Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho cánh đồng pin mặt trời khi bị bóng che

Nội dung text: Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho cánh đồng pin mặt trời khi bị bóng che

1. CẤU HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG CHO CÁNH ĐỒNG PIN MẶT TRỜI KHI BỊ BÓNG CHE Energy Converter Configuration For Solar Fields Under Partially Shaded Insolation Conditions Trương Việt Anh Trần Tấn Nguyện ĐH. Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM Trường CĐ Nghề Lilama2 TÓM TẮT Bài báo trình bày phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời và cấu hình bộ chuyển đổi NL cho hệ thống cánh đồng pin mặt trời xét trong điều khiện bị bóng che. Cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất chia cánh đồng pin ra thành nhiều phần tử pin nhỏ, mỗi phần tử là một tấm pin, mỗi phần từ này được trang bị một bộ DC/DC riêng, và được ghép song song lại với nhau trên bus voltage. Bộ MPPT dò từ 0 đến 100%, trong quá trình dò sẽ lưu lại điểm có công suất lớn nhất, khi dò xong sẽ xuất điểm có công suất lớn nhất này ra làm việc. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy cấu hình này truyền công suất ra lưới lớn hơn so với cấu hình một bộ chuyển đổi NL dùng chung cho cả cánh đồng pin. Giải thuật MPPT cũng khắc phục được nhược điểm dò sai tại điểm cực trị địa phương khi cánh đồng pin bị bóng che. ABSTRACT This paper presents the algorithm to maximum power point tracking and energy converter configuation for solar fields under partially shaded insolation conditions. Solar fields are divided into several small elements for Energy converter configuation that is proposed, each element is a solar panel, each of which is equipped with a saperated DC/DC, and is installed together on the bus voltage parallelly. The MPPT set tracks from 0 to 100%, in the tracking process, it will save the maximum power point, when completing the track process, the maximum power point will be output for working. Simulation and experimental results shows that this configuration transmits output power that is larger than configuration of energy converter used for whole the fields. MPPT algorithm can overcome disadvantages of error detecting at the local maximum power point when solar fields is under shaded insolation conditions. 1. GIỚI THIỆU PV tồn tại duy nhất một điểm mà ở đó công suất Phát điện bằng pin quang điện (PV) ngày càng trở phát của PV đạt cực đại (MPP), điểm MPP này nên quan trọng bởi vì nó được xem là nguồn năng thay đổi phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ môi lượng tái tạo có nhiều ưu điểm như không phát sinh trường, đường đặc tuyến PV không phải là 1 đường chi phí nhiên liệu, không gây ô nhiễm môi trường, cong chỉ có một điểm cực trị mà có nhiều điểm cực đòi hỏi bảo trì ít và không phát ra tiếng ồn so với trị nếu pin bi bóng che. Nhiệm vụ của bộ chuyển các nguồn năng lượng khác. Tuy nhiên, các module đổi năng lượng là lấy toàn bộ năng lượng có được PV khi làm việc với tổng trở tải không thích hợp từ các tấm pin trong cánh đồng pin mặt trời. Và giải vẫn có hiệu suất chuyển đối thấp, do đó, dò tìm thuật dò tìm điểm MPP phải dò tìm điểm được điểm công suất cực đại (MPPT) cho PV là điều cần điểm lớn nhất trong các điểm cực trị khi cánh đồng thiết trong một hệ thống PV. pin bị bóng che. Lượng điện năng tạo ra phụ thuộc vào điện áp hoạt Trong [1], với kỹ thuật MPPT dùng bảng tra trên động của PV. Trên đặc tuyến V(I) và P(V) của máy tính nên gặp nhiều khó khăn về bộ nhớ trong 1
