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

1

CHƯƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Mô hình pin mặt trời

Một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ
mặt trời thành điện nhờ hiệu ứng quang điện được gọi là pin mặt trời. Mạch điện
tương đương của pin mặt trời được cho như hình 2.1:

Hình 2.1. Mạch điện tương đương của pin mặt trời
Mạch điện gồm có dòng quang điện Iph, điot, điện trở dòng rò Rsh và điện trở
nối tiếp Rs, đặc tuyến I-V của pin được mô tả bằng biểu thức sau:
(2.1)
Trong đó:
Iph: dòng quang điện (A)
Is: dòng bão hòa (A)
q: điện tích của electron, q = 1,6x10-19 C
k: hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 J/K


2

Tc: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Simono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của
pin:
(2.2)
Trong đó:

Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K)
λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra
do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo
hàm mũ.

Trong đó:
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn
Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò R sh = ∞, Rs = 0. Khi đó mạch
điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.2:


3

Hình 2.2. Mô hình pin mặt trời lý tưởng
Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:

Và dòng bão hòa ngược tiêu chuẩn có thể được biểu diễn như sau:

Thông thường, công suất của pin mặt trời khoảng 2 W và điện áp khoảng 0.5
V. Vì vậy, các pin mặt trời được ghép nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song để
sinh ra lượng công suất và điện áp đủ lớn. Mạch điện tương đương của mô đun pin
mặt trời gồm có Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 2.3:

Hình 2.3. Mô đun pin mặt trời
Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:

Pin mặt trời chuyển một phần bức xạ mặt trời trực tiếp thành năng lượng điện,
nhưng một phần đó chuyển thành nhiệt cộng với pin mặt trời có màu dễ hấp thụ


4

nhiệt nên nhiệt độ vận hành của pin có thể cao hơn nhiệt độ môi trường. Nhiệt độ
của pin dưới các điều kiện khác nhau có thể được đánh giá qua nhiệt độ vận hành
bình thường (NOCT).
Đặc tuyến I-V tương ứng với tùng bức xạ nhất định được mô tả như sau:

Hì
nh 2.4: Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau


5

Hì
nh 2.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục
đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể
điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt
chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào
lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải.
2.2.1. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này phù

hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt
động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của
cuộn dây.


6

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost
Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng
lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua điốt D
và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C

Hình 2.7. Mạch điện khi S đóng

Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng


7

Khi đó:
Suy ra:
Mặt khác:

Hình 2.9. Mạch điện khi S mở

Hình 2.10. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên L khi S mở
Khi S đóng (TOFF), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lại
cho tụ điện C.

8

Suy ra:

Năng lượng lưu trữ trong cuộn dây bằng 0 khi kết thúc chu kỳ.

Từ 2.17, ta có:

2.2.2. Bộ chuyển đổi DC/DC buck converter

Hình 2.11 cho thấy cấu hình cơ bản của một bộ chuyển đổi buck. Một số bộ
chuyển đổi có diode thay thế bằng một công tắc thứ hai được tích hợp vào bộ
chuyển đổi.

Hình 2.11. Cấu hình mạch buck

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất
VOUT = điện áp ngõ ra mong muốn
ƞ = Hiệu suất mạch, ước tính 90%


9

Năng lượng trong cuộn cảm

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất
D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19
fs = tần số đóng cắt của công tắc trong mạch
L = giá trị lựa chọn cuộn cảm
Dòng điện ngõ ra cực đại.

ILIM(min) = giá trị nhỏ nhất của giới hạn dòng điện của công tắc tích hợp (được
đưa ra trong bản dữ liệu)
ΔIL = năng lượng trong cuộn cảm được tính trong công thức 2.20
D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19
Nếu giá trị tính là hơn dòng điện ngõ ra cực đại của ứng dụng, dòng điện cực
đại qua công tắc trong hệ thống được tính toán:

IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cần thiết cho ứng dụng
Đây là dòng điện đỉnh, cuộn cảm, các công tắc tích hợp và diode bên ngoài
phải bền.
Đối với các bộ phận mà không có phạm vi điện cảm được đưa ra, các công
thức sau đây là một ước lượng tốt cho điện cảm:


10

VIN = điện áp ngõ vào
VOUT = điện áp mong muốn ngõ ra
fs = tần số đóng cắt nhỏ nhất của công tắc trong mạch
ΔIL = năng lượng trong cuộn cảm, được giải thích như sau
Ước tính cho sóng dòng điện trong cuộn cảm là từ 20% đến 40% của dòng
điện ngõ ra.
( 0.2 đến 0.4 )
ΔIL = sóng dòng điện ước tính cho cuộn cảm
IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cực đại cần thiết trong ứng dụng

2.3. Điểm làm việc cực đại của Pin mặt trời

Về cơ bản, trên đường đặc tuyến PV của pin mặt trời, mặt trời tồn tại một

điểm công suất cực đại ứng với dòng điện và điện áp tương ứng.


