Khảo sát thuật toán do tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC – DC, DC – AC

Nội dung text: Khảo sát thuật toán do tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC – DC, DC – AC

1. KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DO TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC – DC, DC – AC SURVEY DETECTION ALGORITHM MAXIMUM POWER POINT (MPPT) AND ADAPTER DC - DC, DC - AC Nguyễn Hữu Phúc (*), Lý Công Nguyên ( ) (*) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Đại Học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh ( ) Khoa Điện – Điện Tử, Trường Cao Đẳng Công Nghiệp Tuy Hòa ABSTRACT The cost of a solar system is now too high, so we have to take advantage of the maximum capacity, the changed conditions of environment. Besides, the simulation algorithm successfully opened many different choices for different applications depending on specific conditions or cost or cost effectiveness of the system. TÓM TẮT Chi phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vậy ta phải tận dụng được công suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường. Bên cạnh đó, việc mô phỏng thành công nhiều thuật giải khác nhau đã mở thêm nhiều sự lựa chọn cho các ứng dụng khác nhau tùy thuộc vào từng điều kiện cụ thể về chi phí giá thành hoặc hay tính hiệu quả của hệ thống. I. ĐẶT VẤN ĐỀ PV làm việc độc lập, Hệ PV làm việc với Năng lượng mặt trời là một nguồn lưới. năng lượng được xem như là một nguồn - Hệ PV độc lập thường được sử dụng năng lượng sạch và vô tận, vì thế song song ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới với nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt điện không kéo đến được. trời đã nổi lên như là một nguồn năng - Còn trong hệ PV làm việc với lưới, lượng phổ biến nhất hiện nay thay thế các mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới năng lượng truyền thống, để đáp ứng nhu điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự cầu ngày càng thiếu năng lượng. trữ năng lượng. Trong hệ này, bộ biến đổi Tuy nhiên, một hạn chế lớn của hệ DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với thống quang điện (PV) là nó có hiệu suất lưới điện về tần số và điện áp. thấp và vô hiệu vào ban đêm hoặc trong Trong đề tài này chỉ nghiên cứu về hệ thời gian sư ̣ chi ếu nắng thấp hoặc trong PV làm việc độc lập điều kiện bị bóng che một phần. Chi phí vốn ban đầu cao cũng là một vấn đề khác trong việc hạn chế phổ biến hệ thống PV. Để nâng cao công suất và giảm chi phí bắt buộc nguồn PV phải hoạt động tại điểm công suất tối đa như thế công suất tối Hình 1- Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc đa mới có thể được trích xuất. độc lập II. HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC III. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN LẬP MẶT TRỜI Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện system) được chia thành 2 loại cơ bản: Hệ thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời hở. Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 .
2. q.( v IRs) (V IR ) I I I e kT 1 s sc 01 R ( sh Trong đó: Isc là dòng quang điện (dòng ngắn mạch khi không có Rs và Rsh) (A/m2) Dòng ngắn mạch ISC là dòng điện I01 là dòng bão hòa (A/m2) trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn mạch ngoài . Lúc đó hiệu điện thế mạch q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19 ngoài của pin là V = 0 k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k) Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể T là nhiệt độ (K) hiện qua hai thông số là VOC lúc dòng ra I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi áp ra, điện trở nối tiếp và song song của pin điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được trong mạch tương đương ở hình 2.3. tính theo công thức: * Nhận xét: P = U.I Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với Tại điểm làm việc U = VOC ; I = 0 và cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi tầng U = 0 ; I = ISC , Công suất làm việc của pin bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm cũng có giá trị bằng 0. việc V = VMPP có công suất lớn nhất thể hiện trên hình vẽ sau. Điểm làm việc có công suất lớn nhất được thể hiện là điểm chấm đen to trên hình vẽ. (đỉnh của đường cong đặc tính). Hình 2 - Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời Hình 4 - Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời. Hình 3 - Sơ đồ tương đương của pin mặt trời IV. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI a) Bộ biến đổi DC – DC: Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng sáng von – ampe của pin a1. Mạch Buck như sau: Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào
3. xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa V = V .D ( transitor được đóng mở với tần số cao. Hệ out out số làm việc D của khóa được xác định theo Công thức trên cho thấy điện áp ra có công thức sau: thể điều khiển được bằng cách điều khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng Ton hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm D Ton .fdãngc¾t ( T chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton. Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế xung PWM. Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ thống Hình 5 - Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin mặt trời. a2. Mạch Boost Hình 7 - Sơ đồ nguyên lý mạch Boost Hình 6 - Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều được Hình 8 - Dạng sóng dòng điện của mạch nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải Boost qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng, khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa, Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy Boost được thực hiện qua cuộn kháng L. nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện Khóa K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ cho dòng qua (Ton) cuộn kháng tích năng điện do Điốt khép kín mạch. Như vậy cuộn lượng, khi K đóng (Toff) cuộn kháng giải kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng phóng năng lượng qua điôt tới tải. lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
4. dIL VinD V1 V0 L. ( Vout dt 1 D Mạch này tăng điện áp võng khi Công thức (2-11) cho thấy điện áp ra phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra. có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với thuộc vào hệ số làm việc D. nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dòng điện Khi D = 0.5 thì Vin = Vout cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính Khi D Vout theo: Khi D > 0.5 thì Vin < Vout V * Nhận xét: V in ( out Như vậy nguyên tắc điều khiển điện 1 D áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất vào nhu cầu và mục đích sử dụng. cực đại theo điện áp của tải Vo. Để điều khiển tần số đóng mở của a3.Mạch Buck – Boost: Bộ điều khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu khiển phóng ắc quy nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau. b) Bộ biến đổi DC – AC: Hệ PV độc lập thường sử dụng các bộ Hình 9 -Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost biến đổi loại nguồn áp 1 pha. Từ công thức (2-10): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể giảm điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào. Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt, điện Hình 10 -Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện nửa cầu và hình cầu qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra Khóa điện tử S1 và S2 được điều có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị khiển chu kỳ đóng cắt theo một luật nhất điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu định để tạo ra điện áp xoay chiều. Điện áp của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp rơi trên mỗi tụ là Vdc/2. Lf và Cf có nhiệm vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ vụ lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao giảm dần theo thời gian. tại đầu ra của bộ biến đổi và tạo điện áp xoay chiều có tần số mong muốn. Các loại Ta có công thức: bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành
5. Giai thuat P&O cai tien phần dòng điện sóng hài và điều chỉnh hệ 400 số công suất để nâng cao chất lượng điện 350 X: 4.98 Ưu điểm:. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha 300 Y: 340.3 dạng nửa cầu có số khóa điện tử ít hơn 1 250 nửa so với bộ biến đổi DC/AC 1 pha hình 200 cầu nên có cấu trúc đơn giản và rẻ hơn. (W) Power 150 100 V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 50 1. Các phương pháp MPPT 0 0 1 2 3 4 5 6 7 a) Phương pháp P&O Current(A) Chiếu độ: 1000 c) Phương pháp hở mạch P&O MPPT 400 Chiếu độ: 1000 Giai thuat Fraction 350 400 X: 67.14 350 300 Y: 339.2 X: 69.26 250 300 Y: 340.4 200 250 Power (W) Power 150 200 100 (W) Power 150 50 100 0 50 0 20 40 60 80 100 Voltage (V) 0 0 20 40 60 80 100 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 Voltage (V) P&O MPPT 400 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 Giai thuat Fraction 350 400 300 350 X: 69.26 250 300 Y: 338.7 200 250 Power (W) Power 150 200 100 (W) Power 150 50 100 0 50 0 20 40 60 80 100 Voltage (V) 0 0 20 40 60 80 100 Voltage (V) b) Phương pháp P&O cải tiến d) Phương pháp tăng tổng dẫn Chiếu độ: 1000 Chiếu độ: 1000 Giai thuat P&O cai tien MPPT tracking 400 400 350 350 X: 4.978 X: 68.4 300 Y: 340.5 300 Y: 340.5 250 250 200 200 Power (W) Power Power (W) Power 150 150 100 100 50 50 0 0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 20 40 60 80 100 Current(A) Voltage (V) Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000 Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
