- Trang chủ >>
- Cao đẳng - Đại học >>
- Luật
Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (mppt) và bộ chuyển đổi dc dc dc ac
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (3.25 MB, 109 trang )
MỤC LỤC
Trang tựa
TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục .....................................................................................................................vii
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... x
Danh sách các hình .................................................................................................... xi
Danh sách các bảng .................................................................................................. xv
Chƣơng 1. TỔNG QUAN
1
1.1
Tính cần thiết của đề tài. ................................................................................ 1
1.2
Pin quang điện (PV). ...................................................................................... 2
1.3
Hệ pin mặt trời làm việc độc lập. ................................................................... 5
1.3.1
Thành phần lưu giữ năng lượng. .................................................................... 6
1.3.2
Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV. ............................................................ 6
1.4
Các nghiên cứu khoa học có liên quan. ....................................................... 10
1.5
Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học. ................................................. 11
1.6
Nhiệm vụ của luận văn ................................................................................. 12
1.7
Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 12
1.8
Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 12
1.9
Giá trị thực tiễn của đề tài ............................................................................ 13
Chƣơng 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT
14
2.1
Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. ............................................... 14
2.1.1
Cấu tạo .......................................................................................................... 14
2.1.2
Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 14
vi
2.1.3
Đặc tính làm việc của pin mặt trời ................................................................ 17
2.2
Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập ........ 20
2.2.1
Bộ biến đổi DC/DC ....................................................................................... 20
2.2.1.1 Các loại bộ biến đổi DC/DC ......................................................................... 21
2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ..................................................................... 26
2.2.2
Bộ biến đổi DC/AC. ...................................................................................... 27
2.3
Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT ..................................... 28
2.3.1
Giới thiệu chung ............................................................................................ 28
2.3.2
Nguyên lý cân bằng tải .................................................................................. 30
2.3.3
Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT ................ 31
2.3.3.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O ....................................................... 32
2.3.3.2 Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần .................. 33
2.3.4
Phương pháp điều khiển MPPT. ................................................................... 34
2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp. ................................................................ 34
2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. .......................................... 35
2.3.5
Giới hạn của MPPT. ...................................................................................... 37
2.4
Bộ lưu giữ năng lượng .................................................................................. 37
2.4.1
Các loại ắc quy. ............................................................................................. 38
2.4.1.1 Ắc quy chì – axit ........................................................................................... 38
2.4.1.2 Ắc quy kiềm .................................................................................................. 39
2.4.2
Các đặc tính của ắc quy. ................................................................................ 39
2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu là C) ........................................................................... 39
2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất ............................................................................. 39
2.4.2.3 Điện áp hở mạch ........................................................................................... 40
2.4.3
Chếđộ làm việc của ắc quy (xét ắc quy chì - axit) ........................................ 40
2.4.3.1 Nạp ắc quy .................................................................................................... 40
2.4.3.2 Ắc quy phóng ................................................................................................ 40
2.4.4
Các chế độ của bộ nguồn nạp ắc quy ............................................................ 41
2.4.4.1 Nạp với dòng không đổi ................................................................................ 41
vii
2.4.4.2 Nạp với áp không đổi .................................................................................... 41
2.4.4.3 Nạp nổi .......................................................................................................... 42
Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP
43
DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰA ĐẠI (MPPT)
3.1
Điểm công suất cực đại ................................................................................. 43
3.2.
