CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Các nghiên cứu trước đây Các bộ biến đổi điện áp DC tỉ số cao đang được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khác nhau. Một số ứng dụng trong số đó bao gồm thu nhận năng lượng, cung cấp năng lượng cho các thiết bị y tế, các thiết bị cầm tay, chiếu sáng, công nghệ tàu điện, ứng dụng cho ngành viễn thông và xử lý thông tin, cho công nghiệp, năng lượng tái tao, lưới microgrid DC và hệ thống điện HVDC. Hệ thống pin mặt trời nối lưới một pha được biểu diễn trong Hình 1.1: Hệ thống pin mặt trời nối lưới một pha Dưới tác động của sự quá tải liên tục về dân số và nhu cầu tiêu thụ năng lượng, các nguồn năng lượng hóa thạch đang đứng trước nguy cơ bị cạn kiệt. Năng lượng tái tạo đang được cho là một trong những giải pháp thay thế có tiềm năng tốt nhất với ưu điểm là chúng có sẵn ở rất nhiều nơi trên thế giới.
Trong đó, năng lượng mặt trời có độ bao phủ rộng nhất. Trong các hệ thống pin mặt trời nối lưới, các bộ biến đổi DC có vai trò quan trọng khi nó có nhiệm vụ dò điểm công suất cực đại tận dụng công suất của pin mặt trời. Trong hệ thống điện mặt trời, nhiều tế bào quang điện ghép lại với nhau, vừa nối tiếp vừa song song, tạo thành một module. Các module trong hệ thống cũng được ghép nối tiếp với nhau tạo thành một chuỗi (string).
Nhiều chuỗi ghép song song với nhau được gọi là một mảng (array). Trong một vài trường hợp, các tế bào hay các tấm pin trong chuỗi không nhận được cường độ bức xạ đều nhau, nguyên nhân có thể do bóng cố định từ cây cối hoặc các công trình gần đó hay bóng di động trong những 1 Luan van ngày nhiều mây, các tấm pin có bức xạ thấp trở thành tải tiêu thụ công suất theo định luật Kirchoff 1. Do việc này có thể làm tấm pin trở nên quá nhiệt, mỗi tấm pin được gắn 1 diode bypass để khi bị bóng che không có dòng điện làm nóng tấm pin. Đặc tuyến I – V và đặc tuyến P – V của tấm pin cũng bị thay đổi khi có hiện tượng bóng che bởi dòng điện bị giới hạn bằng dòng điện của tấm có bức xạ thấp (Hình 1.2) Cho nên, đặc tuyến P – V lúc này không chỉ có một cực trị như trường hợp bức xạ đồng nhất.
Số lượng cực trị bằng với số mức bức xạ khác nhau áp lên các tấm pin.2: Đặc tuyến I - V và P - V của chuỗi pin mặt trời khi có bóng che Hiện tượng này gây khó khăn cho việc điều khiển công suất của tấm pin mặt trời ở chế độ MPPT do các phương pháp tìm kiếm điểm cực đại hiện tại chỉ có thể tìm được một điểm cực trị duy nhất [1], vì thế điểm làm việc cực đại dò ra được có khả năng cao là một cực trị địa phương (Local Maximum Power Point –LMPP). Để giải quyết bài toán MPPT có xét đến hiện tượng bóng che, đã có nhiều giải pháp được đưa ra. Một hướng đi mới trong việc dò MPPT bằng các thuật toán meta heuristic đã được đề cập trong [2], [3]. Tuy nhiên tính đến nay dù các giải thuật có thể dò được điểm GMPP với độ chính xác cao nhưng chúng lại có thời gian xác lập lâu hơn và chất lượng điện năng thấp hơn do sự dao động lớn.
