Tài liệu Tìm hiểu về giải thuật MPPT trong thiết kế năng lượng mặt trời nối lưới

Tìm hiểu về giải thuật MPPT trong thiết kế năng lượng mặt trời nối lưới Khi muốn đưa tấm năng lượng mặt trời nối lưới thì vấn đề đặt ra là làm sao để công suất đưa lên là cực đại? Vì ứng với mỗi điều kiện chiếu sáng khác nhau thì công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời lại khác nhau, vậy vấn đề đặt ra là phải có một thuật toán để tìm điểm cực đại này, thuật toán này gọi là MPPT (Maximun Power Point Tracking). Như vậy chúng ta sẽ phải có thêm bộ điều khiển tính toán giải thuật MPPT để tìm điểm cực đại. Một vấn đề rất quan trọng trong khi làm việc với năng lượng mặt trời đó là phải tận dụng tối đa nguồn năng lượng phát ra từ pin quang điện, do đó chúng ta sẽ tiến hành nghiên cứu và khảo sát tại điểm công suất phát ra cực đại. Vì nhiệt độ không gian xung quanh và cường độ chiếu sáng thường xuyên thay đổi. Điều đó có nghĩa là đặc tuyến PV thường xuyên thay đổi và điểm làm việc cho tải bất kỳ cũng thay đổi Nhà sản xuất cung cấp đường cong I-V cho mỗi PV. Hầu hết các đặc tuyến PV thì cường độ dòng điện Isc luôn luôn tỉ lệ độ chiếu nắng. Nghĩa là khi cường độ chiếu sáng thay đổi thì dòng Isc cũng thay đổi theo tỉ lệ I scI  I sc1 Sun  Insolation Insolation1 sun IscI : Dòng ngắn mạch tại vị trí cường độ nắng bất kỳ Isc1-Sun : Dòng ngắn mạch tại full Sun (1000W/m2) Insolation: Cường độ chiếu nắng bất kỳ Insolation1-sun: Cường độ chiếu nắng tại full sun Như vậy với mỗi đặc tính tải không đổi ( I = (1/R)V ) khi cường độ chiếu sáng thay đổi thì điểm làm việc cung thay đổi mà tại đó công suất sẽ không đạt được hiệu suất cao nhất. Để đạt được hiệu suất cao nhất thì ta phải điều chỉnh đặc tuyến I-V của PV thông qua bộ MPPT để đạt được điểm làm việc cực đại nghĩa là (Ipv.Vpv )max = I.V Đặc tuyến V-A với sự thay đổi của cường độ chiếu nắng Ta sẽ khảo sát 3 đặc tính tải : một động cơ Dc (Dc motor) , một acquy 12V, và MPPT. Đặc tuyến V-A và đặc tuyến của các loại tải - Với tải là động cơ DC ta có đặc tuyến I-V: V = I.R + k.  ( k.  =e). Lúc khởi động (  = 0) dòng và áp tăng nhanh sau đó sẽ tăng tuyến tính theo V=IR như hình vẽ. Và như vậy điểm hoạt động của động cơ sẽ là điểm giao giữa đặc tính I-V của động cơ với đăc tuyến I-V của PV với cường độ chiếu sáng thay đổi. Ta thấy rằng các điểm hoạt động nay không phải là điểm ứng với công suất cực đại mà PV phát ra. Tính toán công suất hoạt động của động cơ DC trong một ngày ứng với cường độ nắng thay đổi hàng giờ ta thấy công suất sẽ chỉ đạt khoảng 85% công suất phát ra của PV khi sử dụng bộ MPPT. - Với tải là acquy ta có đăc tuyến PV: V = VB + IR. Như vậy đặc tuyến của acquy là một đường thẳng và bằng (1/R). Hình Ắc quy và đặc tuyến của nó Khi acquy nạp thì thì điện áp cần cung cấp phải lớn hơn VB, trong quá trình nạp VB tăng lên do đó đặc tuyến I-V sẽ hơi nghiêng về bên phải và ngược lại khi acquy xả thì đặc tuyến hơi nghiêng về bên trái. Hình nạp và xả Ắcquy Như vậy tương tự như tải là động cơ DC các điểm làm việc cũng không đạt được điểm công suất mà PV phát ra.Tính toán công suất hoạt động của acquy trong một ngày ứng với cường độ nắng thay đổi hàng giờ ta thấy công suất sẽ chỉ đạt khoảng 83% công suất phát ra của PV khi sử dụng bộ MPPT. - Với tải có gắn bộ MPPT. MPPT thực chất là bộ Buck_Boost converter làm thay đổi đặc tuyến PV để tải hoạt động ở điểm công suất cực đại bằng cách thay đổi D (Vout = Vin x D/(1-D) ) theo phương trình cân bằng công suất Ipv.Vpv = I.V. Tính toán công suất hoạt động của MPPT trong một ngày ứng với cường độ nắng thay đổi hàng giờ ta thấy công suất đạt cao hơn đối với tải không sử dụng MPPT khoảng 15%. MPPT vs. với các tải không sử dụng MPPT MPPT với giải thuật P&O Đặc tính điện PV là phi tuyến, do đó để thu được công suất cực đại ta phải dùng hệ MPPT. Có nhiều hướng tiếp cận khác nhau, ở đây ta tiếp cận theo giải thuật P&O để thu được công suất cực đại. Giải thuật P&O là giải thuật tương đối cơ bản, đơn giản dễ áp dụng nhất do đó để bắt đầu ta dùng hệ MPPT theo giải thuật P&O là thuật toán được biết đến như là một thuật toán cơ bản và kinh điển nhất. Nó được gọi là thuật toán “hillclimbing”, dựa trên phần bên trái của đặc tuyến P-V : dP/dV > 0, và bên phải dP/dV <0. Tỷ số dP/dV với giải thuật P&O Ta mô phỏng bằng matlab_simulink thu được kết quả như sau: Sơ đồ mô phỏng giải thuật P&O Giải thuật P&O là giải thuật cơ bản, đơn giản và được áp dụng tương đối rộng rãi đối với hệ MPPT. Giải thuật P&O truyền thống có đáp ứng kém khi cường độ chiếu sáng của mặt trời thay đổi nhanh. Bởi thế ta có thể nghiên cứu tìm ra một giải pháp để tiến hành làm việc thích hợp hơn với sự thay đổi của Pin quang điện. Qua mô phỏng ta có kết quả như sau: Đồ thị I-P(trái), P-V (phải) Ta có thể thấy rằng trong điều kiện cường độ chiếu nắng thay đổi thì tại một vị trí điện áp max (thay đổi không đáng kể) công suất tăng lên (thay đồi nhiều) theo cường độ chiếu sáng, do đó giải thuật P&O không thể đáp ứng được trong trường hợp này, trong khi với đồ thị P-I thì khác, khi cường độ chiếu nắng thay đổi thì công suất max thay đổi đồng thời dòng I tại các vị trí max cũng thay đổi tương ứng. Do đó điều khiển công suất theo I ta sẽ dễ dàng tìm ra chính xác được các vị trí công suất cực đại đối với sự thay đổi của ánh nắng. Vì vậy ta có thể điều chỉnh tìm điểm MPPT theo dòng I. Mô phỏng bằng matlab_simulink ta có kết quả như sau: Mô hình MPPTIref TRẦN VĂN TIẾN - CPCIT