Tải bản đầy đủ

KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DO TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ BỘ CHUYỂN ĐỔI DC – DC, DC – AC

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
Năng lượng mặt trời là một nguồn
năng lượng được xem như là một nguồn

năng lượng sạch và vô tận, vì thế song song
với nguồn năng lượng gió, năng lượng mặt
trời đã nổi lên như là một nguồn năng
lượng phổ biến nhất hiện nay thay thế các
năng lượng truyền thống, để đáp ứng nhu
cầu ngày càng thiếu năng lượng.
Tuy nhiên, một hạn chế lớn của hệ
thống quang điện (PV) là nó có hiệu suất
thấp và vô hiệu vào ban đêm hoặc trong
thời gian sự chi ếu nắng thấp hoặc trong
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
đa mới có thể được trích xuất.
II. HỆ PIN MẶT TRỜI LÀM VIỆC ĐỘC
LẬP
Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic
system) được chia thành 2 loại cơ bản: Hệ

PV làm việc độc lập, Hệ PV làm việc với
lưới.
- Hệ PV độc lập thường được sử dụng
ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới
điện không kéo đến được.
- Còn trong hệ PV làm việc với lưới,
mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới
điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự
trữ năng lượng. Trong hệ này, bộ biến đổi
DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với
lưới điện về tần số và điện áp.
Trong đề tài này chỉ nghiên cứu về hệ
PV làm việc độc lập

Hình 1- Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc
độc lập
III. ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN
MẶT TRỜI

Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện
thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt
trời hở. Khi đó dòng mạch ngoài I = 0 .


 q.( v  IRs )  (V  IR )
s
I  I sc  I 01 e kT  1 


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
trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài . Lúc đó hiệu điện thế mạch
ngoài của pin là V = 0

I01 là dòng bão hòa (A/m2)

Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể
hiện qua hai thông số là VOC lúc dòng ra
bằng 0 và Dòng điện ngắn mạch ISC khi
điện áp ra bằng 0. Công suất của pin được
tính theo công thức:

T là nhiệt độ (K)

P = U.I
Tại điểm làm việc U = VOC ; I = 0 và
U = 0 ; I = ISC , Công suất làm việc của pin
cũng có giá trị bằng 0.

q là điện tích của điện tử (C) = 1,6.10-19
k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k)
I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện
áp ra, điện trở nối tiếp và song song của pin
trong mạch tương đương ở hình 2.3.
* Nhận xét:
Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với
cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi tầng
bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm
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 3 - Sơ đồ tương đương của pin
mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương
trình đặc trưng sáng von – ampe của pin
như sau:

Hình 4 - Đường cong đặc trưng V - I
của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ
bức xạ Mặt trời.
IV. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI BÁN DẪN
TRONG HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
a) Bộ biến đổi DC – DC:
a1. Mạch Buck
Khóa K trong mạch là những khóa
điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch
Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào

(


xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa
transitor được đóng mở với tần số cao. Hệ
số làm việc D của khóa được xác định theo
công thức sau:

D

Ton
 Ton .fdãng c¾ t
T

Hình 5 - Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

Vout = Vout.D

(

Công thức trên cho thấy điện áp ra có
thể điều khiển được bằng cách điều khiển
hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng
hồi tiếp lấy giá trị dòng điện nạp ắc quy làm
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
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
nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải
qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng,
khóa K đóng lại không cho dòng qua nữa,
năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy
nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện
nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ
điện do Điốt khép kín mạch. Như vậy cuộn
kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng
lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch
khi khóa K đóng.

Hình 8 - Dạng sóng dòng điện của mạch
Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ
Boost được thực hiện qua cuộn kháng L.
Khóa K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở
cho dòng qua (Ton) cuộn kháng tích năng
lượng, khi K đóng (Toff) cuộn kháng giải
phóng năng lượng qua điôt tới tải.

(


V1  V0  L.

dI L
dt

(

Mạch này tăng điện áp võng khi
phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra.
Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với
nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dòng điện
cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số
làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính
theo:

Vout 

Vin
1 D

Với phương pháp này cũng có thể
điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để
điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất
cực đại theo điện áp của tải Vo.
a3.Mạch Buck – Boost: Bộ điều
khiển phóng ắc quy

Vout 

Vin D
1 D

Công thức (2-11) cho thấy điện áp ra
có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy
thuộc vào hệ số làm việc D.
Khi D = 0.5 thì Vin = Vout
Khi D < 0.5 thì Vin > Vout
Khi D > 0.5 thì Vin < Vout
(

* Nhận xét:
Như vậy nguyên tắc điều khiển điện
áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách
điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử
dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc
vào nhu cầu và mục đích sử dụng.
Để điều khiển tần số đóng mở của
khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu
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:

Hình 9 -Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

Hệ PV độc lập thường sử dụng các bộ
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
cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện
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
có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị
điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu
của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp
vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ
giảm dần theo thời gian.
Ta có công thức:

Hình 10 -Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng
nửa cầu và hình cầu
Khóa điện tử S1 và S2 được điều
khiển chu kỳ đóng cắt theo một luật nhất
định để tạo ra điện áp xoay chiều. Điện áp
rơi trên mỗi tụ là Vdc/2. Lf và Cf có nhiệm
vụ lọc bỏ các thành phần sóng hài bậc cao
tại đầu ra của bộ biến đổi và tạo điện áp
xoay chiều có tần số mong muốn. Các loại
bộ biến đổi này có thể ngăn chặn thành


phần dòng điện sóng hài và điều chỉnh hệ
số công suất để nâng cao chất lượng điện

350
X: 4.98
Y: 340.3

300
Power (W)

Ưu điểm:. Bộ biến đổi DC/AC 1 pha
dạng nửa cầu có số khóa điện tử ít hơn 1
nửa so với bộ biến đổi DC/AC 1 pha hình
cầu nên có cấu trúc đơn giản và rẻ hơn.

Giai thuat P&O cai tien
400

250
200
150
100

V. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
1. Các phương pháp MPPT
a) Phương pháp P&O
Chiếu độ: 1000

50
0

0

1

2

3
4
Current(A)

5

6

7

c) Phương pháp hở mạch
Chiếu độ: 1000

P&O MPPT
400

Giai thuat Fraction
400

350
X: 67.14
Y: 339.2

350

250

300

200

250

Power (W)

Power (W)

300

150
100

200
150
100

50
0

X: 69.26
Y: 340.4

0

20

40
60
Voltage (V)

80

50

100

0

Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
P&O MPPT
400

0

20

40
60
Voltage (V)

80

100

Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000
400

300

350

250

300

200

250

Power (W)

Power (W)

Giai thuat Fraction
350

150
100

0

20

40
60
Voltage (V)

80

150

50

100

0

20

40
60
Voltage (V)

80

100

MPPT tracking

Giai thuat P&O cai tien

400

400

350

350
X: 4.978
Y: 340.5

300

Power (W)

200
150

250
200
150

100

100

50

50
0

1

2

3
4
Current(A)

5

X: 68.4
Y: 340.5

300

250

0

0

d) Phương pháp tăng tổng dẫn
Chiếu độ: 1000

b) Phương pháp P&O cải tiến
Chiếu độ: 1000

Power (W)

200

100

50
0

X: 69.26
Y: 338.7

6

7

Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000

0

0

20

40
60
Voltage (V)

80

100

Chiếu độ thay đổi: 200 400 600 800 1000


Các điểm MPP được xác định ổn định
hơn so với thuật toán P&O và chính xác
hơn so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch.
Một nhược điểm của phương pháp này là
phức tạp trong việc cài đặt.

MPPT tracking
400
350

Power (W)

300
250
200

2. Các bộ chuyển đổi kết hợp MPPT
a) Kêt hợp phương pháp P&O

150
X: 70.48
Y: 76.52

100

Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia

50
0

e)

0

20

40
60
Voltage (V)

80

100

50

Đánh giá, nhận xét
Ưu điểm:

0

Trong trường hợp chiếu độ không đổi
thì tất cả thuật toán đều hoạt động ổn định
và xác định đúng điểm công suất cực đại
MPP.

Khuyết điểm
Đối với giải thuật P&O cải tiến: mặc
dù đã xác định được MPP khi chiếu độ thay
đổi, tuy nhiên điểm MPP có sự dao động
lớn.

0

-50
0.02

Đối với thuật toán tăng tổng dẫn:

0.04

0.025

0.03
Thoi gian

0.035

0.04

b) Kêt hợp phương pháp hở mạch
Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia
80
60
40
20
0
-20
-40
-60
-80

0

0.005

0.01

0.015

0.02
0.025
Thoi gian
Dong dien sau khi qua bo loc

0.03

0.035

0.04

50

X: 0.02596
Y: 32.84
Dong dien (A)

Bên cạnh đó, điện áp hở mạch của
môđun thay đổi theo nhiệt độ. Vì thế khi
nhiệt độ của môđun thay đổi, điện áp hở
mạch của môđun thay đổi dẫn đến phải
thường xuyên đo điện áp hở mạch. Trong
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.

