CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát về nguồn pin mặt trời PVg phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bán dẫn cấu trúc tinh thể (các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng tuần hoàn các nguyên tố hóa học) như Silicon, Germanium và hình thành 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. Các nguyên tố như Boron, Photpho, Gallium, Cadmium và Tellurium cũng được sử dụng như các chất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn điện cho PVg. Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo thành, do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các phía đối diện và tạo nên một sức điện động quang điện. Một đặc điểm cơ bản của PVg là luôn phát dòng điện một chiều ra mạch ngoài khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào.
Mối quan hệ giữa dòng điện ipv và điện áp vpv phát ra từ PVg là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong đó công suất phát ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n, công suất của bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải [71]. Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố liên quan đến quán tính. Mặt khác, PVg luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị (G, T). Khai thác được trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này.
Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh lượng tải hấp thụ tương ứng với công suất tại MPP. Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thường được sử dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các module thành panel, tổ hợp các panel thành array như mô tả trên hình 1. Trong đó, các nhà sản xuất cung cấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dưới dạng các panel. 1 Phương pháp tổ hợp PVg 1.2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời PVg được khai thác trong mạng điện cô lập hoặc kết nối với lưới điện (1 pha hoặc 3 pha) qua các BBĐ, máy biến áp (MBA).
Cấu trúc chung của hệ thống này được mô tả trên hình 1. DCbus Mạng cô lập Phụ tải DC DC Kho điện DC Kết nối lưới DC MBA DC L PVg ~ DC AC Lưới Phụ tải AC điện vpv ipv CS1 CS3 Vdc CS2 ig ug Điều khiển Điều khiển Đồng bộ dòng/áp Vdc với lưới Thông tin G, T MPPT Tích trữ Chức năng cơ bản điện năng Giám sát/điều Truyền Chức năng Bù sóng Điều khiển khiển thông tin nâng cao hài (P, Q, f) Thu thập thông tin, điều khiển, phân phối điện năng Hình 1. 2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVg -7- Các thông tin cần phải thu thập để thực hiện điều khiển, phân phối điện năng là vpv, ipv, G, T, điện áp Vdc trên DCbus, điện áp ug và dòng điện ig tại điểm kết nối lưới. Các bộ điều khiển sử dụng các thông tin thu thập được để tính toán, đưa ra các quyết định về xung điều khiển CS1, CS2, CS3 nhờ các kỹ thuật điều khiển nhằm thực hiện các chức năng cơ bản hoặc nâng cao như đã mô tả trên hình 1.
Để thực hiện được vai trò điều khiển dòng năng lượng từ PVg cung cấp cho phụ tải hoặc kết nối với lưới điện, các BBĐ đều sử dụng phần tử bán dẫn không điều khiển như diode hoặc khóa chuyển mạch SW có điều khiển như thyristor, GTO, BJT, MOSFET, IGBT kết hợp với các phần tử có khả năng tích, phóng năng lượng như tụ điện C, cuộn cảm L. Với BBĐ DC/DC, sự thay đổi vị trí của SW có thể thực hiện vai trò tăng áp (boost), giảm áp (buck) hoặc vừa boost vừa buck. Với BBĐ DC/AC, các SW được điều khiển phối hợp để điều tiết dòng năng lượng trong mỗi chu kỳ, qua đó thực hiện vai trò giữ Vdc ở giá trị không đổi, ghép nối với lưới điện, phát công suất vào lưới điện.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời 1.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới Các nghiên cứu về PVg hiện nay đều tập trung vào bài toán nâng cao hiệu quả khai thác PVg, quản lý/điều tiết năng lượng, áp dụng các biện pháp điều khiển để nâng cao chất lượng điện năng trong các bài toán ghép nối lưới. • Nâng cao hiệu quả khai thác để khắc phục nhược điểm giá thành cao và hiệu suất thấp của PVg.
Vấn đề này có thể được phân chia thành 3 hướng giải quyết như sau: - Dịch chuyển điểm vận hành về MPP thông qua việc đưa điện áp vpv về điện áp Vmpp tại MPP, ipv về dòng điện Impp tại MPP, điện dẫn g= ipv/vpv về giá trị điện dẫn tối ưu (Impp/Vmpp) hoặc đưa công suất tức thời ppv phát ra từ PVg về công suất Pmpp tại MPP ở thời điểm bất kỳ. Vì vậy, hệ thống khai thác PVg luôn được trang bị bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT) với những kỹ thuật khác nhau để xác định thông số tại MPP và sử dụng với các kỹ thuật điều khiển để đưa đầu vào của BBĐ về thông số tại MPP do MPPT cung cấp. -8- Kỹ thuật tìm MPP đơn giản nhất là điện áp hằng (CV) chỉ sử dụng một cảm biến đo điện áp trên cơ sở coi điện áp tại MPP gần như không thay đổi so với giá trị Vmpp ở STC. Giá trị này sẽ được bộ điều khiển duy trì không đổi trong suốt quá trình vận hành PVg [71], [77], [78].