Giải thuật P&O (Perturb & Observe) ............................................................ 45
3.2.1
Lưu đồ giải thuật P&O .................................................................................. 47
3.2.2
Mô phỏng giải thuật P&O bằng Matlab ........................................................ 47
3.2.3
Nhược điểm của giải thuật P&O ................................................................... 48
3.3
Giải thuật P&O cải tiến ................................................................................. 50
3.3.1
Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến ..................................................................... 52
3.3.2
Mô phỏng giải thuật P&O cải tiến bằng Matlab ........................................... 53
3.4
Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch .................................................... 54
3.4.1
Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp hở mạch .............................................. 55
3.4.2
Mô phỏng giải thuật điều khiển điện áp hở mạch ......................................... 56
3.5
Phương pháp tăng tổng dẫn ........................................................................... 58
3.5.1
Lưu đồ giải thuật tăng tổng dẫn .................................................................... 59
3.5.2
Mô phỏng giải thuật tăng tổng dẫn ............................................................... 61
3.6
Nhận xét chung ............................................................................................. 62
3.6.1
Ưu điểm ......................................................................................................... 62
3.6.2
Khuyết điểm .................................................................................................. 62
3.6.2.1 Đối với giải thuật P&O cải tiến ..................................................................... 62
3.6.2.2 Đối với thuật toán điều khiển điện áp hở mạch ............................................ 63
3.6.2.3 Đối với thuật toán tăng tổng dẫn ................................................................... 63
Chƣơng 4. BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG
64
TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT
4.1
Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC kết hợp MPPT ............................... 64
viii
4.1.1
Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC) ............................................ 64
4.1.2
Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cựa đại) ......................................... 66
4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của MPPT..................................................................... 68
4.1.2.2 Mô phỏng MPPT và kết quả ......................................................................... 71
4.2
Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – AC ........................................................ 72
4.2.1
Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM ........................................ 72
4.2.2
Bộ nghịch lưu áp một pha ............................................................................. 74
4.2.2.1 Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu .............................................................. 75
4.2.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu áp một pha ................................................................. 78
4.2.3
Bộ nghịch lưu áp ba pha............................................................................... 79
4.2.3.1 Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha ........................................................ 80
4.2.4
Mô phỏng theo phương pháp P&O .................................................................. 82
4.2.5
Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn ...................................................... 83
4.2.6
Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch .......................................... 85
4.2.7
Nhận xét chung .............................................................................................. 86
Chƣơng 5. KẾT LUẬN
88
5.1
Kết luận ......................................................................................................... 88
5.2
Hướng phát triển của đề tài ........................................................................... 88
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 92
ix
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GP
: ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất.
Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất.
MPP
: ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu
được cực đại.
MPPT
: ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có công
suất cực đại
P&O
: ( Perturb & Observe ) thuật toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến
điểm cực đại.
PV
: (photovoltaic) pin quang điện, biến quang năng thành điện năng.
x
DANH SÁCH CÁC HÌNH
HÌNH
TRANG
Hình 1.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
2
Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
2
Hình 1.3: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay
3
kết nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn.
Hình 1.4: Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ
4
thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống
bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.
Hình 1.5: Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của
4
hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong
hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập
5
Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời
7
Hình 1.8: Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời
8
Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường
9
độ bức xạ thay đổi
Hình 1.10: (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V
9
Hình 1.11: Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che
10
Hình 2.1: Cấu tạo của pin mặt trời
13
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
13
Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2
14
Hình 2.4: Các vùng năng lượng
14
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời
16
Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
17
Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
17
Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời
18
phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời.
