Luận án tiến sĩ kỹ thuật: Nâng cao hiệu quả bộ biến đổi tăng áp DC-DC cho hệ thống pin mặt trời

Luận án tiến sĩ nghiên cứu kỹ thuật nghiên cứu cải thiện kết quả làm việc bộ biến đổi tăng áp dc dc trong hệ thống nguồn pin, phát triển phương pháp mới, đánh giá hiệu quả ứng

• Tác giả: Nguyễn Đức Minh
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Trọng Chưởng
• Trường học: Trường Đại học Mỏ - Địa chất
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
• 1.1. Khái quát chung về nguồn Pin mặt trời
• 1.2. Đặc tính của Pin mặt trời
• 1.3. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến đặc tính của Pin mặt trời
• 1.4. Cấu trúc của hệ thống Pin mặt trời
• 1.5. Tổng quan các nghiên cứu trong và ngoài nước về Pin mặt trời
• 1.6. Về bài toán thiết kế cấu trúc bộ biến đổi DC-DC
• 1.7. Về bài toán lựa chọn cấu trúc ghép nối bộ tăng áp DC-DC
• 1.8. Về bài toán tìm điểm công suất cực đại
• 1.9. Hướng nghiên cứu về thiết kế bộ tăng áp DC-DC có tích hợp thuật toán tìm điểm công suất cực đại MPPT
• 1.10. Cách tiếp cận. Đề xuất hướng giải quyết
• 1.11. Kết luận chương 1
• 2. CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG ĐẾN HIỆU QUẢ LÀM VIỆC CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI
• 2.1. Mô hình hệ thống nguồn Pin mặt trời
• 2.2. Mô hình Pin mặt trời
• 2.3. Mô hình bộ tăng áp DC-DC
• 2.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến bộ biến đổi DC-DC
• 2.5. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến đặc tính PV Cell
• 2.6. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng che một phần
• 2.7. Ảnh hưởng của linh kiện điện tử công suất
• 2.8. Ảnh hưởng của tần số điều chế và độ rộng xung đến hiệu suất bộ biến đổi
• 2.9. Hiệu suất của hệ PV với mạch boost truyền thống
• 2.10. Ảnh hưởng của tần số điều chế và độ rộng xung tới hiệu suất mạch boost truyền thống
• 2.11. Kết luận chương 2
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI
• 3.1. Giá trị một số phần tử trong mạch tăng áp DC-DC
• 3.2. Cấu trúc mạch Boost DC-DC
• 3.3. Đề xuất cấu trúc mạch DC-DC
• 3.4. Xác định tỷ số biến đổi điện áp và tổn thất công suất trong mạch DC-DC
• 3.5. Mô phỏng đánh giá cấu trúc bộ tăng áp DC-DC đề xuất
• 3.6. Mô hình thực nghiệm cấu trúc mạch DC-DC đề xuất
• 3.7. Cấu trúc các khối trong mô hình thực nghiệm mạch tăng áp DC-DC
• 3.8. Giải thuật và phần mềm
• 3.9. Kết quả mô hình thực nghiệm
• 3.10. Kết luận chương 3
• 4. CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG CẤU TRÚC LIÊN KẾT CÁC BỘ BIẾN ĐỔI TĂNG ÁP DC-DC NGUỒN PIN MẶT TRỜI
• 4.1. Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện đồng nhất
• 4.2. Đặc tính của Pin mặt trời khi làm việc trong điều kiện không đồng nhất
• 4.3. Cấu trúc liên kết đề xuất
• 4.4. Xây dựng giải thuật xác định điểm công suất cực đại
• 4.5. Phương pháp tối ưu bầy đàn PSO. Giải thuật đề xuất
• 4.6. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về bộ biến đổi tăng áp DC DC và hệ thống năng lượng mặt trời

Bộ biến đổi tăng áp DC-DC đóng vai trò quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời, giúp tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng. Nghiên cứu này tập trung vào việc nâng cao hiệu quả của bộ biến đổi thông qua tối ưu hóa hiệu suất và công nghệ tăng áp. Hệ thống điện mặt trời phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường, do đó, việc quản lý năng lượng và ứng dụng năng lượng tái tạo là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất tối đa.

1.1. Khái niệm và vai trò của bộ biến đổi tăng áp DC DC

Bộ biến đổi tăng áp DC-DC là thiết bị chuyển đổi điện áp một chiều từ mức thấp lên mức cao, phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Trong hệ thống năng lượng mặt trời, bộ biến đổi này giúp tối ưu hóa năng lượng thu được từ các tấm pin mặt trời. Chuyển đổi năng lượng hiệu quả là yếu tố quyết định đến hiệu suất tổng thể của hệ thống.

1.2. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu suất

Điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ và bóng che ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Nghiên cứu công nghệ đã chỉ ra rằng, việc tối ưu hóa các thông số điều khiển như tần số đóng cắt và độ rộng xung có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ biến đổi tăng áp DC-DC.

II. Phương pháp nghiên cứu và tối ưu hóa hiệu suất

Nghiên cứu sử dụng các phương pháp mô hình hóa và mô phỏng để đánh giá hiệu suất của bộ biến đổi tăng áp DC-DC. Tối ưu hóa hiệu suất được thực hiện thông qua việc điều chỉnh các thông số kỹ thuật như tần số đóng cắt và độ rộng xung. Kết quả cho thấy, việc áp dụng công nghệ tăng áp tiên tiến giúp cải thiện đáng kể hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

2.1. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống

Nghiên cứu sử dụng phần mềm mô phỏng để phân tích hiệu suất của bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong các điều kiện khác nhau. Hệ thống điện mặt trời được mô hình hóa để đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố môi trường đến hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

2.2. Tối ưu hóa thông số điều khiển

Việc tối ưu hóa các thông số điều khiển như tần số đóng cắt và độ rộng xung giúp cải thiện hiệu suất của bộ biến đổi tăng áp DC-DC. Nghiên cứu công nghệ đã chỉ ra rằng, việc điều chỉnh các thông số này có thể giảm thiểu tổn thất năng lượng và tăng hiệu suất chuyển đổi.

III. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu

Kết quả nghiên cứu cho thấy, việc áp dụng công nghệ tăng áp tiên tiến và tối ưu hóa hiệu suất giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời. Ứng dụng năng lượng tái tạo trong thực tế đã chứng minh tính khả thi và hiệu quả của các giải pháp được đề xuất. Nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào việc nâng cao hiệu suất và độ ổn định của các hệ thống năng lượng mặt trời.

3.1. Triển khai thực nghiệm

Nghiên cứu đã triển khai thực nghiệm để kiểm chứng hiệu quả của các giải pháp đề xuất. Bộ biến đổi tăng áp DC-DC được thiết kế và chế tạo để đánh giá hiệu suất trong các điều kiện thực tế. Kết quả cho thấy, hiệu suất chuyển đổi năng lượng được cải thiện đáng kể.

3.2. Đánh giá hiệu quả và ứng dụng

Kết quả nghiên cứu được đánh giá dựa trên hiệu suất và độ ổn định của hệ thống năng lượng mặt trời. Quản lý năng lượng hiệu quả và ứng dụng năng lượng tái tạo là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất tối đa. Nghiên cứu này có ý nghĩa quan trọng trong việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Hệ thống phát điện pin mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản: tấm pin mặt trời (PV), bộ biến đổi DC-DC, bộ nghịch lưu DC-AC, bộ lưu trữ năng lượng và các thiết bị phụ trợ. Trong vận hành, việc khai thác tối đa công suất phát từ nguồn pin mặt trời gặp nhiều rào cản do các đặc tính phi tuyến phụ thuộc vào cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường, hiện tượng bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC) và tổn thất nội tại trong các bộ biến đổi công suất.

Thực tế kỹ thuật cho thấy hiệu suất của bộ biến đổi tăng áp DC-DC không cố định mà thay đổi theo công suất truyền tải, thường chỉ đạt cực đại ở mức 50%–60% công suất định mức và suy giảm nghiêm trọng khi công suất truyền tải xuống dưới 40%. Trong khi đó, các tấm pin mặt trời thường xuyên vận hành ở mức dưới 40% công suất định mức vào các khung giờ sáng sớm, chiều muộn hoặc trong điều kiện thời tiết nhiều mây, mưa và bóng che. Mặt khác, khi xuất hiện bóng che không đồng đều, đặc tuyến công suất - điện áp (P-V) xuất hiện nhiều điểm cực đại địa phương (Local Maximum Power Point - LMPP) cùng một điểm cực đại toàn cục (Global Maximum Power Point - GMPP), khiến các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống dễ rơi vào bẫy cực trị địa phương, gây thất thoát công suất phát. Xuất phát từ các hạn chế trên, luận án tập trung giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất bộ biến đổi DC-DC và tối ưu hóa giải thuật bám điểm công suất cực đại trong điều kiện vận hành không đồng nhất.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm hai nội dung chính:

1. Đề xuất cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới với mục tiêu cải thiện hiệu suất làm việc và nâng cao hệ số biến đổi điện áp.
2. Xây dựng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho bài toán kết nối các bộ tăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất, nâng cao tốc độ hội tụ và giảm dao động quá độ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời có quy mô công suất dưới 1 kW.
• Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới cho hệ PV một pha; các giải thuật điều khiển tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT); mô hình hóa toán học, mô phỏng trên phần mềm chuyên ngành và kiểm chứng thực nghiệm thông qua hệ thống phần cứng chế tạo thực tế kết hợp số liệu bức xạ đo đạc tại hiện trường (Quảng Trị, Việt Nam).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Luận án đã tổng hợp và phân tích các hướng nghiên cứu trong nước và quốc tế xoay quanh ba nhóm vấn đề kỹ thuật chính:

Thứ nhất, về bài toán thiết kế cấu trúc bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống pin mặt trời: Các công trình nghiên cứu hiện hành phân chia hệ thống thành hai dạng cấu trúc cơ bản là mô hình một cấp chuyển đổi (Inverter trung tâm) và mô hình hai cấp chuyển đổi (Inverter chuỗi kết hợp bộ biến đổi DC-DC).

Đặc tính so sánh	Mô hình một cấp chuyển đổi	Mô hình hai cấp chuyển đổi
Dải công suất AC	Lên tới 4 MW	25 – 215 kW
Phương thức lắp đặt	Sử dụng cần cẩu nâng đặt trên đế bê tông	2 người nâng đặt trực tiếp lên khung giá đỡ
Thiết kế cách ly/làm mát	Không cần máy biến áp, làm mát tự nhiên	Sử dụng máy biến áp cách ly, làm mát cưỡng bức
Tính linh hoạt theo hướng/góc nghiêng	Không đảm bảo hiệu suất nếu góc nghiêng khác nhau	Đảm bảo hiệu suất với chuỗi PV khác hướng/góc nghiêng
Bảo dưỡng và sửa chữa	Bắt buộc sửa chữa, bảo dưỡng tại chỗ	Có thể thay thế tại chỗ hoặc chuyển về đơn vị sản xuất
Bộ lấy dấu MPPT	Một hoặc hai bộ MPPT trung tâm	Nhiều bộ MPPT phân tán cho từng chuỗi
Thời gian bảo hành	Khoảng 10 năm	5 – 10 năm
Chi phí lắp đặt, bảo dưỡng	Cao hơn	Thấp hơn

Để khắc phục nhược điểm suy giảm hiệu suất ở dải công suất thấp của mô hình hai cấp, các nghiên cứu trước đây đã đề xuất cấu trúc ghép nối nhiều bộ DC-DC công suất nhỏ mắc song song đầu vào và nối tiếp đầu ra. Tuy nhiên, các giải pháp này còn tồn tại hạn chế: cấu trúc của một số nghiên cứu sử dụng máy biến áp cách ly dẫn đến tổn thất lớn, hiệu suất cực đại chỉ đạt 91,5%, độ nhấp nhô dòng điện/điện áp lớn, thời gian đáp ứng MPPT kéo dài tới 180 giây và chỉ hoạt động ổn định dưới 300 W; cấu trúc sử dụng 4 MOSFET và 4 Diode kết hợp máy biến áp cách ly (công suất 200 W trên tấm pin PEPV-48-200) cải thiện hiệu suất từ 58,12% lên 82,2%, mức hiệu suất này vẫn còn thấp đối với yêu cầu thực tế.