6. MPPT tracking 400 Các điểm MPP được xác định ổn định 350 hơn so với thuật toán P&O và chính xác 300 hơn so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch. 250 Một nhược điểm của phương pháp này là 200 phức tạp trong việc cài đặt. Power (W) Power 150 2. Các bộ chuyển đổi kết hợp MPPT X: 70.48 100 Y: 76.52 a) Kêt hợp phương pháp P&O 50 Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia 0 0 20 40 60 80 100 50 Voltage (V) e) Đánh giá, nhận xét Ưu điểm: 0 Trong trường hợp chiếu độ không đổi -50 thì tất cả thuật toán đều hoạt động ổn định và xác định đúng điểm công suất cực đại 0 0.01 0.02 0.03 0.04 Thoi gian MPP. Dong dien sau khi qua bo loc 50 Trong trường hợp chiếu độ thay đổi: các giải thuật P&O cải tiến, giải thuật tăng tổng dẫn, giải thuật tỷ lệ điện áp hở mạch 0 đều hoạt động ổn định và xác định được điểm MPP, riêng thuật toán P&O thì không (A) dien Dong thể xác định được MPP. -50 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Khuyết điểm Thoi gian b) Kêt hợp phương pháp hở mạch Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia Đối với giải thuật P&O cải tiến: mặc 80 dù đã xác định được MPP khi chiếu độ thay 60 đổi, tuy nhiên điểm MPP có sự dao động 40 lớn. 20 Đối với thuật toán tỷ lệ điện áp hở 0 -20 mạch: -40 -60 Có thể xác định được MPP khi chiếu -80 độ thay đổi. Tuy nhiên, độ chính xác không 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Thoi gian Dong dien sau khi qua bo loc cao vì điện áp của điểm cực đại được xác 50 định thông hằng số tỷ lệ k=0.71 ~0.78, việc X: 0.02596 chọn giá trị dựa vào kinh nghiệm sẽ dẫn Y: 32.84 đến sự khác biệt. 0 Bên cạnh đó, điện áp hở mạch của (A) dien Dong môđun thay đổi theo nhiệt độ. Vì thế khi nhiệt độ của môđun thay đổi, điện áp hở -50 mạch của môđun thay đổi dẫn đến phải 0.02 0.022 0.024 0.026 0.028 0.03 0.032 0.034 0.036 0.038 0.04 Thoi gian thường xuyên đo điện áp hở mạch. Trong c) Kêt hợp phương pháp tăng tổng dẫn khi đó điện áp hở mạch, cần phải cách li tải ra khỏi môđun nên công suất của hệ quang điện trong thời gian này không được sử dụng. Đối với thuật toán tăng tổng dẫn:
7. Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia 80 Mô phỏng thành công mô hình gồm 60 hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm 40 công suất cực đại với các bộ biến đổi 20 DC/DC và DC/AC. 0 Xây dựng hệ thống năng lượng mặt -20 trời sử dụng các công cụ DSP để cài đặt các -40 thuật toán MPPT, sau đó khảo sát đánh giá -60 khả năng ứng dụng thực tiễn hệ thống. -80 0 0.005 0.01 0.015 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng điện Thoi gian Dong dien sau khi qua bo loc và điện áp lên thiết bị khi hòa lưới. Và từ 50 đây có thể phát triển một hệ thống điện mặt trời công suất lớn, hòa lưới điện mặt trời vào lưới điện quốc gia, giải quyết vấn đề thiếu điện trầm trọng như hiện nay. 0 Dong dien (A) dien Dong VII. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Partial Shadowing, MPPT Performance and Inverter Configurations: Observations at -50 Tracking PV Plants - Miguel Jose Miguel 0.02 0.025 0.03 0.035 0.04 Thoi gian Maruri, Luis Marroyo, Eduardo Lorenzo and d) Đánh giá, nhận xét Migue [2] A New Maximum Power Point Tracking for Việc chọn giải thuật MPPT phụ thuộc Photovoltaic Systems - Mohamed Azab vào từng ứng dụng cụ thể và phụ thuộc vào [3] Two Stages Maximum Power Point Tracking các yếu tố sau: tính hiệu quả của giải thuật, Algorithm for PV Systems Operating under độ phức tạp của giải thuật và giá thành. Partially Shaded Conditions - Hamdy Đối với giải thuật tỷ lệ điện áp hở Radwan, Omar Abdel-Rahim, Mahrous Ahmed, IEEE Member, Mohamed Orabi, mạch có ưu điểm là dễ cài đặt, có thể bằng IEEE Senior Member mạch tương tự nên chi phí thấp. Tuy nhiên, [4] Innovative Decision Reference Based hiệu suất không cao so với hai giải thuật Algorithm for Photovoltaic Maximum Power còn lại, đồng thời giải thuật này chỉ phù Point Tracking - Siamak Mehrnamiyand hợp với các ứng dụng mà nhiệt độ môi Shahrokh Farhangiy trường ít thay đổi . [5] A comparison of two MPPT techniques for Đối với các ứng dụng cần hiệu suất PV system - NAZIH MOUBAYED, ALI EL- cao thì nên sử dụng thuật toán P&O cải tiến ALI, RACHID OUTBIB và thuật toán tăng tổng dẫn vì thuật toán [6] Artificial intelligence based P&O MPPT này tìm điểm công suất cực đại nhanh và method for photovoltaic systems - B. Amrouche, M. Belhamel and A. Guessoum chính xác so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch. Khuyết điểm của các phương pháp [7] A Modified MPPT Scheme for Accelerated này là phức tạp và chi phí cao do cần sử Convergence - Michael Sokolov, Doron Shmilovitz, Member, IEEE phải sử dụng vi xử lý để điều khiển. [8] 19.Novel Control Strategy for Grid-Conneted VI. KẾT LUẬN DC - AC Converters with Load Power Factor and MPPT Control - Pedro G. Barbosa,Luís Xây dựng thuật toán và mô phỏng G.B. Rolim , Vladimir V. Wavares, Edson H. thành công các thuật toán tìm điểm công Watanabe and R. Hanitsch suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn, [9] Renewable and Efficient Electric Power thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch. Systems - Gilbert M. Masters Stanford University
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.