xi
Hình 2.9: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt
19
độ của pin
Hình 2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời
19
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
21
Hình 2.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
21
Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
23
Hình 2.14: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost
23
Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
24
Hình 2.16: Mạch vòng điều khiển điện áp
25
Hình 2.17: Mạch vòng dòng điện phản hồi
26
Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu
26
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge
27
Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge
27
Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở
28
có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị
28
điện trở thay đổi được
Hình 2.23: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D
30
Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi cường độ bức xạ
30
thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2.25: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng
31
một mức cường độ bức xạ
Hình 2.26: Thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O
31
Hình 2.27: Đường cong P – V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần
32
Hình 2.28: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT
33
Hình 2.29: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và
34
hệ số làm việc D
Hình 2.30: Lưu đồ thuật toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển
đo trực tiếp tín hiệu ra
xii
35
Hình 3.1:
Các trường hợp hở mạch (a), ngắn mạch (b), và kết nối tải (c)
44
Hình 3.2:
Đồ thị V-A và công suất
44
Hình 3.3:
Đồ thị xác định MPP
45
Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra
46
Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật P&O
47
Hình 3.6: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật P&O
48
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ không đổi
48
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ thay đổi
49
Hình 3.9: Hệ Pin PV phát năng lượng về lưới điện
49
Hình 3.10: Khi chiếu độ thay đổi điểm công suất cực đại
50
sẽ sai theo giải thuật P&O
Hình 3.11: Cấu tạo một Cell PV
51
Hình 3.12: Đặc tuyến I-P của PV khi chiếu độ thay đổi
53
Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến
53
Hình 3.14: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật P&O cải tiến
54
Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ không đổi
55
Hình 3.16: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ thay đổi
55
Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch
57
Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 58
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch
59
chiếu độ không đổi
Hình 3.20: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch
59
chiếu độ không đổi
Hình 3.21: Đặc tuyến đường cong công suất PV
59
Hình 3.22: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật tăng tổng dẫn
61
Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thuật toán tăng tổng dẫn chiếu độ không đổi
61
Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thuật toán tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi
62
Hình 3.25: Sự giao động của điểm MPP với phương pháp P&O cải tiến
63
xiii
Hình 4.1: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một module khi
64
cường độ bức xạ thay đổi từ 400W/m2 đến 1000W/m2
Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một module khi
64
nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 75oC
Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày
65
(số liệu ghi nhận chỉ có tính tương đối)
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi cường độ bức xạ
67
thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2
Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của
68
hai tập hợp con trong nhóm1
Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của
68
hai tập hợp con trong nhóm 2
Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của
69
một tập hợp con trong nhóm 3
Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của mỗi tập
69
hợp nối tiếp trong mỗi nhóm từ 1 đến 3
Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của mỗi nhóm
70
từ 1 đến 3
Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một dãy PV
71
Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P – V, tập hợp nối tiếp, nhóm, dãy
73
trong hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10,
Hình 4.12: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O dưới điều kiện dãy
75
PV bị bóng che một phần
Hình 4.13: Những đường cong đặc tính I – V và P – V
75
của hai tập hợp con trong nhóm 1.
Hình 4.14: Những đường cong đặc tính I – V và P – V
78
của hai tập hợp con trong nhóm 2.
Hình 4.15: Những đường cong đặc tính I – V và P – V
của hai tập hợp con trong nhóm 3.
xiv
80
Hình 4.16: Những đường cong đặc tính I – V và P – V
81
của hai tập hợp con trong nhóm 4.
Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I – V và P – V
81
của một tập hợp con trong nhóm 5.
Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O
Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha
ia
82
83
Hình 4.20: Dòng điện sau khi qua bộ lọc
83
Hình 4.21: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn
84
Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha
ia
84
Hình 4.23: Dòng điện sau khi qua bộ lọc
85
Hình 4.24: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch
86
Hình 4.25: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha
Hình 4.26: Dòng điện sau khi qua bộ lọc
ia
86
87
xv
Chương 1 Tổng quan
Chương 1
TỔNG QUAN
1.1 Tính cần thiết của đề tài.
Nguồn năng lượng đóng vai trò quyết định nền văn minh của nhân loại. Các
nguồn năng lượng hóa thạch (dầu lửa, than đá) hiện nay đang được sử dụng phổ
biến nhưng lại gây ô nhiễm môi trường và sẽ cạn kiệt trong một tương lai gần.
Nguồn năng lượng nguyên tử thì không an toàn. Trong khi đó mặt trời cung cấp một
nguồn năng lượng vô cùng tận và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản
sinh ra chất thải hủy hoại môi trường. Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang
trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết
bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang
dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không
đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và
hiệu quả. Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán
năng lượng của nhân loại.
Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt
trời và pin quang điện :
- Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ
để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi
nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng
- Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng được sinh ra
khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện
chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể
bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn
nhiên liệu.
