Giải thuật nâng cao hiệu suất pin mặt trời bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm

GIẢI THUẬT NÂNG CAO HIỆU SUẤT PIN MẶT TRỜI BẰNG PHƯƠNG

PHÁP MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

ALGORITHM FOR ENHACEMENT EFFICIENCY OF SOLAR CELL USING

SIMULATION AND EXPERIMENTAL

Nguyễn Văn Ngoãn

Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

TÓM TẮT

Năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nghiên cứu và phát triển nhằm giảm dần sự phụ

thuộc vào các nguồn năng lượng hoá thạch truyền thống. Sự phát triển của khoa học công nghệ,

cụ thể là công nghệ thông tin và công nghệ vật liệu cùng với những ưu điểm nổi bật được xem là

nguồn năng lượng vô tận, do đó năng lượng mặt trời hứa hẹn sẽ cạnh tranh với các nguồn năng

lượng truyền thống trong tương lai gần. Bên cạnh những ưu điểm kể trên, cũng có nhiều hạn chế

về hiệu suất làm việc do chịu ảnh hưởng bởi yếu tố ngẫu nhiên của thời tiết, …Vì vậy để cải thiện

hiệu suất làm việc của các tấm pin năng lượng mặt trời cần có các bộ biến đổi điện tử công suất

tích hợp các phương pháp điều khiển bắt công suất cực đại MPPT. Bài báo này trình bày kết quả

so sánh mô phỏng và thực nghiệm bộ chuyển đổi DC/DC để kiểm tra khả năng hoạt động thực tế

của các thuật toán so với lý thuyết.

Từ khóa: Hệ thống năng lượng mặt trời; bộ tăng áp; INC; P&O; MPPT...

ABSTRACT

Solar energy is increasingly gained attention to be researched and developed in place of

conventional fossil fuels. As an unlimited energy source, solar energy is a promising alternative

resource due to the development of science and technology in the coming years. However, there

are still some limitations of solar technology such as working efficiency and dependence on

uncertainties like irradiation parameters and ambient temperature. Hence, electronic power

converters need to be integrated with advanced control algorithms of maximum power point

tracking (MPPT) to improve the efficiency of solar panel. This paper presents comparisons

between experimental and simulation results of a DC/DC converter to verify the actual

performance of the proposed algorithms.

Keywords: Solar system; Boost Converter; INC; P&O; MPPT…

1. ĐẶT VẤN ĐỀ

MPPT

(Maximum

Power

Point

Tracking) là phương pháp dò tìm điểm làm

việc có công suất cực đại của hệ thống điện

mặt trời thông qua việc đóng mở khóa điện tử

của bộ biến đổi DC/DC. Phương pháp MPPT

được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống PV

làm việc độc lập và đang dần được áp dụng

trong hệ quang điện làm việc với lưới. Khi

một dàn PV được mắc trực tiếp vào một tải thì

điểm làm việc của dàn PV đó là giao điểm

giữa đường đặc tính làm việc I-V của PV và

đặc tính I-V của tải. Nếu tải là thuần trở thì

đường đặc tính tải là một đường thẳng với độ

dốc là 1/R tải.

Hình 1. Ðặc tính làm việc I-V của PV

và của tải (có thể thay dổi giá trị)

Từ đặc tính I -V cho thấy có một điểm gọi

là điểm công suất cực đại (MPP-maximum

power point), là diểm mà khi hệ thống hoạt

động tại điểm đó thì công suất ra của PV là

lớn nhất. Các yếu tố về thời tiết ảnh huởng rất

lớn tới hoạt động của PV. Trong dó, nhiệt độ

và cuờng độ bức xạ mặt trời là những yếu tố

tiêu biểu ảnh huởng mạnh nhất tới dặc tính I-

V dẫn tới sự thay dổi vị trí MPP của PV.

Trong hầu hết các ứng dụng nguời ta mong

muốn tối ưu hóa dòng công suất ra từ PV tới

tải. Ðể làm được điều đó đòi hỏi điểm hoạt

động của hệ thống phải duợc thiết lập tại diểm

MPP. Có nhiều thuật toán được nghiên cứu và

ứng dụng trong thực tế. Bài báo này giới thiệu

hai thuật toán P&O và INC; xây dựng thuật

toán, mô phỏng và so sánh hai thuật toán trong

điều khiển bám diểm công suất cực đại của

dàn PV.

Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng

điện:

Theo định luật Kirchhoff về điện thế:

Trong đó:

ID-dòng diện qua diode (A); Is- dòng điện

bão hòa của diode (A); q - diện tích của

electron (1,602.10^-19C); k - hằng số Boltzman

(1,381.10^-23J/K); T - nhiệt dộ lớp tiếp xúc

(K); n - hệ số lý tuởng của diode; VD - điện

áp diode (V); I -dòng diện ra của PV (A).

Từ các phương trình (2.1),(2.2),(2.3) suy ra

phương trình đặc tính I-V của một tế bào PV

2. MÔ TẢ TOÁN HỌC PIN MẶT TRỜI

Pin PV có mạch điện tương đương như

một diode mắc song song với một nguồn điện

quang sinh. Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin

PV có một trạng thái làm việc nhất định, dòng

điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái

làm việc. Do đó, trong mạch điện tương

đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn

định . Trên thực tế, trong quá trình chế tạo pin

PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau,

cũng có thể do bản thân vật liệu có một điện

trở suất nhất định. Vì vậy trong mạch điện

tương đương cần phải mắc thêm vào một điện

trở nối tiếp R và một điện trở song song R_sh

với tải R_l. Như vậy, mạch điện tương đương

của pin PV được thể hiện trên hình 2

Từ các phương trình (2.1), (2.2), (2.3), (2.4)

và từ sơ đồ tương đương của dàn PV ta có thể

xây dựng được mô hình mô phỏng của dàn PV

khi nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi như

hình 3.

Hình 2 Sơ đồ mạch điện tương đương của PV

Dòng điện qua diode:

Hình 3.a) Đường cong quan hệ I-V của PV

Hình 3.b) Đường cong quan hệ P-V của PV

Hình 4.b) Đường cong quan hệ P-V của PV

Hình 4.c) Đường cong quan hệ P-I của PV

Hình 3.c) Đường cong quan hệ P-I của PV

Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc

tính là không biết trước và nó luôn thay đổi

phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ.

Do đó, cần có một thuật toán để theo dõi điểm

MPP, thuật toán này chính là trái tim của bộ

điều khiển MPPT.

Hình 4. Đặc tính tương quan của PV khi nhiệt

độ thay đổi

3. CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN

MPPT

Cấu trúc của hệ thống MPPT điều khiểntheo

điện áp tham chiếu được trình bày như hình 5.

3.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát

P&O

Trong thuật toán này điện áp hoạt động

của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia

số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất,

ΔP được quan sát Hình 6 mô tả nguyên lý hoạt

động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra

Hình 4.a) Đường cong quan hệ I-V của PV

cách thức hoạt động của thuật toán như sau:

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di

chuyển theo hướng 1 (ΔP < 0 và ΔV < 0) thì

cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển

điểm hoạt động tới điểm MPP.

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di

chuyển theo hướng 2 (ΔP > 0 và ΔV > 0) thì

cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển

điểmhoạt động tới điểm MPP.

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di

chuyển theo hướng 3 (ΔP > 0 và ΔV < 0) thì

cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm

hoạt động tới điểm MPP.

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di

chuyển theo hướng 4 (ΔP < 0 và ΔV > 0) thì

cầngiảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm

hoạt động tới điểm MPP.

Hình 7. Lưu dồ thuật toán P&O điều khiển

thông qua điện áp tham chiếu Vref

Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng

điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch

∆P, ∆V và kiểm tra:

- Nếu ∆P. ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp

tham chiếu Vref.

- Nếu ∆P. ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp

tham chiếu Vref.

Hình 5 Cấu trúc diều khiển MPPT của dàn PV

Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho

giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo

các thông số I, V cho chu kỳ làm việc

tiếp theo.

3.2. Thuật toán điện dẫn gia tăng INC

Thuật toán INC dựa trên thực tế như sau:

- Độ dốc của đường cong công suất bằng

không tại điểm MPP

- Độ dốc dương ở bên trái điểm MPP.

- Độ dốc âm ở bên phải điểm MPP.

Đặc tính P-V và thuật toán INC được minh

hoạ trên hình 8.