2. bộ vi xử lý. Giải quyết vấn đề này, một số nghiên cứu sử dụng phương pháp thực nghiệm để chỉ ra 2.2. Phân tích hệ thống truyền thống quan hệ giữa điện áp làm việc tối ưu và điện áp hở DC PV TẢI mạch của PV [2, 3] nhưng chỉ áp dụng được một số DC loại PV nhất định vì quan hệ này phụ thuộc vào vật Duty liệu chế tạo, nhiệt độ môi trường. Các giải thuật Ipv V mới [4,5] sử dụng kỹ thuật P&O (perturb and P(k) = Xác định ref Bộ phát V V(k)xI(k) Vref PWM observe) hay cải tiến của P&O đẵ khắc phục được pv nhược điểm nói trên. Tuy nhiên, với đặc tuyến pin V không bị bóng che chỉ có 1 điểm MPP thì các giải low So sánh thuật này đúng. [8] đề xuất giải thuật MPPT cà bộ Vhigh chuyển đổi NL xét đến ảnh hưởng bóng che, trong H.2. Bộ chuyển đổi NL truyền thống giải thuật MPP dựa trên Rpm = Vpm/Ipm. Trong đó Vpm bằng 80%Voc và Imp bằng 90%Isc. Phương pháp Xét H.2 có các khối đo U I, khối so sánh, khối xác này cho pin bị bóng che gần giống như phương định Vref chính là bộ MPPT. Trong một cánh đồng pháp điện áp hằng số cho pin không bị bóng che. pin sẽ có một bộ MPPT và một bộ DC/DC. Các giải thuật để bộ MPPT làm việc thường là các giải Bài báo tập trung nghiên cứu xây dựng cấu hình thuật truyền thống như P&O, I&C. Hai giải thuật cánh đồng pin mặt trời và bộ chuyển đổi năng này tên gọi khác nhau nhưng có bản chúng đều là lượng có khả năng dò tìm điểm cực trị lớn nhất các giải thuật “leo đồi” để đến điểm cực đại, thay vì (trong các điểm cực trị địa phương) và chuyển hết P&O xác định bốn khoảng theo dP và dU để biết toàn bộ năng lượng có được ra tải. điểm làm việc đang ở bên trái hay bên phải điểm MPP, thì giải thuật I&C chia ra làm hai khoảng 2. PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN theo dP/dU, hai hay bốn sau đó đều phải tăng hoặc 2.1. Mô tả hệ thống giảm một lượng ΔD hay Vref nhất định nào đó. Việc dò như thế này rõ ràng là sai đối với đặc tuyến PV ở hình 3. May mắn các giải thuật này sẽ dò đúng n n DC/DC điểm MPP2, cho dù vậy thì điểm MPP2 vẫn chưa là Load PV Boost điểm có công xuất lớn nhất có thể. converte r 2.3. Cấu hình cánh đồng pin và bộ chuyển đổi Duty IPV năng lượng đề xuất. VPV a. Điểm có công suất cực trị lớn nhất n Bus Nếu cánh đồng pin có m pin mắc nối tiếp và n dãy MPPT Voltage control (Acqui) pin ghép song song, thì ta có tối đa n điểm có công suất cực trị (bao gồm điểm có công suất cực trị lớn nhất và các điểm cực trị địa phương còn lại) hình 3, chính vì lý do này, một giải thuật để dò tìm điểm H.1. Sơ đồ khối hệ thống PV có MPPT MPP là sẽ dò từ đầu đến cuối đặc tuyến PV, sau đó Công suất của PV được xác định bằng tích số của lưu lại giá trị có công suất lớn nhất (lưu lại PMPP, hai giá trị IPV và VPV. Bộ MPPT xác định giá trị VMPP, Vref hoặc Duty), sau khi dò xong sẽ xuất điện áp Vref (hoặc độ rộng xung) nhằm điều khiển đúng điểm lớn nhất ra làm việc, kể từ khi xuất điểm bộ biến đổi năng lượng DC-DC sao cho điện áp DC lớn nhất ra làm việc, nếu công xuất có sự thay đi đặt lên tải thay đổi để thay đổi được công suất tiêu đổi một lượng ΔP cố định trước so với công suất thụ phù hợp với công suất cực đại của PV, bộ bus điểm MPP đã lưu trước đó, thì bộ MPPT sẽ thực voltage có nhiệm vụ ghiêm áp tại một giá trị cố hiện lại công việc từ đầu. định, để các bộ DC/DC có điện áp ngõ ra băng nhau. 2