Ở đây ta tập trung vào lĩnh vực thứ nhất , tức biến đổi trực tiếp quang năng
thành điện năng. Tuy nhiên nó có công suất không lớn và giá thành còn quá đắt. Do
Luận văn thạc sĩ
1
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
đó để nâng cao công suất và giảm chi phí, thì ta phải đi nghiên cứu các phương
pháp sao cho công suất của nguồn năng lượng mặt trời thu được là lớn nhất, từ đó
thiết kế và điều khiển tối ưu các bộ thu năng lượng mặt trời.
Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lượng mặt trời với các
phương pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời và bộ
chuyển đổi năng lượng DC – DC, DC – AC.
1.2 Pin quang điện (PV).
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện
năng. Kỹ thuật tạo pin PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như
transistor, diode … Pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong
bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng điện một
chiều từ ánh sáng mặt trời. Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh
kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.
Hình 1.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Luận văn thạc sĩ
2
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Hình 1.2 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
-
Tấm pin (12-V module) gồm có 36 tế bào đôi khi chỉ là 33 tế bào.
-
Tấm pin (24-V module) gồm có 72 tế bào là sự ghép song song 2 khối 12-V
module.
-
Một bảng gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau. Ghép sao cho phát ra dòng và
áp đảm bảo nhu cầu người tiêu dùng.
Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành
điện năng. Mỗi tấm pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều
tấm pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn
đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như:
30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp. Điện áp của các tấm
pin thường là 12VDC. Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép
nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm pin mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song
song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời (array). Để đạt được hiệu năng tốt
nhất, những tấm pin phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời.
Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ
trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều
nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
-
Chất liệu bán dẫn làm pin.
-
Vị trí đặt các tấm panel mặt trời
-
Thời tiết khí hậu, mùa trong năm.
Luận văn thạc sĩ
3
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
-
Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều
Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm
bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự
oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.
Hình 1.3 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết
nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn.
Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết
nhau, các thông số dòng ngắn mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử
cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi đó
-
Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
Hình 1.4 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống
sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở
mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.
-
Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Luận văn thạc sĩ
4
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Hình1.5 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ
thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp
hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập.
Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung 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 1.6 Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập
Luận văn thạc sĩ
5
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là:
-
Thành phần lưu giữ năng lượng.
-
Các bộ biến đổi bán dẫn.
1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng.
Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể
phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV. Phổ biến nhất vẫn là sử
dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng. Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để
bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy.
1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV.
Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến
đổi DC - AC.
Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của
pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho
tải và ắc quy. Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và
phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Có nhiều loại bộ biến đổi
DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp
Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck. Cả 3 loại
DC - DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ
được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng. Tùy theo mục đích và nhu
cầu mà bộ DC - DC được lựa chọn cho thích hợp.
Khóa điện tử trong mạch DC - DC được điều khiển đóng cắt từng chu kỳ.
Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thuật toán xác định điểm làm
việc tối ưu (MPPT – Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo cho hệ quang
điện được làm việc hiệu quả nhất.
Bộ DC - AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110
hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay
chiều. Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC - AC, chúng có thể làm việc cả hai chế
độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một
Luận văn thạc sĩ
6
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
chiều. Nhìn chung, bộ biến đổi DC - AC trong hệ PV độc lập có thể làm việc
ở mức điện áp một chiều là 12, 24, 48, 96, 120, 240 VDC tuỳ từng hệ.
Bộ biến đổi dùng trong hệ PV độc lập có những đặc điểm sau:
-
Điện áp ra hình Sin.
-
Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép.
-
Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào.
-
Điều chỉnh điện áp ra.
-
Hiệu quả cao đối với tải nhẹ.
-
Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi,
tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị.
-
Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trường hợp dòng khởi
động lớn như của máy bơm…
-
Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch….
-
Dung lượng đặc tính.
