Xây dựng giải thuật nâng cao hiệu suất của cánh đồng pin mặt trời (1)

1

CHƯƠNG 3

ĐỀ XUẤT BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG ĐÁP
ỨNG CÁC ĐIỀU KIỆN THAY ĐỔI
Khi xét đến đặc tuyến P-V hay I-V của 1 tấm pin mặt trời như hình 2.4 và 2.5,
nhưng trong thực tế, để đáp ứng được công suất yêu cầu, các tấm pin này sẽ được
ghép với nhau theo một cấu hình nhất định, bao gồm việc ghép song song hoặc nối
tiếp các tấm pin lại với nhau để có được công suất đủ lớn cần thiết cho phụ tải yêu
cầu. Chính vì lý do lắp đặt này dẫn đến việc đặc tuyến của pin không còn 1 điểm
cực trị và có nhiều điểm cực trị. Số điểm cực trị phụ thuộc vào số nhánh ghép song
song, pin có bao nhiêu nhánh song song thì có tối đa bấy nhiêu điểm cực trị.
Chương này đưa ra hai cấu hình với hai bộ chuyển đổi NL khác nhau. Với cấu
hình một (phần 3.2.1) cho công suất thu được là tổng công suất đỉnh của các dãy pin
nối tiếp có trong cánh đồng pin, cấu hình hai (phần 3.2.2) cho công suất thu được là
tổng công suất của từng pin trong hệ thống cánh đồng pin, các pin này được ghép
chung với nhau tại ngõ ra của bộ DC/DC trên bus DC.
3.1. Xây dựng cấu hình chung cho bộ chuyển đổi năng lượng.
Có nhiều bộ chuyển đổi NL khác nhau, được nối vào cánh đồng pin khác
nhau, một cấu hình thường được sử dụng là tất cả các tấm pin trong cánh đồng được
ghép nối tiếp và song song lại, sau đó sử dụng 1 bộ DC/DC để chuyển đổi NL. Với
cấu hình này, khi cánh đồng bị bóng che sẽ dẫn đến trường hợp, có dãy pin làm việc
bên phải điểm MPPT (chưa đạt cực đại), có dãy pin thì làm việc bên trái điểm cực
đại (quá điểm cực đại), có dãy pin thì làm việc đúng điểm MPP. Các trường hợp này
xãy ra làm cho tổng công suất thu được là không đạt cực đại so với cấu hình sử
dụng từng bộ DC/DC riêng cho từng pin (hình 3.2)


2
DC/DC

Boost converter

PV

Duty

IPV

VPV

Load

Bus Voltage
(Acqui)

MPPT
control

Hình 3.1. Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho 1 tấm pin
DC/DC
Boost converter

PV
VPV

Duty

IPV

Bus Voltage

(Acqui)

MPPT
control

System 1

Load

DC/DC
Boost converter

PV
VPV

Duty

IPV
MPPT
control

System 2

DC/DC
Boost converter

PV
VPV

Duty

IPV
MPPT
control

System …
DC/DC
Boost converter

PV
VPV

Duty

IPV
MPPT
control

System n

Hình 3.2. Cấu hình bộ chuyển đổi năng lượng cho toàn cánh đồng pin mặt trời


3

3.2. Giải thuật đề xuất cho việc tìm điểm cực đại cho pin mặt trời khi bị bóng.
3.2.1. Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin (cấu hình 1)

Start
Cho D = 0

Ứng với mỗi giái trị D đo Pk và Vk

YES
P(k)>P(k-1)
NO
Lưu lại giá trị PK, VK và Dk

Tăng D lên 1 giá trị

NO
D = 100%
YES
Xuất D làm việc ứng với D tại P cực đại

YES
PMPPT – ΔP> P
Hoặc PMPPT + ΔPNO
Hình 3.3. Lưu đồ giải thuật MPPT cho khi bị ảnh hưởng của bóng che
Cấu hình một bộ DC/DC cho toàn hệ thống cánh đồng pin xem hình 2.14. Cấu
hình này, các giải thuật tìm điểm MPPT nêu ở phần 2.4 là các phương pháp đơn