Thứ hai, về bài toán lựa chọn cấu trúc ghép nối bộ tăng áp DC-DC: Các nghiên cứu thực nghiệm trên 6 mô-đun PV (loại 72 tế bào quang điện) khi so sánh cấu hình chuỗi nối tiếp (SC), song song (PC) và nối tiếp - song song (SPC) dưới điều kiện bóng che một phần cho thấy cấu hình PC cho công suất lớn nhất và điện áp ổn định nhất, cấu hình SC cho điện áp cao nhất nhưng hiệu suất suy giảm, trong khi cấu hình SPC có hiệu suất trung bình và dòng điện kém ổn định. Mặc dù vậy, các nghiên cứu này chủ yếu triển khai trên mạch Boost truyền thống với thời gian quá độ tìm kiếm MPPT còn cao (khoảng 0,25 giây).

Thứ ba, về bài toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT):

• Khi bức xạ đồng nhất: Các kỹ thuật phân loại gồm phương pháp tham số cố định ($V_{OC}$, $I_{SC}$); phương pháp đo lường so sánh (tra bảng, điều khiển tuyến tính); phương pháp thử sai (P&O, P&O cải tiến); phương pháp tính toán toán học (tọa độ tuyến tính định hướng lại - LRCM, điều khiển trượt); phương pháp trí tuệ nhân tạo (logic mờ, mạng nơ-ron).
• Khi bức xạ không đồng nhất (bóng che một phần - PSC): Sự xuất hiện của các diode bypass tạo ra nhiều đỉnh cực trị trên đường cong P-V. Tổn thất năng lượng do thuật toán MPPT hội tụ nhầm vào cực đại địa phương thay vì cực đại toàn cục có thể lên tới 70%. Các thuật toán tối ưu hóa bầy đàn và phỏng sinh học đã được thử nghiệm như PSO (tối ưu bầy đàn), ABC (đàn ong), ACO (đàn kiến), SA (mô phỏng luyện kim), BA (đàn dơi), FFA (lửa bay), FWA (pháo hoa), GWO (sói xám), WOA (cá voi). Bên cạnh đó, các thuật toán lai như INC-FFA, P&O-ANN, GWO-P&O, PSO-P&O, SA-PSO, Jaya-DE cũng được phát triển. Tuy nhiên, các giải thuật này khi áp dụng trên cấu trúc phần cứng truyền thống vẫn bộc lộ nhược điểm: thời gian quá độ còn dài (một số giải pháp phân chia 3 vùng làm việc mất khoảng 7 giây để xác định MPP), độ dao động quanh điểm cực trị lớn và chưa kết hợp tối ưu giữa thuật toán với cấu trúc phần cứng mạch biến đổi DC-DC cải tiến.

Vị trí của luận án: Luận án lựa chọn giải quyết đồng thời cả hai mắt xích: thiết kế cấu trúc mạch tăng áp DC-DC không cách ly có hệ số nâng áp cao, tổn thất thấp, đồng thời tích hợp giải thuật MPPT cải tiến dựa trên biến thể tối ưu bầy đàn (PSO) sử dụng tín hiệu dòng điện làm thông số điều khiển, giúp hệ thống không bỏ qua các mô-đun nhận bức xạ yếu và rút ngắn thời gian quá độ.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết

Mô hình toán học của tế bào quang điện (PV cell) được xây dựng dựa trên mạch tương đương đơn diode gồm nguồn dòng quang điện ($I_{ph}$), một diode song song, điện trở nối tiếp ($R_s$) và điện trở shunt ($R_{sh}$). Phương trình đặc tính dòng điện - điện áp của tế bào quang điện:

$$I = I_{ph} - I_D - I_{sh} = I_{ph} - I_{rsc} \left[ \exp\left(\frac{q(V + I R_s)}{A k T}\right) - 1 \right] - \frac{V + I R_s}{R_{sh}}$$

Trong đó:

• $I_{rsc}$: Dòng điện bão hòa ngược của diode (A).
• $q$: Điện tích nguyên tố ($1{,}6 \times 10^{-19}\text{ C}$).
• $k$: Hằng số Boltzmann ($1{,}38065 \times 10^{-23}\text{ J/K}$).
• $A$: Hệ số lý tưởng của diode.
• $T$: Nhiệt độ tuyệt đối của tế bào ($^\circ\text{K}$).
• Dòng quang điện $I_{ph}$ phụ thuộc trực tiếp vào cường độ bức xạ $H$ ($\text{W/m}^2$) và nhiệt độ làm việc $T_c$ ($^\circ\text{C}$):

$$I_{ph} = [I_{scr} + K_I(T_c - T_{ref})] \times \frac{H}{H_{ref}}$$

Đối với mô-đun gồm $N_s$ tế bào mắc nối tiếp và $N_p$ nhánh mắc song song, phương trình tổng quát xác định dòng điện đầu ra:

$$I = N_p I_{ph} - N_p I_s \left[ \exp\left(\frac{q(\frac{V}{N_s} + \frac{I R_s}{N_p})}{A k T_c}\right) - 1 \right] - \frac{\frac{V N_p}{N_s} + I R_s}{R_{sh}}$$

Lý thuyết bộ biến đổi tăng áp DC-DC (Boost Converter):

• Ở chế độ dẫn liên tục (Continuous Conduction Mode - CCM), tỷ số biến đổi điện áp lý thuyết:

$$\frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{1}{1 - D}$$

• Trở kháng vào tương đương của mạch: $R_{ei}(D, R) = (1 - D)^2 R$.
• Điện cảm tới hạn $L_{bc}$ phân định ranh giới giữa chế độ CCM và chế độ dẫn không liên tục (Discontinuous Conduction Mode - DCM):

$$L_{bc} = \frac{R D (1 - D)^2}{2 F_s}$$

(với $F_s$ là tần số chuyển mạch, $D$ là hệ số điều chế độ rộng xung).