-
Tổn hao không tải thấp.
Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET,
IGBT. MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5KVA và điện áp
là 96 VDC. Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao. Do có điện áp
rơi là 2 VDC. Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên
96 VDC.
Hệ PV độc lập thường sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp 1 pha hoặc 3 pha.
Bộ biến đổi DC - AC thường sử dụng là :
Bộ biến đổi có dạng sóng giả Sin, nó là sự lựa chọn rất kinh tế và đặc biệt
phù hợp với hệ quang điện.
Bộ biến đổi có dạng sóng ra hình Sin giống như dạng sóng của điện lưới nên
tương thích và đáp ứng với hầu hết các loại tải. Bộ biến đổi dạng sóng sin có giá
thành lớn hơn bộ biến đổi dạng gần sin, nhưng chất lượng điện áp của bộ biến đổi
loại này là một ưu điểm lớn.
Luận văn thạc sĩ
7
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Phương pháp điều khiển PWM được sử dụng để giúp bộ biến đổi tạo được
đầu ra có dạng Sin.
Phương pháp điều khiển MPPT
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm
việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển
chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC - DC. Phương pháp MPPT được sử
dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp
dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới.
MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải
để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc
thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép
nối với bộ biến đổi DC - DC và một bộ điều khiển.
Hình 1.7 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời
Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy
nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu
điểm hơn bộ điều khiển tương tự. Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập trình
được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Mặt khác bộ
điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này
hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính. Vì vậy, bộ điều khiển số có
trạng thái ổn định lâu hơn. Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ
thuộc vào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm,
nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được. Bộ điều khiển loại
này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều
Luận văn thạc sĩ
8
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D
nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị
chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.
Thuật toán điều khiển MPPT
Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin
quang điện PV có thể xem là trường hợp ngược lại của diode quang. Diode
quang nhận năng lượng điện sinh ra ánh sáng, pin PV nhận năng lượng ánh sáng
sinh ra điện.
PV có đặc tính phi tuyến như hình vẽ sau
Hình 1.8 Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời
Trên hình vẽ ta thấy đặc tính PV có một điểm mà ở đó công suất thu được là
cực đại, đó cũng chính là mục tiêu của hệ thống MPPT.
Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, do đó các điểm MPP cũng
thay đổi, giả sử tải là một điện trở, ta có đường đặc tính làm việc sau:
Hình 1.9 Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức
xạ thay đổi
Luận văn thạc sĩ
9
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Để tải hoạt động ở chế độ maximum công suất PV, ta cần sử dụng bộ
converter DC – DC linh kiện đóng cắt có thể là BJT, MOSFET, IGBT … để thay
đổi điện áp và dòng điện đầu ra sao cho đặc tính tải làm việc ngay điểm có công
suất lớn nhất.
Vậy dòng điện, điện áp ngõ ra như thế nào để đạt được công suất cực đại của
PV, điều khiển khoá dòng cắt ra sao ? Để đạt được đáp án này ta cần phải có thuật
toán cho hệ MPPT.
Nhưng khi hệ PV bị bóng che một phần (như bị cây cối, các tòa nhà, đám
mây che v.v..), lúc này cường độ bức xạ, nhiệt độ trên các vị trí của dãy PV là
khác nhau, do đó các đường đặc tính I – V và P – V cũng sẽ thay đổi và có dạng
như hình 1.10.
Hình 1.10. (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V
Hình 1.10 (c), có đến 3 đỉnh công suất, đỉnh GP (đỉnh có công suất lớn nhất)
và 2 đỉnh local (đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất). Nhiệm vụ thuật toán
là tìm ra điểm GP, nhưng thuật toán thông thường có thể không tìm ra chính xác
điểm này, do đó cần có một thuật toán kết hợp để tìm ra điểm GP trong điều kiện
dãy PV bị bóng che một phần
1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan.
Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking
techniques, 2006, Trishan Esram, Patrik L.Chapman.
Luận văn thạc sĩ
10
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Maximum Power Point Tracking Scheme for PV Systems Operating Under
Partially Shaded Conditions
Các bài báo khoa học này đề cập đến nhiều thuật toán như: P&O, Incremental
conductance, P&O Under Partially Shaded Conditions, … Tuy nhiên chúng ta chỉ
giới hạn xem xét thuật toán P&O và P&O Under Partially Shaded Conditions.
1.5 Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học.
Nhược điểm của nghiên cứu P&O.
Thuật toán P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường thay đổi quá nhanh,
hoặc cường độ chiếu sáng không đều trên dãy PV.
Hình 1.11. Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che
Trong điều kiện môi trường không thay đổi ( cường độ bức xạ đồng nhất):
đường cong P1 không đổi, điểm hoạt động của dãy PV dưới giải thuật P&O sẽ dao
động xung quanh điểm cực đại A.
Khi dãy PV bị bóng che một phần (ví dụ có đám mây bay qua), đường cong P1
trở thành P2 ( do cường độ bức xạ không đồng nhất), thuật toán P&O sẽ hoạt động
chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thuật toán P&O sẽ dò ra
điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất
(điểm có công suất lớn nhất là điểm C).
Luận văn thạc sĩ
11
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
Nhược điểm của nghiên cứu P&O Under Partially Shaded Conditions.
Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp. Tuy nhiên
ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm
này có thể khắc phục phần nào.
1.6 Nhiệm vụ của luận văn :
Luận văn “ Khảo sát các thuật toán MPPT ( dò tìm điểm công suất cực đại) và bộ
chuyển đổi DC –DC, DC – AC ” có nội dung chủ yếu:
- Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC và DC – AC.
- Nghiên cứu và mô phỏng thuật toán P&O.
- Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC và DC – AC.
- Kết quả nghiên cứu của luận văn.
1.7 Phạm vi nghiên cứu:
- Chỉ nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập.
- Trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập chỉ tập trung nghiên cứu thuật toán
dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT).
- Nghiên cứu và mô phỏng thuật toán P&O.
- Nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC, DC – AC kết hợp với MPPT.
1.8 Phương pháp nghiên cứu :
Thu thập, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài luận văn.
Xây dựng mô hình mô phỏng các thuật toán.
Phân tích, đánh giá những kết quả nhận được và các kiến nghị.
Luận văn thạc sĩ
12
Lý Công Nguyên
Chương 1 Tổng quan
1.9 Giá trị thực tiễn của đề tài :
Từ xu hướng nghiên cứu về năng lượng tái tạo nhằm góp phần tiết kiệm năng
lượng, cũng như giảm tải cho nguồn điện lưới quốc gia một phần năng lượng. Nhưng 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. Chính vì những lý do trên,
đề tài: “Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC –
DC, DC – AC ” được hình thành.
Với kết quả nhận được có thể:
Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
dựa vào các thuật toán MPPT và các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC, DC - AC.
Có thêm một hướng nhìn mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
Luận văn thạc sĩ
13
Lý Công Nguyên
Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
Chương 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Pin quang điện, cấu tạo và nguyên lý hoạt động.
Pin quang điện (PV) còn gọi là pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra
dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện
nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất
kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh
sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử
tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện
dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.
2.1.1 Cấu tạo
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực
tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.
Hình 2.1 Cấu tạo của pin mặt trời.
2.1.2 nguyên lý hoạt động
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Luận văn thạc sĩ
14
Lý Công Nguyên
Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
Hình 2.3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 .Khi chiếu sáng hệ thống,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số
ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = E1-E2
Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài ,
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo
thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng
thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng
lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn,
bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó
gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng
lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng
hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng
dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di
chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể
di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.
Hình 2.4 Các vùng năng lượng.
Luận văn thạc sĩ
15
Lý Công Nguyên