Hình 6 Ðuờng dặc tính P-V và thuật toán

P&O

dP/dV = 0, tại MPP

dP/dV > 0, ở bên trái MPP

dP/dV < 0, ở bên phải MPP

Vì:

nên ta có thể viết lại là

∆/∆ = -I/V, tại MPP

∆/∆ > -I/V, ở bên trái MPP

∆/∆ < -I/V, ở bên phải MPP

Hình 9. Lưu đồ thuật toán INC điều khiển

thông qua điện áp tham chiếu Vref

- Khi điều kiện ΔI/ ΔV = - I/V được thỏa mãn

(chính là các điểm MPP) thì thuật toán này sẽ

bỏ qua việc điều chỉnh điện áp.

- Một kiểm tra quan trọng của thuật toán này

là phát hiện điều kiện của môi trường. Nếu

điểm hoạt động vẫn ở điểm MPP (điều kiện

ΔV= 0) và điều kiện bức xạ không thay đổi

(ΔI = 0) thì sẽ không phải điều chỉnh điện áp

hoạt động.

Hình 8. Ðuờng dặc tính P-V và thuật toán

INC

Lưu đồ thuật toán hình 9 giải thích sự hoạt

động của thuật toán INC điều khiển theo điện

áp tham chiếu. Các giá trị dòng điện và điện

áp của PV được đo và sau đó sử dụng các giá

trị tức thời và giá trị trước đó để tính toán các

giá trị gia tăng của ∆I và ∆V. Thuật toán sẽ

kiểm tra điều kiện của phương trình ở hình 9.

Nếu như bức xạ tăng (ΔI > 0) thì điện áp MPP

giảm nên thuật toán INC phải tăng điện áp

hoạt động để theo dõi điểm MPP. Nếu bức xạ

giảm (ΔI < 0) dẫn tới điện áp điểm MPP cao

hơn, phải giảm điện áp hoạt động để theo dõi

điểm MPP. Vào chu kỳ cuối, nó sẽ cập nhật

lịch sử bằng cách lưu các giá trị điện áp và

dòng điện hiện tại, sẽ sử dụng chúng như là

các giá trị trước đó cho chu kỳ tiếp theo.

- Nếu điểm hoạt động nằm phía bên tráiđiểm

MPP thì chúng ta phải di chuyển nósang bên

phải bằng cách tăng điện áp của PMT.

- Nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm

MPP thì chúng ta lại phải di chuyển nó sang

bên trái tức là phải giảm điện áp PMT.

4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG CÁC

THUẬT TOÁN MPPT

4.1. Kết quả mô phỏng MPPT với

thuật toán P&O và thuật toán INC

Từ kết quả mô phỏng từ hình14 đến 22, khi

cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi

trường thay đổi, cả hai thuật toán đều bám

được MPP với thời gian rất nhanh. Tuy nhiên,

MPPT làm việc với thuật toán INC tốt hơn so

với thuật toán P&O, công suất dàn PV trong

trường hợp sử dụng thuật toán INC bám sát

công suất cực đại (MPP) hơn, hay nói cách

khác phạm vi dao động quanh MPP nhỏ hơn

so với thuật toán P&O. Thuật toán INC trong

quá trình điều khiển MPPT, phản ứng nhanh

và chính xác hơn, đặc biệt là dòng điện và điện

áp của PV ổn định hơn khi sử dụng thuật toán

P&O. Vì vậy, việc sử dụng thuật toán INC

trong điều khiển MPPT của hệ thống PV cấp

điện độc lập là rất thích hợp, đảm bảo tính

cung cấp điện cho phụ tải tối ưu nhất, liên tục

và ổn định.

Hình 13. Sơ đồ mô hình mô phỏng hệ thống

bơm nước PV được đề xuất

Khi cường độ bức xạ mặt trời 700W/m2

Hình 14. Cường độ BXMT cấp cho dãy PV

500 W/m2

Hình 10. Mô hình mạch điều khiển hệ thống

pin về điểm làm việc MPP

Hình 11. Nguyên lý làm việc của bộ điều

khiển MPPT

Hình 15. Điện áp trên tụ DC khi BXMT đạt

500W/m2

Đồ thị điện áp trên tụ DC trong trường hợp

bức xạ mặt trời đạt 500 W/m2 được thể hiện

qua Hình 15. Qua hình 15 có thể thấy sau quá

trình quá độ thì giá trị điện áp được giữ ổn

định tại giá trị điện áp danh định 400 Vdc.