Phương pháp nghiên cứu

Luận án áp dụng bốn phương pháp nghiên cứu kết hợp:

1. Phương pháp phân tích, điều tra và tổng hợp: Thu thập, hệ thống hóa các tài liệu khoa học về cấu trúc mạch DC-DC và các giải thuật MPPT trong và ngoài nước.
2. Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thiết lập mô hình toán học giải tích xác định tổn thất công suất, tỷ số truyền áp và phân tích động học hệ thống nguồn quang điện.
3. Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng sơ đồ mô phỏng hệ thống trên phần mềm MATLAB/Simulink và PSIM để khảo sát đáp ứng điện áp, dòng điện, công suất và hiệu suất trong các điều kiện làm việc khác nhau.
4. Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh gồm mạch lực tăng áp DC-DC, mạch kích lái (Mosfet Driver), mạch đo lường cảm biến dòng - áp và mạch điều khiển trung tâm sử dụng vi điều khiển STM32F103 (DSP). Kết quả được ghi nhận bằng máy hiện sóng số (Oscilloscope) trên hệ thống tải thuần trở và tải động cơ.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm:

• Dữ liệu bức xạ và nhiệt độ thực tế đo đạc liên tục trong 90 ngày tại tỉnh Quảng Trị (khu vực miền Trung Việt Nam) trên 2 hệ thống pin mặt trời công suất 250 Wp (một hệ thống lắp đặt cố định và một hệ thống có trục xoay tự động bám hướng mặt trời).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày tổng quan cấu tạo, nguyên lý làm việc và các đặc tính cơ bản của pin mặt trời ($I\text{-}V$, $P\text{-}V$). Tác giả phân tích cơ chế hình thành dòng điện một chiều thông qua hiệu ứng quang điện khi bức xạ mặt trời chiếu vào lớp tiếp giáp P-N.

Nội dung chương tập trung làm rõ:

• Tác động của các yếu tố môi trường: Bức xạ mặt trời tỷ lệ thuận với dòng điện ngắn mạch ($I_{SC}$), trong khi nhiệt độ tế bào tăng làm suy giảm điện áp hở mạch ($V_{OC}$).
• Hiện tượng bóng che một phần (PSC) và vai trò của diode bypass: Khi một phần mô-đun bị che khuất, các cell nhận bức xạ thấp trở thành tải tiêu thụ điện năng từ các cell khác, dẫn đến hiện tượng điểm nóng (hot-spot). Việc mắc song song các diode bypass nhằm triệt tiêu điểm nóng lại làm biến dạng đặc tuyến P-V thành dạng đa đỉnh với nhiều cực trị địa phương (LMPP) và một cực trị toàn cục (GMPP).
• Phân tích ưu nhược điểm của mô hình một cấp chuyển đổi và hai cấp chuyển đổi, đồng thời khảo sát các công trình nghiên cứu về cấu trúc DC-DC, ghép nối chuỗi mảng PV và các nhóm giải thuật dò tìm MPPT truyền thống lẫn hiện đại, từ đó xác lập phương pháp tiếp cận của đề tài.

Chương 2: Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của bộ biến đổi DC-DC nguồn pin mặt trời

Chương 2 đi sâu vào tính toán giải tích và đánh giá thực nghiệm các tham số ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất vận hành của bộ biến đổi DC-DC:

• Kết quả thực nghiệm ảnh hưởng thời tiết tại Quảng Trị: Số liệu đo đạc 90 ngày trên hai hệ thống PV 250 Wp ghi nhận rằng vào những ngày mưa, sản lượng điện của hệ thống suy giảm gần 3 lần so với ngày nắng; vào những ngày nhiều mây, hiệu suất giảm gần một nửa. Hệ thống có cơ cấu xoay bám theo vị trí mặt trời cho sản lượng điện năng cao hơn 15,2% so với hệ thống lắp đặt cố định sau khi đã trừ năng lượng tiêu thụ của bộ truyền động.
• Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với vật liệu Silic (Si): Khi nhiệt độ tăng, điện áp hở mạch $V_{OC}$ giảm với tốc độ khoảng 0,37%/°C, trong khi dòng điện ngắn mạch $I_{SC}$ chỉ tăng nhẹ khoảng 0,05%/°C, khẳng định pin mặt trời đạt hiệu suất chuyển đổi cao hơn trong điều kiện nhiệt độ thấp.
• Ảnh hưởng của thông số điều khiển và linh kiện bán dẫn đến bộ biến đổi: Luận án phân tích tổn thất đóng cắt ($P_{sw}$) và tổn thất dẫn ($P_{cond}$) của khóa bán dẫn (IGBT/MOSFET). Tổn thất chuyển mạch tăng tuyến tính theo tần số đóng cắt $F_s$, trong khi độ rộng xung $D$ quyết định chế độ dẫn CCM hoặc DCM. Mối quan hệ giữa trở kháng vào tối ưu $R_{ei} = (1 - D)^2 R$ và tải thực tế cho thấy sự cần thiết phải điều chỉnh $D$ linh hoạt để bám điểm MPP.

