPP của dãy PV dưới giải thuật P&O sẽ dao động xung quanh điểm cực đại
Giải thuật P&O rất phụ thuộc vào thời gian lấy mẫu so sánh Khi cường độ chiếu sáng ổn định, thuật toán này hoạt động hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi, giải thuật P&O sẽ gặp sai sót.
Xét một hệ pin PV phát năng lượng về lưới điện:
Hình 3.16: Sơ đồ hệ thống pin năng lượng mặt trời hòa lưới
Khi cường độ chiếu tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 sang P2
Hình 3.17: Công suất thay đổi khi cường độ thay đổi
Khi hệ MPPT điều khiển PV ở điểm A và cường độ chiếu sáng tăng nhanh tại thời điểm k+1, theo thuật toán P&O, nếu P[k+1] > P[k] và V[k+1] > V[k], hệ MPPT sẽ điều chỉnh tăng điện áp, dẫn đến điểm làm việc chuyển sang điểm C, mặc dù đây không phải là điểm cực đại.
Nếu hệ thống MPPT sử dụng thuật toán P&O, nó sẽ dao động xung quanh điểm cân bằng Sau một vài chu kỳ hoạt động không chính xác, hệ thống sẽ điều chỉnh điểm làm việc về điểm MPP mới.
Nếu cường độ chiếu sáng thay đổi liên tục, thuật toán P&O có thể gặp sai sót nếu chu kỳ lấy mẫu không được điều chỉnh hợp lý Hệ thống MPPT không phân biệt được sự gia tăng công suất do biến đổi cường độ ánh sáng hay do dao động điện áp, dẫn đến việc liên tục giảm hoặc tăng điện áp Hệ quả là, công suất đo được ở thời điểm sau sẽ luôn cao hơn so với thời điểm trước, điều này sẽ được thể hiện rõ trong phần mô phỏng.
Nguyên nhân chính gây ra sự hoạt động sai của thuật toán P&O là không phân biệt được giữa "sự thay đổi công suất do thay đổi điện áp" và "sự thay đổi công suất do thay đổi cường độ sáng".
Yêu cầu đề ra để giải quyết sự hoạt động sai này là:
Giải thuật tìm kiếm điểm cực đại theo điện áp hoạt động hiệu quả chỉ khi cường độ sáng không thay đổi trên cùng một đường cong công suất.
Khi cường độ sáng thay đổi, điện áp tại điểm MPP cũ sẽ được giữ nguyên cho đến khi cường độ sáng ổn định, sau đó mới tiếp tục tìm kiếm MPP theo điện áp Đây là nền tảng để tôi giới thiệu một thuật toán P&O cải tiến khác.
Sơ đồ mô phỏng trong hình 3.18 thể hiện ngõ vào là điện áp và dòng điện của hệ thống PV, trong khi ngõ ra cung cấp điện áp tham chiếu cho bộ điều khiển.
Hình 3.18 trình bày sơ đồ bộ điều khiển MPPT sử dụng thuật toán P&O Để đánh giá hiệu suất của bộ P&O, tác giả đã thực hiện mô phỏng trong môi trường Matlab với thông số đầu vào bức xạ thay đổi ngẫu nhiên từ 300 đến 950 W/m² trong khoảng thời gian 7 giây, như thể hiện trong hình 3.19.
Hình 3.19: Bức xạ thay đổi ngẫu nhiên trong phạm vi từ 300 W/m 2 đến 950 W/m 2
Khi bức xạ mặt trời biến đổi ngẫu nhiên trong khoảng từ 300 W/m² đến 950 W/m², kết quả mô phỏng cho thấy điện áp và công suất phát ra của hệ thống pin mặt trời cũng thay đổi tương ứng Điều này được thể hiện rõ qua hình 3.20 và 3.21.
Hình 3.20: Điện áp ra của pin mặt trời sử dụng thuật toán P&O