0.02
0.03
Thoi gian
Dong dien sau khi qua bo loc

0

Đối với thuật toán tỷ lệ điện áp hở
mạch:
Có thể xác định được MPP khi chiếu
độ thay đổi. Tuy nhiên, độ chính xác không
cao vì điện áp của điểm cực đại được xác
định thông hằng số tỷ lệ k=0.71 ~0.78, việc
chọn giá trị dựa vào kinh nghiệm sẽ dẫn
đến sự khác biệt.

0.01

50
Dong dien (A)

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
đều hoạt động ổn định và xác định được
điểm MPP, riêng thuật toán P&O thì không
thể xác định được MPP.

-50

0

-50
0.02

0.022

0.024

0.026

0.028

0.03 0.032
Thoi gian

0.034

0.036

0.038

0.04

c) Kêt hợp phương pháp tăng tổng dẫn


Mô phỏng thành công mô hình gồm
hệ thống pin mặt trời, thuật toán tìm điểm
công suất cực đại với các bộ biến đổi
DC/DC và DC/AC.

Dien ap nghich luu Uao va dong dien pha ia
80
60
40
20

Xây dựng hệ thống năng lượng mặt
trời sử dụng các công cụ DSP để cài đặt các
thuật toán MPPT, sau đó khảo sát đánh giá
khả năng ứng dụng thực tiễn hệ thống.

0
-20
-40
-60
-80

0

0.005

0.01

0.015

0.02 0.025
Thoi gian

0.03

0.035

0.04

Dong dien sau khi qua bo loc

Dong dien (A)

50

Nghiên cứu ảnh hưởng của dòng điện
và điện áp lên thiết bị khi hòa lưới. Và từ
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

VII.TÀI LIỆU THAM KHẢO

-50
0.02

0.025

0.03
Thoi gian

0.035

[1]

Partial Shadowing, MPPT Performance and
Inverter Configurations: Observations at
Tracking PV Plants - Miguel Jose Miguel
Maruri, Luis Marroyo, Eduardo Lorenzo and
Migue

[2]

A New Maximum Power Point Tracking for
Photovoltaic Systems - Mohamed Azab

[3]

Two Stages Maximum Power Point Tracking
Algorithm for PV Systems Operating under
Partially Shaded Conditions - Hamdy
Radwan, Omar Abdel-Rahim, Mahrous
Ahmed, IEEE Member, Mohamed Orabi,
IEEE Senior Member

[4]

Innovative Decision Reference Based
Algorithm for Photovoltaic Maximum Power
Point Tracking - Siamak Mehrnamiyand
Shahrokh Farhangiy

[5]

A comparison of two MPPT techniques for
PV system - NAZIH MOUBAYED, ALI ELALI, RACHID OUTBIB

[6]

Artificial intelligence based P&O MPPT
method for photovoltaic systems - B.
Amrouche, M. Belhamel and A. Guessoum

[7]

A Modified MPPT Scheme for Accelerated
Convergence - Michael Sokolov, Doron
Shmilovitz, Member, IEEE

[8]

19.Novel Control Strategy for Grid-Conneted
DC - AC Converters with Load Power Factor
and MPPT Control - Pedro G. Barbosa,Luís
G.B. Rolim , Vladimir V. Wavares, Edson H.
Watanabe and R. Hanitsch

[9]

Renewable and Efficient Electric Power
Systems - Gilbert M. Masters Stanford
University

0.04

d) Đánh giá, nhận xét
Việc chọn giải thuật MPPT phụ thuộc
vào từng ứng dụng cụ thể và phụ thuộc vào
các yếu tố sau: tính hiệu quả của giải thuật,
độ phức tạp của giải thuật và giá thành.
Đối với giải thuật tỷ lệ điện áp hở
mạch có ưu điểm là dễ cài đặt, có thể bằng
mạch tương tự nên chi phí thấp. Tuy nhiên,
hiệu suất không cao so với hai giải thuật
còn lại, đồng thời giải thuật này chỉ phù
hợp với các ứng dụng mà nhiệt độ môi
trường ít thay đổi .
Đối với các ứng dụng cần hiệu suất
cao thì nên sử dụng thuật toán P&O cải tiến
và thuật toán tăng tổng dẫn vì thuật toán
này tìm điểm công suất cực đại nhanh và
chính xác so với thuật toán tỷ lệ điện áp hở
mạch. Khuyết điểm của các phương pháp
này là phức tạp và chi phí cao do cần sử
phải sử dụng vi xử lý để điều khiển.
VI. KẾT LUẬN
Xây dựng thuật toán và mô phỏng
thành công các thuật toán tìm điểm công
suất cực đại P&O, thuật toán tăng tổng dẫn,
thuật toán tỷ lệ điện áp hở mạch.


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.



Tài liệu bạn tìm kiếm đã sẵn sàng tải về

Tải bản đầy đủ ngay

×