4

giản để dò tìm điểm MPPT. Tuy nhiên tất cả các giải thuật này có thể dễ dàng tìm
sai điểm MPP khi pin mặt trời bị bóng che một phần. Bởi vì cả hai giải thuật được
xây dựng dựa trên đường đặc tuyến P-V chỉ có duy nhất 1 điểm cực đại (hay nói
cách khác là bức xạ bằng nhau tại mổi phần tử pin). Nhưng thực tế, một tấm pin,

một cách đồng pin các thể bị bóng che một phần (do mây, do cây, cao ốc che …)
như hình 2.22, dẫn đến trên đường đặc tuyến P-V có nhiều điểm cực trị.
Từ hình 2.24 ta thấy, nếu dùng các giải thuật bình thường như V không đổi,
P&O hoặc I&C thì sẽ gặp trường hợp, bộ dò MPPT sẽ dò và làm việc tại điểm
MPPT1 hoặc MPPT2. Cho nên các giải thuật này sẽ dò sai nếu xét đến ảnh hưởng
của bóng.
Từ đường đặc tuyến trên, có nhiều giải thuật được đưa ra để tìm điểm cực đại
lới nhất khi bị bóng che. Một giải thuật đơn giản nhất được đề xuất theo lưu đồ sau.
3.2.2. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2):

Với cấu hình này (hình 3.2) các giải thuật thông dụng như P&O hay I&C có
thể sử dụng để tìm điểm MPPT của từng tấm pin, nhưng các giải thuật này tốc độ
đáp ứng với khả năng thay đổi của bức xạ hay nhiệt độ thấp.
Với giải thuật P&O là việc so sánh dP và dV, còn giải thuật I&C xét dấu phân
số dP/dV để biết điểm làm việc đang ở đâu. Cả hai việc làm này khi đã biết điểm
MPP ở đâu thì sẽ giảm hoặc tăng Vref hay Duty 1 lượng nhất định nào đó, chính lý
do này sẽ mất nhiều thời gian để đến điểm MPP. Giải thuật được đề xuất trong
trường hợp này là lấy V ref hay Duty của pin mặt trời, cộng với một lượng –
α(dP/dV). Trong đó α chính hằng số đặt trước để độ tăng hay giảm của V ref hoặc
Duty là không quá lớn.


5

Lưu đồ của giải thuật
Start
Đo V(k), I(k)
P(k) = V(k) x I(k)
Delay P(k)&I(k) by k-1 instant p(k-1), V(k-1)

ΔP = P(k) – P(k-1)
ΔV = V(k) – V(k-1)
E = α.( ΔP/ ΔV)
D=D-E

Hình 3.4. Lưu đồ giải thuật MPPT cho cấu hình bộ chuyển đổi NL được đề xuất
3.3.

Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật
3.3.1.

Mô hình Pin mặt trời

Mô hình pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink, trong đó các
biểu thức f(u) được xây dựng dựa trên các biểu thức I-V của pin mặt trời, cụ thể
dòng quang điện IPH được xây dựng từ biểu thức (2.2), dòng bão hòa ngược I RS được
xây dựng từ biểu thức (2.5), dòng bão hòa I S được xây dựng dựa theo biểu thức
(2.3), dòng I được xây dựng trên cơ sở biểu thức (2.6). Mô hình một tấm pin được
ghép từ 108 cell đơn lẽ, được ghép thành 36 hàng nối tiếp và 3 cột song song.