3. b. Xây dựng bộ chuyển đổi NL. việc được điểm MPP1, nhưng thực tế điểm MPP1 Từ hình 3 ta thấy, có 2 điểm cực trị trong đó điểm chưa phải là công suất lớn nhất có thể của hệ thống. bên trái là điểm lớn nhất, điểm này chính là tổng Công suất lớn nhất có thể của hệ thống là: công suất của hai dãy pin, một dãy không bị bóng 푃 = 푃 + 푃 (2) che thì làm việc quá điểm cực đại, dãy còn lại bị bóng che thì đang làm việc ngay điểm cực đại. Từ công thức (2) công suất tổng lớn nhất có thể có 2 a chính là tổng hai đỉnh công suất tại a và b, cho nên 1 kW/m cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng được đề xuất là mỗi pin một bộ DC/DC hình 1, các bộ này được c 2 đấu song song với nhau tại bus voltage. Nếu không 0.5 kW/m có bus voltage sẽ dẫn đến trường hợp áp không bằng nhau không phát được công suất với các bộ DC/DC điện áp thấp hơn. Lưu đồ giải thuật bộ MPPT control (a) b (b) 2 1 (c) H.3. (a) Đặc tuyến PV của nhánh pin không bị bóng H.4. Giải thuật đề xuất che, (b) đặc tuyến PV của nhánh pin bị bóng che, (c) đặc tuyến PV của cánh đồng pin có 2 dãy ghép song song có 1 dãy bị bóng che Từ hình 3, xét bức xạ 1 kWm2, khi áp dụng các giải thuật truyền thống như điện áp hằng số, P&O, I&C, Fuzzy thông thường sẽ dò từ phải sang trái, khi dò đến điểm MPP1 khi này, sẽ dừng và làm việc tại điểm này, rõ ràng từ hình 3 ta thấy điểm MPP2 lớn hơn điểm MPP1. Điểm 2 là điểm có công suất: 푃 = 푃 + 푃 (1) Nếu toàn cánh đồng sử dụng chung 1 bộ chuyển đổi năng lượng để vận hành, thì khi làm việc tốt sẽ làm 1 khối PV 3 system
4. H.5. Cấu hình đề nghị được xây dựng trong Matlab b = 0; & Simulink c = 0; Hình 5 biểu diễn cấu hình cánh đồng pin mặt trời end gồm 12 tấm pin với tổng công suất 1200W, sông suất mỗi tấm là 100W, trong 12 tấm này có 3 tấm c = 0; cuối thuộc dãy bên trái có màu là 3 tấm pin bị bóng che hết 72% diện tích pin (trong 36 cell pin mắt nối if (t 200) H.6. Cấu hình bên trong khối PV system được xây dựng trong Matlab & Simulink a = duty; Hình 6 có khối PV chính là 1 pin mặt trời, khối DC/DC là 1 mạch boost, và khối MPPT. end Hình 7 trình bày cấu hình mạch boost, mạch boost if (t>=250) được thiết kế với công suất 230W (với điện áp ngõ f = 0.9*Pmpp; ra 48V, điện trở 10Ω) d = 1.1*Pmpp; if (p>=d) t = 0; timer = 0; a = -1; end if (p =200) t4 = b; c = 0; t5 = duty; b = b + 1; y = a; if (b>10) t = t + 1; c = 1; end if (c == 1) a = a + 0.01; 4
5. 3. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG (b) H.6. Bức xạ thay đổi từ 0.5 lên 1 kW/m2 H.8. (a) Công suất, (b) điện áp tải, khi sử dụng 1 bộ DC/DC 1 pin trong toàn cánh đồng pin Hình 8 biểu diễn công suất thực lấy ra được cấu hình này lớn hơn công suất MPP tại đỉnh lớn nhất của đặc tuyến trong hình 7. H.7. Đáp ứng của bộ MPP trong cấu hình 1 bộ chuyển đổi NL chung Hình 9. Công suất thu được từ 2 cấu hình khác nhau Trong trường hợp này hình 9 ta thấy, với cấu hình một tấm pin được trang bị một bộ chuyển đổi NL thì công suất thực thu được lớn hơn nhiều so với cấu hình 1 bộ chuyển đổi NL cho toàn cánh đồng pin mặt trời hình. Nguyên nhân là do công suất thu được từ cấu hình 1 là tổng công suất của hai nhánh pin, tại đỉnh MPP của nhánh pin bị bóng che, lúc này nhánh pin không bị bóng che làm việc quá tải nên công suất giảm, với cấu hình 2 công suất thu được là cực đại của từng tấm pin trong cánh đồng pin, hay là tổng công suất của hai đỉnh Pa + Pb (a) trong công thức 2. 5