Chương 3: Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời

Chương 3 đề xuất một cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới nhằm mục tiêu mở rộng hệ số biến đổi điện áp và giảm thiểu tổn thất công suất:

• Cấu trúc đề xuất: Mạch tăng áp cải tiến khắc phục giới hạn của mạch Boost truyền thống khi vận hành ở tỷ số biến đổi lớn (tránh hiện tượng $D \to 1$ gây tổn thất cực lớn trên điện trở nội của cuộn cảm và linh kiện bán dẫn).
• Kết quả mô phỏng trên MATLAB/Simulink:
  • Tại điện áp vào $V_{in} = 74\text{ V}$, mạch duy trì điện áp đầu ra ổn định và hiệu suất cao ở các dải tải khác nhau.
  • Khi xuất hiện hiện tượng bóng che làm thay đổi điện áp đầu vào, mạch đề xuất phản hồi nhanh, duy trì điện áp ra bám sát giá trị đặt.
  • Khảo sát mối quan hệ giữa hiệu suất mạch với tần số đóng cắt tại các mốc 15 kHz, 20 kHz, 25 kHz, 30 kHz, 40 kHz và độ rộng xung $D = 0{,}35$; $D = 0{,}5$; $D = 0{,}7$.
• Kết quả thực nghiệm phần cứng:
  • Thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình phần cứng gồm mạch lực, khối Mosfet Driver và kit điều khiển vi xử lý STM32F103.
  • Đo đạc dạng sóng điện áp và dòng điện trên dao động ký (Oscilloscope) với hai dạng tải: tải thuần trở và tải động cơ DC.
  • Dạng sóng điện áp trên cổng MOSFET và điện áp đầu ra phẳng, đáp ứng quá độ ổn định. Số liệu thực nghiệm ở các dải tần số 15–40 kHz và $D$ từ 0,35 đến 0,7 khớp với kết quả mô phỏng lý thuyết.

Chương 4: Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời

Chương 4 giải quyết bài toán vận hành hệ thống đa bộ biến đổi trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất (PSC):

• Đề xuất cấu trúc liên kết các bộ biến đổi DC-DC: Cấu hình liên kết cho phép ghép nối linh hoạt các ngõ ra nhằm tối ưu hóa công suất trích xuất từ từng chuỗi pin riêng biệt.
• Xây dựng giải thuật MPPT cải tiến dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO):
  • Thuật toán PSO truyền thống tìm kiếm điểm cực trị dựa trên hai biến trạng thái là điện áp làm việc và bước nhảy điện áp của từng phần tử hạt trong bầy ($U_{pi}$ và $U_g$).
  • Giải thuật đề xuất của luận án bổ sung giá trị dòng điện làm tham số điều khiển trực tiếp. Việc giám sát dòng điện giúp hệ thống phản ánh tức thời sự thay đổi mức bức xạ trên từng mô-đun bị che khuất mà không bỏ qua các mô-đun nhận bức xạ thấp.
• Đánh giá và kiểm chứng thuật toán:
  • Mô phỏng so sánh giải thuật đề xuất với thuật toán PSO truyền thống trong các kịch bản bóng che khác nhau.
  • Kết quả kiểm chứng khi thay đổi bức xạ từ $1000\text{ W/m}^2$ xuống $500\text{ W/m}^2$ tại $25^\circ\text{C}$ và khi nhiệt độ thay đổi từ $25^\circ\text{C}$ lên $60^\circ\text{C}$ tại $1000\text{ W/m}^2$: Giải thuật đề xuất bám chính xác điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP), loại bỏ dao động quanh điểm cực trị, rút ngắn thời gian quá độ và tăng sản lượng điện trích xuất từ hệ thống.

Kết quả và những đóng góp mới

Các đóng góp mới về mặt khoa học và kỹ thuật của luận án bao gồm:

1. Đóng góp về lý luận và phân tích:

   • Phân tích và lượng hóa được mức độ ảnh hưởng của các điều kiện thời tiết môi trường (nắng, nhiều mây, mưa) và nhiệt độ tế bào đến hiệu quả phát công suất của hệ thống pin mặt trời thông qua chuỗi số liệu thực nghiệm liên tục 90 ngày tại Quảng Trị.
   • Thiết lập được mối quan hệ định lượng giữa độ rộng xung điều chế ($D$), tần số đóng cắt mạch ($F_s$) với tổn thất công suất và hiệu suất làm việc của bộ biến đổi tăng áp DC-DC.

2. Đóng góp về thiết kế cấu trúc phần cứng:

   • Đề xuất cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới có hệ số biến đổi điện áp cao, hiệu suất lớn, vận hành ổn định và dễ điều khiển.
   • Chế tạo thành công mô hình thực nghiệm bộ biến đổi DC-DC hoàn chỉnh (sử dụng vi điều khiển STM32F103 và mạch kích lái Mosfet) hoạt động tin cậy với cả tải trở và tải động cơ trong dải công suất dưới 1 kW.

3. Đóng góp về thuật toán điều khiển:

   • Xây dựng thành công cấu trúc liên kết đa bộ biến đổi DC-DC và giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT) cải tiến từ thuật toán tối ưu bầy đàn PSO. Giải thuật sử dụng giá trị dòng điện làm thông số điều khiển, giúp tăng tốc độ tính toán, giảm thời gian quá độ và tận dụng công suất phát từ các mô-đun nhận bức xạ yếu dưới điều kiện bóng che một phần.

Kiến nghị và giải pháp ứng dụng:

• Kết quả nghiên cứu có thể chuyển giao áp dụng trực tiếp cho các đơn vị nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thiết bị điện tử công suất, bộ nghịch lưu hòa lưới cho nguồn năng lượng tái tạo quy mô nhỏ và vừa.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án:

• Phạm vi nghiên cứu thực nghiệm của bộ biến đổi mới và giải thuật MPPT được giới hạn ở quy mô công suất dưới 1 kW và hệ thống pin mặt trời một pha.
• Dữ liệu thực nghiệm hiện trường được thu thập chủ yếu tại khu vực tỉnh Quảng Trị, chưa mở rộng khảo sát ở các vùng khí hậu khác nhau.

