Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt
NGHIÊN CỨU VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC TĂNG ÁP ỨNG
DỤNG CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT
RESEARCH AND CONTROL BOOST DC/DC CONVERTERS FOR SOLAR
CELL APPLICATIONS
Trần Văn Diễn
Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Ngày nay, nhu cầu sử dụng năng lượng, đặc biệt là điện năng ngày càng cao. Trong các
nguồn năng lượng con người đã và đang sử dụng, những nguồn năng lượng về sức gió, thủy
triều, năng lượng mặt trời là những nguồn năng lượng sạch đáng lưu tâm nhất. Các nguồn năng
lượng sức gió hay thủy triều thường có yêu cầu vị trí lắp đặt và công suất lớn. Ngược lại, năng
lượng mặt trời(PV) có thể lắp đặt hầu hết tất cả các nơi và các dải công suất. Hiệu suất làm việc
của các tấm pin năng lượng mặt trời không ổn định do thời tiết, khí hậu, thời gian sáng tối,
cường độ bức xạ…. Bài báo “ Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp ứng dụng
cho pin năng lượng mặt trời ” đề xuất phương pháp nhằm nâng cao hiệu suất pin năng lượng
mặt trời trong điều kiện không ổn định.
Ở đây tác giả chọn phương pháp nghiên cứu khảo sát bộ biến đổi DC/DC tăng áp(Boost
DC/DC) để tìm phương trình toán học và phân tích thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O dò
tìm điểm công suất cực đại MPPT để điều khiển bộ Boost DC/DC. Dùng mô phỏng Matlab để
kiểm chứng.
Thông qua mô phỏng Matlab pin năng lượng mặt trời kết hợp bộ biến đổi DC/DC tăng áp sử
dụng MPPT và biến đổi DC/DC tăng áp không sử dụng MPPT ta thu được kết quả là bộ Boost
DC/DC sử dụng MPPT hiệu suất chuyển đổi đổi năng lượng cao hơn.
Kết quả nghiên cứu được sử dụng làm tài liệu tham khảo cho các công trình nghiên cứu và
xây dựng hệ thống điện mặt thực tiển trong cuộc sống.
ABSTRACT
Today, the demand for energy, especially electricity, is increasing day by day. Among the
energy sources that humans have been using, the wind, tidal and solar energy sources are the
most noticeable clean energy sources. Wind or tidal power sources often require large
installation sites and capacity. In contrast, solar can be installed in almost all places and power
ranges. The performance of solar panels is unstable due to weather, climate, light and dark time,
radiation intensity.... The article "Research and control of booster DC / DC converters for solar
cell applications" proposes a method to improve the performance of solar cells in unstable
conditions.
The author chooses a research method to survey the booster DC / DC converter (Boost DC /
DC) to find mathematical equations and analyze turbulence algorithms and observe P&O to
find the maximum power point MPPT to control Boost DC / DC. Use Matlab simulation to
verify.
Through Matlab simulation, the solar cell combining MPPT DC / DC converter and MPPT
DC / DC converter without MPPT results in Boost DC / DC using MPPT effect. higher
conversion power.
The research results are used as a reference for researches and constructions of practical
solar power system in life.
Keywords:
DC
Direct Current
MPPT
P&O
Maximum Power Point Tracking
Perturbation and Observation
1
q: Điện tích của điện tử (C).
1. GIỚI THIỆU:
Bài báo tập trung nghiên cứu bộ biến đổi
Hình 1 cho ta thấy ba điểm quan trọng trên
Boost DC/DC ứng dụng cho pin năng lượng đường đặc trưng này:
mặt trời.
Dòng ngắn mạch Isc
Nhằm sử dụng tối ưu hoá pin mặt trời thì
cần có giải pháp điều khiển Boost DC/DC thích
hợp đó là sử dụng bộ Boost kèm theo giải thuật
Điện áp hở mạch Voc
Điểm công suất cực đại PM
tìm kiếm đổi công suất cực đại MPPT để điều
khiển khoa Q của của bộ biến DC/DC tăng áp
bằng phân tích thuật toán nhiễu loạn và quan
sát P&O điều trực tiếp chu kỳ D.