Điều này cho thấy giải thuật cân bằng công

suất giữa nguồn phát điện PV và công suất

tiêu thụ trên các động cơ có chất lượng tốt.

Hình 12. Mô hình bộ điều khiển động cơ

Hình 16. Vận tốc động cơ khi BXMT đạt

500W/m2

Hình 18. Vận tốc động cơ khi BXMT đạt

700W/m2

Vận tốc quay rotor của động cơ bơm nước khi

bức xạ mặt trời đạt 500 W/m2 được thể hiện

qua Hình 16. Sau khoảng thời gian ngắn nạp

năng lượng cho hệ thống điện từ hệ thống pin

năng lượng mặt trời, động cơ được khởi động

và nhanh chóng đạt được vận tốc lý tưởng để

cân bằng với công suất thu được từ hệ thống

pin quang điện. Sau quá trình quá độ ngắn thi

vận tốc động cơ được giữ ổn định trong suốt

thời gian mô phỏng

Cường độ bức xạ mặt trời chiếu vào hệ thống

pin trong suốt thời gian mô phỏng. Qua hình

có thể nhận thấy cường độ bức xạ mặt trời

được giữ tại giá trị 700 W/m2 trong suốt thời

gian mô phỏng.

Đồ thị điện áp trên tụ DC trong trường hợp

bức xạ mặt trời đạt 700 W/m2 được thể hiện

qua Hình 17. Qua hình có thể thấy sau quá

trình quá độ thì giá trị điện áp được giữ ổn

định tại giá trị điện áp danh định 400 Vdc.

Điều này cho thấy giải thuật cân bằng công

suất giữa nguồn phát điện PV và công suất

tiêu thụ trên các động cơ có chất lượng tốt.

Khi cường độ bức xạ mặt trời 700W/m2

Vận tốc quay rotor của động cơ bơm nước khi

bức xạ mặt trời đạt 700 W/m2 được thể hiện

qua Hình 18. Sau khoảng thời gian ngắn nạp

năng lượng cho hệ thống điện từ hệ thống pin

năng lượng mặt trời, động cơ được khởi động

và nhanh chóng đạt được vận tốc lý tưởng để

cân bằng với công suất thu được từ hệ thống

pin quang điện. Sau quá trình quá độ ngắn thi

vận tốc động cơ được giữ ổn định trong suốt

thời gian mô phỏng.

Tương ứng với cường độ bức xạ chiếu vào

tấm pin mặt trời, công suất điện từ pin mặt trời

được thể hiện. Qua dạng sóng công suất thu

được có thể thấy giải thuật dò điển MPP có

hiệu quả tốt khi công suất ngõ ra không thay

đổi sau quá trình quá độ hệ thống ban đầu.

Hình 17. Điện áp trên tụ DC khi BXMT đạt

700W/m2

Khi cường độ bức xạ mặt trời 1000W/m2

Hình 19. Cường độ BXMT cấp cho dãy PV

Hình 21. Điện áp trên tụ DC khi BXMT đạt

1000W/m2

Hình 20. Công suất thu được từ dãy PV khi

BXMT đạt 1000W/m2

Hình 22. Vận tốc động cơ khi BXMT đạt

1000W/m2

Đồ thị điện áp trên tụ DC trong trường hợp

bức xạ mặt trời đạt 1000 W/m2 được thể hiện

qua Hình 21. Qua hình có thể thấy sau quá

trình quá độ thì giá trị điện áp được giữ ổn

định tại giá trị điện áp danh định 400 Vdc.

Điều này cho thấy giải thuật cân bằng công

suất giữa nguồn phát điện PV và công suất

tiêu thụ trên các động cơ có chất lượng tốt.

Vận tốc quay rotor của động cơ bơm nước khi

bức xạ mặt trời đạt 1000 W/m2 được thể hiện

qua Hình 22. Sau khoảng thời gian ngắn nạp

năng lượng cho hệ thống điện từ hệ thống pin

năng lượng mặt trời, động cơ được khởi động

và nhanh chóng đạt được vận tốc lý tưởng để

cân bằng với công suất thu được từ hệ thống

pin quang điện. Sau quá trình quá độ ngắn thi

vận tốc động cơ được giữ ổn định trong suốt

thời gian mô phỏng.