Hướng phát triển tiếp theo:

• Nâng công suất thiết kế của bộ biến đổi DC-DC lên dải công suất lớn hơn phục vụ cho các nhà máy điện mặt trời quy mô công nghiệp.
• Mở rộng nghiên cứu ghép nối đồng bộ bộ biến đổi DC-DC đề xuất với hệ thống nghịch lưu hòa lưới ba pha (DC-AC NPC hoặc Inverter đa bậc).
• Tích hợp thêm các cảm biến thông minh và nâng cấp thuật toán điều khiển thích nghi trên nền tảng phần cứng DSP tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo hữu ích cho các nhóm đối tượng sau:

• Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa và Điện tử công suất: Tham khảo phương pháp mô hình hóa toán học tế bào quang điện, phân tích tổn thất trong mạch chuyển mạch điện tử và quy trình thiết kế vi điều khiển điều chế PWM.
• Kỹ sư thiết kế và phát triển sản phẩm năng lượng tái tạo: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp DC-DC mới, mạch kích lái Mosfet Driver, cấu hình chân vi điều khiển STM32F103 và giải thuật GMPPT chống bẫy cực trị địa phương dưới điều kiện bóng che một phần.
• Các nhà quản lý kỹ thuật và vận hành trạm điện mặt trời: Sử dụng các số liệu thực nghiệm định lượng về tác động của thời tiết, góc nghiêng bám mặt trời và nhiệt độ để xây dựng phương án vận hành, bảo dưỡng tấm pin tối ưu.

Câu hỏi thường gặp

Câu hỏi 1: Tại sao bộ biến đổi DC-DC truyền thống thường có hiệu suất thấp khi hệ thống pin mặt trời làm việc vào buổi sáng hoặc chiều muộn? Trả lời: Hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC phụ thuộc trực tiếp vào công suất truyền tải qua nó, thường chỉ đạt giá trị tối ưu ở mức 50%–60% công suất thiết kế. Vào sáng sớm, chiều muộn hoặc những ngày ít nắng, công suất phát ra từ tấm pin mặt trời giảm xuống dưới 40% công suất định mức, khiến tổn thất nội tại (tổn thất đóng cắt và tổn thất dẫn) chiếm tỷ trọng lớn, làm hiệu suất biến đổi suy giảm nghiêm trọng.

Câu hỏi 2: Hiện tượng bóng che một phần (PSC) ảnh hưởng như thế nào đến đặc tuyến P-V và thuật toán MPPT? Trả lời: Khi xảy ra bóng che một phần, các tế bào nhận bức xạ thấp trở thành tải tiêu thụ, kích hoạt các diode bypass dẫn dòng để bảo vệ tế bào khỏi bị phát nóng (hot-spot). Việc kích hoạt diode bypass làm đặc tuyến P-V biến dạng từ dạng đơn cực trị thành dạng đa cực trị (nhiều cực đại địa phương LMPP và một cực đại toàn cục GMPP). Nếu thuật toán MPPT truyền thống hội tụ nhầm vào LMPP, tổn thất công suất có thể lên tới 70%.

Câu hỏi 3: Số liệu thực nghiệm tại Quảng Trị cho thấy hiệu quả của hệ thống PV xoay bám hướng mặt trời chênh lệch như thế nào so với hệ thống cố định? Trả lời: Kết quả đo đạc thực nghiệm liên tục trong 90 ngày trên hai hệ thống 250 Wp tại Quảng Trị ghi nhận hệ thống có trục xoay định hướng theo vị trí mặt trời cải thiện được 15,2% sản lượng điện năng so với hệ thống lắp đặt cố định (sau khi đã khấu trừ năng lượng tiêu thụ cho bộ truyền động). Ngoài ra, số liệu cho thấy vào những ngày mưa sản lượng điện giảm gần 3 lần, và ngày nhiều mây giảm gần một nửa so với ngày nắng.

Câu hỏi 4: Nhiệt độ môi trường tăng ảnh hưởng ra sao đến các thông số $V_{OC}$ và $I_{SC}$ của tấm pin quang điện Silic? Trả lời: Theo kết quả tính toán và phân tích trong luận án, đối với vật liệu Silic (Si), khi nhiệt độ tăng lên thì điện áp hở mạch ($V_{OC}$) giảm đi với tốc độ khoảng 0,37%/°C, trong khi dòng điện ngắn mạch ($I_{SC}$) chỉ tăng nhẹ khoảng 0,05%/°C. Do đó, tổng thể công suất phát cực đại suy giảm khi nhiệt độ tế bào tăng cao.

Câu hỏi 5: Điểm cải tiến chính trong giải thuật tối ưu bầy đàn (PSO) của luận án là gì? Trả lời: Giải thuật đề xuất sử dụng trực tiếp giá trị dòng điện như một tham số điều khiển bổ sung trong quy trình tối ưu bầy đàn. Cải tiến này giúp hệ thống phản ứng nhanh trước sự thay đổi bức xạ không đồng đều, tăng tốc độ hội tụ, giảm thời gian quá độ và ngăn chặn việc bỏ qua các mô-đun nhận được ít năng lượng nhất khi bị che khuất một phần.