Giải pháp tái cấu hình hệ thống pin bằng cách đặt các khóa điện điều khiển nhóm các tấm pin mặt trời có cùng bức xạ được đề xuất trong [4]. Khi xuất hiện bóng che, các tấm pin có bức xạ 2 Luan van giống nhau sẽ được kết nối chung vào một chuỗi. Tuy nhiên, phương pháp này tỏ ra không phù hợp nếu hệ thống quá lớn cần có rất nhiều thiết bị đóng cắt.3: Các phương án kết nối pin mặt trời Nghiên cứu [5] khảo sát các cấu hình pin mặt trời với 3 cách mắc khác nhau (song song, nối tiếp, hỗn hợp). Sơ đồ kết nối các tấm pin được vẽ trong Hình 1.
Các kết quả kiểm tra cho thấy trong cùng một điều kiện bóng che, cấu hình song song có thể phát được nhiều công suất hơn cấu hình nối tiếp. Đồng thời, xác suất bị bẫy vào cực trị địa phương của hệ thống thấp hơn khi số tấm pin mắc nối tiếp giảm đi. Tuy nhiên, với cấu hình này hệ thống phải hoạt động ở điện áp thấp hơn và dòng điện cao hơn. Áp lực đặt lên các bộ biến đổi tập trung vì thế lớn hơn so với khi sử dụng cấu hình nối tiếp.
Bài báo [6] tổng hợp các phương pháp xây dựng cấu hình các bộ tăng áp DC – DC tỉ số cao hiện nay. Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này là dòng điện đầu vào lớn dẫn đến giới hạn về công suất. Trong [7], các bộ MPPT nhỏ được tích hợp vào từng tấm pin rồi nối tiếp với nhau. Như vậy đặc tuyến P – V trên mỗi bộ DC – DC chỉ có một cực trị duy nhất giúp đơn giản hóa phần mềm vừa thu được công suất tương đương với cấu hình mắc song song.
Tuy nhiên, phương án này đòi hỏi chi phí đầu tư cao hơn và phát sinh thêm vấn đề về độ phức tạp của hệ thống, không phù hợp đối với các hệ thống pin mặt trời áp mái có quy mô vừa và nhỏ, nơi yêu cầu chi phí đầu tư thấp.2 Tính cấp thiết của đề tài Sự đầu tư vào các hệ thống pin mặt trời áp mái ở nước ta đang có xu hướng gia tăng nên việc phải có một giải pháp vận hành hợp lý cho các hệ thống pin mặt trời công suất ừa và nhỏ là cần thiết. Phương án giảm số lượng pin trong chuỗi nối tiếp kết hợp với các bộ biến đổi điện áp tỉ số cao có tiềm năng lớn nhất.3 Đối tượng nghiên cứu Các hệ thống điện mặt trời công suất vừa và nhỏ với công suất từ vài kW đến vài chục kW ở nước ta hiện nay vẫn còn rất nhiều tiềm năng để khai thác. Phương pháp xây dựng các bộ biến đổi DC - DC tỉ số cao ứng dụng cho các hệ thống đó được đề xuất và kiểm tra các thông số vận hành trong luận văn.4 Nhiệm vụ của luận văn Sau khi đọc và nghiên cứu các tài liệu tổng quan, luận văn đề ra các mục tiêu sau: - Đề xuất một cấu hình mạch biến đổi DC – DC tỉ số cao từ 50V lên 400V. - Xây dựng phương pháp đánh giá tổn thất công suất và sụt áp trên mạch khi có xét đến nội trở thực tế của các linh kiện.
- Thực nghiệm kiểm chứng hoạt động của mạch so với các phân tích lý thuyết 1.5 Phương pháp nghiên cứu - Thu thập các tài liệu liên quan - Thiết lập sơ đồ nguyên lý và phương án điều khiển - Thành lập công thức tính toán lý thuyết cho mạch - Thi công và thực nghiệm mạch trên thực tế.6 Đóng góp chính của luận văn Luận văn đề xuất một cấu hình mạch tăng áp DC tỉ số cao có khả năng điều khiển điện áp trong một dải rộng. Mạch được đánh giá bằng mô hình toán và thực nghiệm.7 Kế hoạch thực hiện - 10/2018 – 10/2019: Nghiên cứu tổng quan, đề xuất cấu hình và phân tích nguyên lý hoạt động. Mô phỏng mạch trên phần mềm PSIM. - 10/2019 – 04/2020: Thi công mạch thực nghiệm và thực hiện thí nghiệm.
