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.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.), 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. (a)mô hình dãy bị bóng che.(c) đặc tính P – V Hình 1. 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. 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.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.
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.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.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.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.