Kết luận

Luận án của tác giả Nguyễn Đức Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao hiệu quả làm việc của bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời công suất dưới 1 kW. Bằng việc kết hợp chặt chẽ giữa nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng và kiểm chứng thực nghiệm trên vi điều khiển STM32F103, tác giả đã đề xuất thành công cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới và giải thuật GMPPT cải tiến dựa trên tối ưu bầy đàn PSO. Công trình cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật có giá trị ứng dụng thực tiễn cao cho lĩnh vực thiết bị điện tử công suất trong các hệ thống năng lượng tái tạo.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề cho chƣơng 3 tiếp sau. Chương 3: Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời Chƣơng này, Luận án đề xuất thiết kế cấu trúc một mạch tăng áp DC-DC mới có hiệu suất cao, hệ số biến đổi điện áp lớn. Để kiểm chứng, Luận án sẽ tiến hành mô phỏng kiểm chứng và đánh giá hiệu quả của mạch tăng áp này giữa hiệu suất mạch với độ rộng xung và tần số đóng cắt mạch thông qua mô hình thực nghiệm. 4 Chƣơng 4: Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời Chƣơng này tập trung đề xuất một giải thuật tối ƣu có cải tiến áp dụng cho hệ liên kết các bộ biến đổi DC-DC.

Giải thuật này đề xuất sử dụng sử dụng giá trị dòng điện nhƣ một tham số điều khiển nhằm ổn định thông số đầu ra của mạch DC-DC và gia tăng tốc độ hội tụ. Điều này khiến cho hệ thống khi bị bóng che một phần nó cũng không ỏ qua những module nhận đƣợc ít năng lƣợng nhất. Qua đó góp phần giảm bớt tổn thất công suất và gia tăng hiệu quả sinh điện của toàn bộ hệ thống. 5 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1.1 Khái quát chung về nguồn Pin mặt trời[1], [2], [11]–[16], [3]–[10] Pin Mặt trời (PV) ao gồm nhiều tế ào quang điện (solar cells) - là phần tử án dẫn có chứa trên ề mặt một số lƣợng lớn các cảm iến ánh sáng là điốt quang, thực hiện iến năng lƣợng của ánh sáng trực tiếp thành điện năng ằng hiệu ứng quang điện, là một hiện tƣợng vật lý và hóa học.

Nó là một dạng tế ào quang điện, các tế ào quang điện này có thể hoạt động đƣợc dƣới cả ánh sáng nhân tạo và ánh sáng tự nhiên đƣợc định nghĩa là một thiết ị có các đặc tính điện, nhƣ dòng điện, điện áp hoặc điện trở, thay đổi khi tiếp xúc với ánh sáng. Modul các thiết ị pin mặt trời riêng lẻ đƣợc kết nối với nhau thƣờng là các khối tạo thành các modul quang điện, thông thƣờng đƣợc gọi là các tấm pin mặt trời. Cƣờng độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của pin mặt trời thay đổi phụ thuộc ởi lƣợng ánh sáng chiếu lên chúng. Cấu tạo một tấm pin mặt trời cơ ản gồm các thành phần nhƣ hình 1.

Cấu tạo của pin Hình 1. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời năng lƣợng mặt trời Khi ề mặt tấm pin mặt trời đƣợc chiếu sáng, sẽ xuất hiện hiện tƣợng ức xạ mặt trời thẩm thấu vào tế ào quang điện, mang theo nguồn năng lƣợng proton. Nguồn năng lƣợng này đƣợc tích trữ ngày một nhiều, đến khi đạt giới hạn chúng sẽ gây nên hiện tƣợng các electron ị ức ra khỏi cấu tạo nguyên tử, hình thành các electron tự do mang điện âm, các lỗ hổng mang điện dƣơng. Chúng kết hợp với từ trƣờng của 2 hai lớp silic P và N di chuyển thành một dòng, mà chúng ta hay vẫn 6 gọi là dòng điện một chiều (hình 1.

Mối quan hệ giữa dòng điện của Pin mặt trời (IPV) và điện áp (VPV) phát ra từ các tấm Pin 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 ức xạ mặt trời (G) và công suất của phụ tải. Đồng thời, quá trình chuyển từ trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không ị ảnh hƣởng ởi các yếu tố liên quan đến quán tính. Một điểm quan trọng khác là: các tấm Pin mặt trời luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là lớn nhất tƣơng ứng với mỗi cặp giá trị về nhiệt độ ề mặt tấm Pin mặt trời và cƣờng độ ức xạ mặt trời. Khai thác đƣợc trạng thái vận hành này sẽ giúp khắc phục đƣợc nhƣợc điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng nguồn này.

Điều này có thể đạt đƣợc nhờ điều chỉnh tải tiêu thụ tƣơng ứng với công suất tại điểm công suất cực đại [22]. Đặc tính của Pin mặt trời Tại bức xạ mặt trời nhất định, tế ào quang điện cho ra giá trị các đại lƣợng điện áp V (V), dòng điện I (A) và công suất P (W) tƣơng ứng - hình 1. Các giá trị của V, I và P giúp xác định các đặc tuyến của một tế ào quang điện đó là mối tƣơng quan giữa I- V (dòng điện - điện áp) và P-V (công suất - điện áp). Ở đây ISC là dòng điện ngắn mạch, VOC là điện áp hở mạch, MPP (Maximum Power Point) ở hình 1.3 là điểm có công suất cực đại, IMP và VMP là dòng điện và điện áp tƣơng ứng tại MPP [2].

Dò C ng ôn điệ g n su (A) ất ( W ) Điện áp (V) Điện áp (V) Hình 1. Các đƣờng đặc tính cơ ản của một module PV Một điểm quan trọng khác là: tại VOC thì giá trị của ISC bằng không và tƣơng tự tại điểm của ISC giá trị của VOC bằng không. Hiệu suất của tế ào quang điện phụ thuộc vào các yếu tố nhƣ vật liệu sản xuất, nhiệt độ môi trƣờng, cƣờng độ bức xạ 7 mặt trời, góc nghiêng đối với mặt trời và sự khác nhau của bức xạ giữa các tế bào. Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hƣởng đến tế ào quang điện là: cƣờng độ bức xạ và nhiệt độ, nơi mà ức xạ càng lớn thì giá trị đầu ra càng lớn (I và V) [24]–[28], nhƣng mặt khác, nhiệt độ của tế ào quang điện càng cao, điện áp đầu ra càng thấp.