11

Hình 2.12. Đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời với điểm công suất cực đại
Tuy nhiên, điểm cực đại này lại không cố định, chúng luôn thay đổi theo các
điều kiện môi trường (Hình 2.13). Vì vậy, chúng ta cần điều khiển để điện áp hoặc
dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay
đổi sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại.

Hình 2.13. Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi
Hình 2.14 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu. Hầu hết các bộ
CĐNL hiện nay gồm có ba phần cơ bản: bộ chuyển đổi DC-DC, bộ phận đo lường
và bộ phận điều khiển (bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển chính là bộ MPPT)
Khi pin mặt trời được nối trực tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trời
được điều khiển bởi tải. Tổng trở của tải được miêu tả như sau:
Trong đó, Vo, Io là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời.
Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:


12

Trong đó, VMPP, IMPP là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời tại điểm
tối ưu.
Khi giá trị RLOAD bằng với ROPT, công suất cực đại sẽ được truyền từ pin mặt
trời đến tải. Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau. Mục đích
của bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với tổng trở tối ưu
của pin mặt trời.
Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) được phục vụ cho việc

truyền công suất từ pin mặt trời tới tải. Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp
giữa tải và pin mặt trời. Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ phía
nguồn sẽ được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất
cực đại được cung cấp cho tải.

Hình 2.14. Sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu
Giả sử, đối với mạch giảm áp DC/DC (Buck converter), ta có:
VOUT=D.VIN

(2.26)

Trong đó, VOUT là điện áp đầu ra, VIN điện áp đầu vào, khi đó:
ROUT = D2.RIN

(2.27)

(ROUT là tổng trở đầu ra, RIN tổng trở đầu vào nhìn từ phía nguồn)
RIN = ROUT/D2

(2.28)

Vì vậy, tổng trở ROUT được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung,
khi đó RIN nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi.


13

Hình 2.15. Bộ DC/DC giúp hút công suất cực đại từ pin mặt trời
Hay đối với mạch tăng áp (Boost converter), mối quan hệ giữa điện áp đầu vào
và đầu ra được miêu tả như sau:

Giả sử, không có công suất tổn hao, ta có:

Tổng trở đầu vào của bộ biến đổi DC-DC là:
Vì vậy, tổng trở ROUT được duy trì hằng số bằng việc thay đổi độ rộng xung,
khi đó RIN nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi.
2.4. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến
2.4.1. Phương pháp điện áp hằng số

Cơ sở cho các thuật toán điện áp không đổi (CV) là quan sát từ đường cong I-V
giống như hình 1 là tỷ lệ điện áp tối đa của bin mặt trời VMPP, điện áp mở mạch của nó,
VOC, là hằng số, nói cách khác:


14

Các thuật toán điện áp không đổi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng sơ
đồ thể hiện trong hình 2.17. Bộ bin mặt trời tạm thời bị cô lập từ MPPT, và được
thực hiện một phép đo V OC. Tiếp theo, MPPT tính toán điểm hoạt động chính xác
bằng cách sử dụng phương trình (2.33) và giá trị cho những thiết lập của K, và điều
chỉnh điện áp của bin cho đến khi được tính V MPP đạt. Hoạt động này được lặp đi lặp
lại theo định kỳ để theo dõi vị trí của MPP.
Mặc dù phương pháp này là cực kỳ đơn giản, nó là khó khăn để chọn giá trị tối
ưu của K. liên tục các tài liệu báo cáo thành công với giá trị K khác nhau, 73-80%,
Hình 2.16 cho thấy các giá trị K thực tế cần thiết cho một mảng PV trên một phạm
vi nhiệt độ 0-600C và mức độ bức xạ từ 200 đến 1000 W/m2.

Hình 2.16. Tỷ lệ phần trăm của VMPP và VOC như chức năng của nhiệt độ và bức xạ


15

Hình 2.17 Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi
Điều khiển điện áp không đổi có thể được thực hiện dễ dàng với phần cứng
tương tự. Tuy nhiên, MPPT theo dõi hiệu quả của nó là thấp so với các thuật toán
khác. Lý do cho điều này bao gồm các lỗi nói trên trong các giá trị của K, và thực tế
là đo điện áp mạch mở đòi hỏi một sự cắt nguồn pin tạm thời. Nó có thể tự động
điều chỉnh giá trị của K, nhưng đòi hỏi phải có một thuật toán tìm kiếm và về cơ
bản kết thúc lên được giống như P&O.
2.4.2. Phương pháp P&O (Perturb and Observe)

Những lợi thế của thuật toán này, đơn giản và dễ thực hiện. Tuy nhiên, P&O
có những hạn chế làm giảm hiệu quả MPPT của nó. Một nhược điểm cơ bản của
P&O là nó không thể xác định khi nó đã thực sự đạt đến MPP. Thay vào đó, nó dao
động xung quanh MPP, thay đổi các dấu hiệu của sự nhiễu loạn sau mỗi lần đo P.