6. H.12. Sự thay đổi của biến Duty (độ rộng xung) 4. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM Hình 12 cho thấy, trong khi lập trình chạy thực H.10 mô hình thực nghiệm chỉ xây dựng để kiểm nghiệm, chỉ cho duty chạy từ 30 đến 220 tưng ứng tra giải thuật MPPT cho pin mặt trời khi bị bóng với 12 đến 86%, mục đích của việc làm này nhằm che, kết quả đo được từ 13h30 đến 15h30’ ngày loại bỏ các vùng không cần thiết, tránh trường sự 10/02/2013. cố ngắn mạch pin và tăng tốc độ dò tìm điểm MPP. 25 20 15 10 5 0 1 919 307 613 1225 1531 1837 2143 2449 2755 3061 3367 3673 3979 4285 4591 4897 H.13. Điện áp của PV H.10. Mô hình thực nghiệm Tại các giá trị cực đại, điện áp rơi ra khỏi vùng 73 đến 80% như phương pháp hằng số không đổi. 60 50 5. KẾT LUẬN 40 Bài báo đề xuất cấu hình bộ chuyển đổi NL mới 30 đáp ứng được khi cánh đồng pin mặt trời bị bóng 20 che. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy 10 khi sử dụng cấu hình bộ chuyển đổi NL đề xuất 0 công suất thu được lớn nhất. Kết quả so sánh với 1 cấu hình thông thường sử dụng một bộ DC/DC 919 613 307 chung cho thấy cấu hình này cho công suất lơn hơn 4897 1225 1531 1837 2143 2449 2755 3061 3367 3673 3979 4285 4591 nhiều và giải thuật tìm điểm MPPT không bị sai so H.11. Công suất PV thu được từ 13h30 đến 15h30’ với các giải thuật P&O hay I&C. ngày 10/02/2013. Hình 11 cho thấy công suất luôn thay đổi, khi thay TÀI LIỆU THAM KHẢO đổi vùng bóng (thực hiện bằng cách che pin) khi [1] Ibrahim, H. E.-S. A. and Houssiny, F. F., bức xạ và vùng bóng không thay đổi thì công suất “Microcomputer Controlled Buck Regulator for thu được tương đối ổn định Maximum Power Point Tracker for DC Pumping 250 System Operates from Photovoltaic System,” Proceedings of the IEEE International Fuzzy 200 Systems Conference, August 22-25,Vol. 1, pp. 406- 150 411 (1999). [2] Jawad Ahmad, and Hee-Jun Kim “A Voltage 100 Based Maximum Power Point Tracker for Low 50 Power and Low Cost Photovoltaic Applications” 0 World Academy of Science, Engineering and 1 Technology 60 2009 326 651 976 1626 4226 1951 2276 2601 2926 3251 3576 3901 4551 4876 1301 [3] Masoum, Mohammad A. S. Dehbonei, Hooman, “Design, Construction and Testing of a Voltage-based Maximum Power Point Tracker 6
7. (VMPPT) for Small Satellite Power Supply” SSC99-XII-7 [4] Enslin, J. H. R. and Snyman, D. B., “Simplified Feed-Forward Control of the Maximum Power Pont in PV Installations” Proceedings of the IEEE International Conference on Power Electronics Motion Control, Vol.1, pp. 548-553 (1992). [5] Sree Manju B, Ramaprabha R, Mathur B.L “Design and Modeling of Standalone Solar Photovoltaic Charging System” International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 18– No.2, March 2011 [6] Mayssa Farhat, Lassâad Sbita “Advanced Fuzzy MPPT Control Algorithm for Photovoltaic Systems ” Science Academy Transactions on Renewable Energy Systems Engineering and Technology Vol. 1, No. 1, March 2011 [7] Mohamed Salhi, Rachid El-Bachtri “Maximum Power Point Tracker using Fuzzy Control for Photovoltaic System” International Journal of Mô hình thực nghiệm Research and Reviews in Electrical and Computer Engineering (IJRRECE) Vol. 1, No. 2, June 2011, ISSN: 2046-5149 [8] Kenji Kobayashi, Ichiro Takano, Yoshio Sawada, “A study of a two stage maximum power point tracking control of a photovoltaic system under partially shaded insolation conditions” Available online 28 August 2006 [9] Theodoros L. Kottas, Athanassios D. Karlis, “New Maximum Power Point Tracker for PV Arrays Using Fuzzy Controller in Close Cooperation With Fuzzy Cognitive Networks” IEEE TRANSACTIONS ON ENERGY CONVERSION, VOL. 21, NO. 3, SEPTEMBER 2006 Bảng thông số của pin mặt trời thực nghiệm: 7
8. BÀI BÁO KHOA HỌC THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ Bài báo khoa học của học viên có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam. Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN! Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2016-2017 của Thư viện Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.