5. KẾT LUẬN

Bài báo đã xây dựng được mô hình mô phỏng

của dàn PV, khảo sát được sự ảnh hưởng của

cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ đến công

suất phát của dàn PV.

Trong hệ thống PV, người ta luôn mong muốn

cho dù ở bất kỳ điều kiện thời tiết như thế nào,

dòng công suất phát từ dàn PV tới tải luôn là

cực đại, đó là mục tiêu của bài toán điều khiển

MPPT. Qua đó, bài báo giới thiệu hai thuật

toán INC và P&O áp dụng trong điều khiển

MPPT của dàn PV. Mô phỏng được hai thuật

toán MPPT trong ở điều kiện thời tiết thay đổi

thường gặp trong thực tế để thấy được ưu,

nhược điểm của từng phương pháp. Dựa trên

kết quả mô phỏng ở hình 16, 17 và hình 22,

23 cho thấy, cả hai phương pháp MPPT đều

hoạt động tốt khi điều kiện thời tiết thay đổi

đột ngột, phản ứng bám điểm công suất cực

đại với thời gian rất nhanh, độ quá điều chỉnh

rất nhỏ. Tuy nhiên, thuật toán INC có ưu điểm

hơn thuật toán P&O chẳng hạn như: dao động

quanh điểm công suất cực đại hẹp và ít hơn

thuật toán P&O; giảm thiểu được hao tổn công

suất phát do dao động quanh điểm công suất

cực đại ít hơn thuật toán P&O. Vì vậy, việc áp

dụng thuật toán INC trong điều khiển MPPT

sẽ cho hiệu quả tốt hơn thuật toán P&O.

Generator,” Int. J. Electr. Comput.

Energ. Electron. Commun. Eng., vol. 7,

no. 8, pp. 150–155, 2013.

W. R. Anis and M. A. Nour, “Optimum design

of a photovoltaic powered pumping

system,” Energy Convers. Manag., vol.

35, no. 12, pp. 1123–1130, Dec. 1994.

A. Cota, Ro. Foster, and M. Ghassemi, Solar

Energy: Renewable Energy and the

Environment. 2010.

K. B. Rohit, G. M. Karve, and Khatri, “Solar

Water Pumping system,” Int. J. Emerg.

Technol. Adv. Eng., vol. 3, no. 7, pp.

323–337, 2013.

R. Foster and A. Cota, “Solar water pumping

advances and comparative economics,”

Energy Procedia, vol. 57, pp. 1431–

1436, 2014.

M. Nabil, S. M. Allam, and E. M. Rashad,

“Performance improvement of

a

photovoltaic pumping system using a

synchronous reluctance motor,” Electr.

Power Components Syst., vol. 41, no. 4,

pp. 447–464, 2013.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Q. Kou, S. A. Klein, and W. A. Beckman, “A

method for estimating the long-term

performance of direct-coupled PV

pumping systems,” Sol. Energy, vol. 64,

no. 1–3, pp. 33–40, 1998.

Đặng Đình Thống (2008), Pin Mặt Trời Và

Ứng Dụng, Nhà Xuất Bản Khoa Học

Kỹ Thuật,152 trang

S. Abouda, F. Nollet, A. Chaari, N.

Essounbouli, and Y. Koubaa, “Direct

Torque Control - DTC of Induction

Motor Used for Piloting a Centrifugal

Pump Supplied by a Photovoltaic

V. R. Bharambe, “Implementation of P & O

MPPT for PV System with using Buck

and Buck-Boost Converters,” pp. 5–10,

2015.

T. P. Sahu and T. V. Dixit, “Modelling and

analysis of perturb and observe and

incremental

conductance

MPPT

algorithm for PV array using Ċuk

converter,” 2014 IEEE Students’

Conference on Electrical, Electronics

and Computer Science, SCEECS 2014.

2014.

Thông tin liên hệ tác giả chính:

Họ và tên: Nguyễn Văn Ngoãn

Đơn vị: Học viên Thạc Sĩ, Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM

Điện thoại: 0909435000

Email: [email protected]

Hướng Nghiên cứu chính: Hệ Thống Điện Năng Lượng Mặt Trời