Thời tiết mùa đông và độ cao cũng có thể dẫn đến bức xạ thấp và nhƣ ất kỳ thiết bị điện tử nào khác, Pin mặt trời hoạt động tốt hơn khi đƣợc làm mát [26]. Đặc tính I- V và P-V tƣơng ứng với từng bức xạ nhất định đƣợc mô tả nhƣ hình 1. Đặc tính I-V theo ức xạ Hình 1. Đặc tính P-V theo ức xạ Hình 1.

Đặc tính I-V theo nhiệt độ Hình 1. Đặc tính P-V theo nhiệt độ Nhận thấy rằng: ngoài việc thay đổi đƣờng đặc tính I-V và P-V theo cƣờng độ bức xạ thì đƣờng đặc tính này cũng thay đổi theo nhiệt độ của pin. Mối tƣơng quan giữa nhiệt độ và đặc tính I-V và P-V đƣợc thể hiện bởi các hình 1. Nhƣ vậy, vị trí của điểm MPP trên đƣờng đặc tính là không biết trƣớc và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ.

Do đó, cần có một thuật toán để dò điểm MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộ điều khiển MPPT. Ảnh hƣởng của điều kiện môi trƣờng đến đặc tính của Pin mặt trời Bóng che một phần (Partial Shading Condition - PSC) là điều kiện mà tại đó ánh sáng mặt trời không chiếu sáng đồng đều trên tất cả các tấm Pin mặt trời. Điều này dẫn đến hiện tƣợng bất ổn và các đặc tính I-V, P-V trở nên phức tạp hơn [3, 4]. Bóng che một phần xảy ra trên một phần tấm pin mặt trời hoặc cả tấm bị che khuất khỏi ánh sáng mặt trời.

Hiện tƣợng bóng che một phần xảy ra do cây cối, mây, tòa nhà cao tầng, bụi, lá cây, nƣớc,… và độ nghiêng của tấm pin mặt trời. Bóng che hoàn toàn cũng tạo ra những vấn đề tƣơng tự cho các hệ thống nguồn Pin mặt trời nhƣng không đƣợc thảo luận nhiều nhƣ óng che một phần vì lƣợng bức xạ chiếu xuống các tấm Pin mặt trời là nhƣ nhau [27]. Minh họa hiện tƣợng óng che một phần Một số lý do khác cũng ảnh hƣởng đến hiệu suất của hệ thống Pin mặt trời bao gồm: nhiệt độ, điều kiện thời tiết và mức độ cách ly khác nhau.9 cho biết cấu hình một mảng Pin mặt trời thực tế, trong đó có hai loại diode (đƣờng vòng và chặn) đƣợc nối vào. Do thực tế là điện áp và mức công suất của một tế bào PV khá thấp; các tế ào PV đƣợc mắc nối tiếp hoặc song song.

Mắc nối tiếp làm tăng điện áp của hệ thống trong khi mắc song song làm tăng dòng điện. Bằng cách kết hợp mắc nối tiếp và song song, hệ thống nguồn Pin mặt trời có thể đáp ứng yêu cầu về mức điện áp và công suất định mức [28]. Vai trò diode ảo vệ trong dãy PV Thông thƣờng, khối PV cơ ản đƣợc tạo thành từ module PV bao gồm các tế bào PV mắc nối tiếp nhau. Mắc nối tiếp các tế bào PV dễ gây ra tổn thất lớn nếu các đặc tính điện do các tế bào PV không giống nhau hoặc các tế bào không hoạt động trong điều kiện bức xạ giống nhau nhƣ trƣờng hợp bóng che một phần.

Nếu mắc nối tiếp bị bóng che một phần, các tế bào PV nhận mức bức xạ thấp nhất là các tế bào có dòng điện ngắn mạch thấp nhất; khi dòng điện của PV khác cao hơn dòng ngắn mạch của các tế bào bị bóng che, thì tế ào đó sẽ hoạt động nhƣ một tải trong chuỗi nối tiếp. Do đó một phần công suất tạo ra bởi các tế bào khác bị tiêu tán làm nóng module dẫn đến tổn thất công suất, tăng nhiệt độ tế bào và gây ra những thiệt hại đáng kể, hiện tƣợng này đƣợc gọi là điểm nóng. Vấn đề này có thể hạn chế đƣợc bằng cách sử dụng diode mắc song song với các module PV. Tuy nhiên, các diode này không cho phép mảng PV tạo ra công suất tối đa dƣới điều kiện bóng che một phần.

Ngoài ra, chúng còn làm tăng độ phức tạp của MPPT do đã tạo ra nhiều cực trị địa phƣơng trong đặc tính P-V của mảng [29], [30].9 (a) cho thấy rằng mảng PV nhận đƣợc một bức xạ đồng đều, các diode bypass của mỗi chuỗi đều có xu hƣớng phân cực ngƣợc. Do đó, dòng điện trong PV chảy qua module PV và kết quả đƣờng cong P-V biểu diễn một MPP duy nhất. Tuy nhiên, trong điều kiện bóng che từng phần thể hiện trong hình 1.9 (b), chuỗi S1 nhận đƣợc mức bức xạ đồng đều, nhƣng chuỗi S2 có module bị bóng che. Có sự 10 khác biệt về điện áp giữa hai module của chuỗi S2, do đó dòng điện chạy qua diode bypass bỏ qua module bị bóng che của chuỗi S2.

Kết quả là đƣờng cong P-V cho S2 đƣợc đặc trƣng ởi hai điểm cực trị địa phƣơng. Có thể khẳng định rằng trong suốt quá trình bị bóng che một phần, việc kích hoạt các diode ypass đã iến đổi đƣờng cong P-V thành đƣờng cong phức tạp hơn - đặc trƣng ởi nhiều cực trị địa phƣơng. Đồ thị mối tƣơng quan P-V khi có hiện tƣợng óng che Các hình 1.