Kỹ thuật dòng điện ngắn mạch (SC) sử dụng một phần tử đóng cắt theo chu kỳ mắc song song vào hai đầu PVg để gây ngắn mạch và một cảm biến đo giá trị dòng điện ngắn mạch (ISC) tại thời điểm xét. Tương tự, kỹ thuật điện áp hở mạch (OV) sử dụng một phần tử đóng cắt theo chu kỳ mắc nối tiếp với PVg và một cảm biến đo điện áp để đo giá trị điện áp hở mạch (VOC) tại thời điểm xét. Hai kỹ thuật này có cách thực hiện khá tương đồng, thông tin về MPP được xác định bởi tích của hệ số dòng kImppSC so với dòng điện ngắn mạch hoặc hệ số áp kVmppOV so với điện áp hở mạch [30], [71], [77], [78]. Các kỹ thuật tạo nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC), dò tìm cực trị (ESC), trọng lượng 3 điểm đều sử dụng cảm biến đo dòng điện và điện áp ở đầu ra của PVg tại mỗi thời điểm đo để đưa ra nhận định về điểm vận hành.
Trong đó, kỹ thuật P&O đánh giá dấu độ lệch sự biến thiên công suất với điện áp (dppv/dvpv) giữa hai thời điểm liên tiếp trong khi kỹ thuật INC lại đánh giá dấu của độ lệch điện dẫn tức thời g với độ gia tăng điện dẫn dipv/dvpv (dipv/dvpv+g) giữa hai thời điểm liên tiếp [30], [68], [71], [72], [77], [78]. Kỹ thuật ESC thực hiện quan sát dao động dựa trên việc thêm một sóng dao động hình sin vào tín hiệu vpv (hoặc ipv) để đánh giá dao động công suất [30], [32], [71], [81], [82]. Kỹ thuật trọng lượng 3 điểm (three-point weight) là một kỹ thuật giúp tìm MPP thông qua quá trình thay đổi độ rộng xung và quan sát công suất thu được của 3 trạng thái gần nhất thông qua quá trình chủ động thay đổi độ rộng xung để thử phản ứng của PVg nên kỹ thuật trọng lượng 3 điểm khá tương đồng với kỹ thuật P&O, INC [54], [71] Kỹ thuật nhiệt độ (Temp) đưa ra thông tin về Vmpp nhờ việc sử dụng giá trị điện áp tại MPP ở STC, hệ số thay đổi điện áp theo nhiệt độ (CTV) và thông tin về T nhờ cảm biến đo nhiệt độ (TempS) [39], [71]. Kỹ thuật này không đánh giá ảnh hưởng sự thay đổi của G đến Vmpp.
-9- Kỹ thuật độ dốc tối ưu (OG) áp dụng các tính toán số học dựa trên việc tối ưu hóa độ dốc. Ý tưởng cơ bản của kỹ thuật này là chọn hướng tìm kiếm ngược với dấu tiếp tuyến khi dấu của tiếp tuyến âm để tiếp cận dần cực trị. Các đường đặc tính vpv-ppv của PVg được mô tả bởi 1 hàm phi tuyến ppv(vpv) và mục tiêu của MPPT là tìm điểm đỉnh trên các đường đặc tính vpv-ppv đó. Trong đó, hàm ppv(vpv) là hàm phi tuyến, hàm này liên tục và có đạo hàm bậc nhất và vpv là biến duy nhất trong hàm p(vpv).
Điện áp của bước lặp kế tiếp được xác định bởi (1.1) trong đó, số thực α(k) đặc trưng cho ước lượng nghiệm kế tiếp và g(k) đặc trưng cho độ dài của tiếp tuyến tại điểm làm việc xác lập bởi v(kpv). Các đại lượng này được xác định bởi (1.2) dv pv Vpv = Vpv (k) dP( v (pvk ) + α ( k ) g ( k ) ) =0 (1. Với các kỹ thuật tìm MPP trên, MPPT sử dụng các kỹ thuật CV, OV, Temp, OG chỉ xuất ra được thông tin về Vmpp hoặc Impp nên để đưa điểm vận hành hiện thời về MPP thì phải được kết hợp với bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình (AVC) hoặc điều khiển trượt (SMC). Trong đó, kỹ thuật AVC đưa điện áp đầu vào BBĐ dao động xung quanh điểm làm việc mong muốn (Vmpp) còn kỹ thuật SMC sử dụng mặt trượt là công suất, điện áp hoặc tổng trở để trượt điểm vận hành trên mặt trượt về điểm mong muốn.
Riêng với các kỹ thuật P&O, INC và ESC, biện pháp điều khiển là thay đổi xung điều khiển trực tiếp nên MPPT cũng chính là bộ điều khiển và có thể coi các kỹ thuật này cũng chính là phương pháp điều khiển [31], [40], [41], [43], [57], [75], [86], [104]. -10- Một cách tiếp cận vấn đề tìm MPP khác, đó là chỉ sử dụng kỹ thuật SMC hoặc mạng nơron (ANN) như MPPT. Với kỹ thuật SMC, tài liệu [41] sử dụng mặt trượt là dipv/dt trên cơ sở coi tổng trở tải của PVg không thay đổi trong quá trình điều khiển trong khi tài liệu [57] sử dụng kỹ thuật SMC với mặt trượt là công suất để đánh giá sự biến thiên về dấu của công suất của các bước kế tiếp nhau. Đồng thời, các tài liệu [38], [40], [43], [75], [76], [86], [104] sử dụng kỹ thuật SMC kết hợp với kỹ thuật P&O hoặc ESC.