4 Luan van CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về pin quang điện (PV) 2.1 Nguyên lý hoạt động Công đoạn biến đổi từ năng lượng photon trong bức xạ mặt trời thành điện năng được thực hiện bởi các tấm pin quang điện (PV). Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào các tấm pin quang điện, các photon được chia thành 3 phần: một phần trong chúng phản xạ ngược lại, một phần đi xuyên qua tấm pin và phần còn lại bị hấp thu. Các photon bị hấp thu kích thích các nguyên tử tạo ra các cặp điện tử tự do dạt về hai bản cực của lớp chuyển tiếp P – N. Sự tập trung các điện tích tại hai đầu của vật liệu sinh ra một hệu điện thế và khi được nối với tải bên ngoài sẽ có dòng chạy qua nó.
Quá trình này được mô tả lại trong hình Hình 2.1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin quang điện 2.2 Phân loại Dựa vào công nghệ sản xuất, các tấm pin quang điện được chia thành các loại sau: 5 Luan van • Đơn tinh thể (Monocrystalline): có hiệu suất lớn nhất trong các loại pin (13 – 17%) nhưng vật liệu chế tạo đắt tiền. • Đa tinh thể (Monocrystalline): hiệu suất thấp hơn loại đơn tinh thể (10 – 14%), bù lại giá thành rẻ hơn. • Dải silic (Bar crystalline silicon): có chi phí sản xuất thấp nhất tuy nhiên hiệu suất chỉ đạt 11%. • Màng mỏng (Thin film): cho phép chế tạo được các tấm pin với kích thước mỏng nhưng do mới phát triển nên hiệu suất thấp, trong tầm 5 – 13%.
• Ngoài ra công nghệ pin hữu cơ là công nghệ mới nhất hiện nay.2 Mô hình toán pin PV 2.1 Mô hình lý tưởng Mô hình đặc trưng cho một tế bào quang điện là một nguồn dòng song song với diode [8]. Mô hình lý tưởng xem như diode không có nội trở (Hình 2. Theo định luật Kirchhoff 1 dòng điện tại đầu ra của tấm pin là hiệu của dòng điện do ánh sáng tạo ra trừ dòng điện chạy qua diode.2: Mô hình tế bào quang điện lý tưởng Dòng điện tại ngõ ra của tấm pin [8]: 𝐼 = 𝐼𝑝ℎ − 𝐼𝑑 (2 – 1) Với: 6 Luan van 𝑞𝑉 𝐼𝑑 = 𝐼𝑜 [exp ( ) − 1] (2 – 2) 𝑎𝑘𝑇 Iph là dòng điện tạo ra bởi các photon; Id là dòng điện trên diode được cho bởi công thức (1 – 2); Io là dòng bão hòa ngược của diode, q là điện tích của một electron (1,6 × 10-19C), k là hằng số Boltzmann (1,38 × 10-23 J/K), T là nhiệt độ trên diode (K) và a là hằng số lý tưởng của diode. Từ công thức (1 – 1) và (1 – 2) ta có các đặc tuyến I – V như sau: Hình 2.3: Đặc tuyến I – V lý tưởng của pin mặt trời 2.2 Mô hình thực tế Trên thực tế, các tế bào quang điện được kết nối lại với nhau theo kiểu kết hợp giữa song song và nối tiếp, tạo thành một module PV.
Sự kết nối nhiều tế bào quang điện với nhau đòi hỏi mô hình toán cần có nhiều tham số hơn so với mô hình lý tưởng. mô hình lý tưởng cần xét thêm nội trở tham gia vào mạch (Hình 2.