6

Hình 3.5. Mô hình 1 cell pin mặt trời được xây dựng trong Matlab/Simulink

Hình 3.6. Mô hình bên trong 1 tấm pin mặt trời được ghép từ 108 cell pin xây dựng
trong Matlab/Simulink

Hình 3.7. Mô hình pin mặt trời thu gọn

7

Để thực hiện mô phỏng, tác giả sử dụng pin mặt trời thương mại MSX 100, có
thông số như sau:
Thông số của pin mặt trời thương mại MSX 100 tại 1 kW/m2 , 25 oC
Đặc tính
Công suất đỉnh (PP)
Điện áp đỉnh (VPP)

Thông số
100 W
18 V

Dòng điện đỉnh (IPP)

5.15 A

Dòng ngắn mạch (ISC )

6.1 A

Điện áp hở mạch (VOC)

21.6 V

Đặc tính
Hệ số nhiệt độ của VOC
Hệ số nhiệt độ của ISC (KI)
Ảnh hưởng nhiệt độ lên

công suất
Nhiệt độ vận hành bình
thường (NOCT)

Thông số
80-90 mV/oC
3 mA/oC
-0.38 W/oC
49 oC

Hình 3.8. Bảng thông số đầu vào của 1 cột gồm 36 cell nối tiếp trong pin mặt trời
Đặc tuyến I-V của pin mặt trời không tuyến tính và nó phụ thuộc vào nhiệt độ
vận hành của pin và bức xạ môi trường. Khi bức xạ mặt trời tăng, dòng ngắn mạch


8

và công suất tăng theo, và điện áp hở mạch cũng tăng tương ứng, khi bị bóng che 1
phần đặc tuyến của chúng cũng thay đổi theo (hình 3.9 và 3.10)

Hình 3.9. Đặc tuyến I-V, P-V với các bức xạ khác nhau, có 3 tấm pin bi bóng
che (Nhiệt độ pin 25oC, trục y hình bên trái là dòng điện A, trục y hình bên phải là
công suất, trục x là điện áp V)
Khi nhiệt độ vận hành của pin mặt trời tăng cao, dòng ngắn mạch cũng tăng
theo nhưng không đáng kể so với khi bức xạ mặt trời tăng, nhưng khi đó điện áp hở
mạch của pin mặt trời giảm mạnh, kéo theo công suất của pin mặt trời giảm mạnh
(hình 3.10).

Hình 3.10. Đặc tuyến I-V, P-V với nhiệt độ vận hành khác nhau, có 3 tấm pin
bi bóng che (bức xạ 1kW/m2)

9

3.3.2.

Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất

Cấu hình được mô tả trong Matlab và Simulink như hinh vẽ:

Hình 3.11. Cấu hình của toàn cánh đồng pin mặt trời


10

Bus Volt, điểm nối song song các pin trong cánh đồng pin

Hình 3.12. Cách ghép các pin theo cấu hình được đề xuất trong thực tế

Hình 3.13. Cấu hình bên trong khối PV sytem


11

Hình 3.14. Sơ đồ bên trong khối MPPT
Chương trình trong khối fcn
function y = fcn( a,u, p,p1,u1)
E=(p-p1)/(u-u1);
d=-0.0001*E;
a=a+d;

y = a;
3.3.3.

Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

Hình 3.15. Mạch boost trong Matlab & Simulink
Tính toán lựa chọn các phần tử của mạch boost:


12

Giá trị của cuộn dây L:

Hình 3.16. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L
Ta có:

Bỏ qua tổn hao trên các linh kiện, ta có:

Giá trị trung bình của IL:


13

Ở chế độ liên tục:

Suy ra:

Với f là tần số của xung kích.
Giá trị tụ điện C:

Suy ra:

Với r là độ giao động điện áp VO
Thông số mạch mô phỏng, ta tính toán chọn lựa theo điều kiện sau:
-

Mạch cung cấp cho tải R=200Ω
Tần số phát xung duty f: 5 kHz
Chọn độ giao động điện áp r = 1%


14

Khi Pin mặt trời làm việc tại điểm cực đại ta có V MPP = 18V, ta giới hạn điện
áp Vo = 120V, khi đó độ rộng xung tương ứng là:

Giá trị Lmin của cuộn dây:

Chọn L = 100 mH
Giá trị của tụ điện C:

Chọn C = 2200 µF.