16

Hãy xem xét trường hợp trong đó các bức xạ như vậy mà nó tạo ra đường cong V P1 trong hình 2.18. MPPT là dao động xung quanh MPP từ điểm B đến C đến A và
như vậy. Sau đó, giả sử tăng bức xạ và các đường cong P-V của mảng di chuyển
đường cong 2. Nếu trong sự gia tăng nhanh chóng trong bức xạ mặt trời và công
suất ra, MPPT gây nhiễu các điểm hoạt động từ điểm A đến điểm B, MPPT thực sự
sẽ di chuyển từ A đến D. Như đã thấy trong hình 2.18, kết quả này trong một ΔP
dương, và MPPT sẽ tiếp tục gây nhiễu trong cùng một hướng, hướng tới điểm F.
Nếu bức xạ vẫn còn tăng nhanh, các đường cong điện PV sẽ di chuyển đến G trên
đường cong 3 thay vì F trên đường cong 2. Một lần nữa các MPPT sẽ thấy một ΔP
dương và sẽ giả định nó là di chuyển theo hướng MPP các, tiếp tục để lo ngại cho
điểm I. Từ điểm A đến D đến G đến I các MPPT là liên tục di chuyển đi từ MPP,
làm giảm hiệu quả của các thuật toán P&O.
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)
YES

NO
ΔP = 0
NO

YES
ΔP > 0
YES

NO
YES
NO
Hình 2.18. Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ
ΔV > 0
ΔV < 0

Giảm D
(giảm độ rộng xung)

Tăng D
Giảm D
(tăng độ rộng xung)
(giảm độ rộng xung)

Tăng D
(tăng độ rộng xung)


17

Hình 2.19. Lưu đồ giải thuật P&O
2.4.3. Phương pháp INC (Incremental Conductance)

Phương pháp InC (Incremental Conductance) dựa trên đạo hàm P-V của
đường cong PV có thể được miêu tả như sau:


18

Hình 2.20. Độ dốc (dP/dV) của PV
Ta có:
dP/dV = 0, tại điểm cực đại MPP của PV
dP/dV > 0, bên trái điểm MPP
dP/dV < 0, bên phải điểm MPP
Từ:

Ta có thể biểu diễn như sau:
dI/dV = - I/V, tại điểm MPP
dI/dV > -I/V, bên trái điểm MPP
dI/dV < -I/V, bên phải điểm MPP
Điểm cực đại được tìm bằng cách so sánh giá trị tức thời I/V với sai số dI/dV,
theo giải thuật sau:

19

Hình 2.21. Giải thuật InC
2.5.

Pin mặt trời bị ảnh bởi bóng che.
Để có được 1 tấm pin công suất đủ lớn, thông thường lắp đặt pin được ghép
nối với nhau theo dạng nối tiếp - song song từ các tấm pin có công suất khoảng 2W
và điện áp khoảng 0.5V. Mạch điện tương đương của mô đun pin mặt trời gồm có
Np nhánh song song và Ns pin nối tiếp được mô tả như hình 2.3:
Mạch điện hình 2.3 được miêu tả bởi biểu thức sau:
Dòng điện của 1 nhánh:

Dòng điện của n nhánh:


20

Dòng điện của tấm pin làm việc bình thường

Công suất của pin lúc này

Giả thiết rằng: có k phần tử bị bóng che 1 phần.

Vùng pin bị bóng

Hình 2.22. Mô đun pin mặt trời khi bị bóng che một phần
Những nhánh pin không bị bóng che lúc hở mạch điện áp bằng V, còn các
nhánh pin bị bóng che lúc hở mạch điện áp bằng V1, lúc này V > V1. Khi tấm pin

này làm việc điện áp làm việc hiện tại V2. Nếu V1

21

bóng che không phát được công suất, cho đến khi V1>V2 lúc này cá dãy pin bị
bóng che có khả năng phát công suất.

Công suất (W)

Đặc tuyến P-V của nhánh pin không bị bóng

Điện áp (V)
Đặc tuyến P-V của nhánh pin bị bóng che

Hình 2.23 đặc tuyến P-V tương ứng với bức xạ 0,25-0,5-0,75-1 kW/m2 của hai dãy
pin trong cánh đồng pin gồn 2 dãy pin song song, mỗi dãy có 6 pin ghép nối tiếp
(100W/1pin), trong đó có 1 dãy pin bị bóng che

Công suất (W)

MPP1
MPP2

Điện áp (V)

Hình 2.24 Đặc tuyến P-V tổng của hai dãy pin trong hình 2.23


22

Từ hình 2.23 công suất lớn nhất mà cánh đồng pin này phát ra được chính là
điểm MPP tại các đỉnh đặc tuyến P-V của toàn cánh đồng pin. Tại các đỉnh này
chính là tổng công suất của 2 dãy pin, tại điểm MPP này, khi xét đến vùng làm việc
của từng dãy pin, thì dãy pin bị bóng che đang làm việc đúng điểm MPP của chúng,
còn dãy pin không bị bóng che đang làm việc bến trái điểm MPP hay là đang làm
việc quá vùng cực đại của chúng.

Hình 2.25. Cánh đồng pin mặt trời trong thực tế