2.1.1. Dòng ngắn mạch 퐈퐬퐜:
Đặt giá trị V = 0 vào biểu thức (1) ta có:
푞푅
퐼
푠
푆퐶
푅푠퐼푆퐶
푛퐾푇
(2)
퐼푆퐶
=
퐼푝ℎ − 퐼푠 [푒푥푞
− 1] −
푅푠ℎ
2. TỔNG QUAN PIN NĂNG LƯỢNG
Bỏ qua RS và Id = 0 và do đó ta có:
퐼푆퐶 = 퐼푝ℎ 훼퐸.
MẶT TRỜI:
=
2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời:
Khi được chiếu sáng, nếu ta nối các bán
dẫn p và n của một tiếp xúc p-n bằng một dây
dẫn, thì pin mặt Trời phát ra một dòng quang
điện Iph. Vì vậy trước hết pin mặt Trời có thể
xem tương đương như một “nguồn dòng”.
Hình 2. Đặc tính V-A và công suất – điện
áp của pin mặt trời với cường độ sáng khác
nhau (Pin mặt trời 225 W của hãng SHARP)
2.1.2. Điện áp hở mạch 퐕퐨퐜:
푞푉
푐0
푛퐾푇
푉퐶푂 = 퐼푝ℎ − 퐼푠 [푒푥푞
− 1]
Hình 1b. Sơ đồ tương Hình 1b. Đường đặc
푞푉
푐표
đương của pin mặt
trời
trưng theo độ chiếu
sáng của pin mặt trời
푛퐾푇
= 퐼푝ℎ − 퐼푠 [푒푥푞
− 1] + 퐼푠
푞푉
푐표
푛퐾푇
→ 퐼푝ℎ + 퐼푠 = 퐼푠 [푒푥푞
− 1]
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết
được những phương trình đặc trưng Volt –
Ampere của pin mặt trời như sau:
퐼푝ℎ + 퐼푠
푛 퐾푇
(3)
→ 푉퐶푂
=
푙푛
푞
퐼푠
Trong biểu thức của 푉 ta thấy nó phụ
푐표
퐼 = 퐼∅ − 퐼푑 − 퐼푠ℎ
thuộc vào nhiệt độ một cách trực tiếp (thừa số
T ở trước biểu thức) và gián tiếp qua dòng bão
hòa 퐼푠 (hình 3)
(
)
푞 푉+ 푅 퐼
푠
푉 + 푅푠퐼
푛퐾푇
= 퐼∅ − 퐼푠 [푒푥푞
− 1] −
(1)
푅푠ℎ
Trong đó:
I∅: Dòng quang điện (A/m2).
Id: Dòng qua diot (A/m2).
Ish: Dòng dò (A/m2).
Is:
Dòng bão hòa (A/m2).
Được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc
n:
vào các mức độ hoàn thiện công nghệ pin mặt
Trời. Gần đúng có thể lấy n = 1.
Rs: Điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin
mặt Trời (Ω/m2).
Hình 3. Đặc tính V-A của pin mặt trời với
nhiệt độ khác nhau
Rsh: Điện trở shun (Ω/m2).
2
2.1.3. Điểm công suất cực đại 퐏퐌:
PV cell
I
+
Với các giá trị R khác nhau, các điểm làm
việc sẽ khác nhau và do đó tải tiêu thụ cũng
khác nhau. Tồn tại một giá trị R = ROPT mà
tại đó công suất tải tiêu thụ là cực đại. Điểm
làm việc ứng với công suất cực đại là điểm
tiếp xúc giữa đường đặc tính VA của pin mặt
trời và đường công suất không đổi (đường
công suất không đổi IV = const là các đường
hypecbol).
R
S
I
d
R
P
I
SC
LOAD
I
SC
-
Hình 5. Sơ đồ tương đương của pin quang
điện
Phương trình mô tả đặc tính pin quang
điện [10]
푣+푖푅
푠
퐼 = 퐼푠푐 − (푒 푛 푉 − 1) − 푣+ꢀ푅
푠
푠
푡
(7)
푅
푃
Trong đó:
퐼푠푐 : Dòng ngắn mạch
퐼0 : Dòng ngược bão hòa
푅푠 : Điện trở nối tiếp
푅푃 : Điện trở song song đặc trưng cho dòng
rò của tế bào quang điện
Hình 4. Điểm làm việc và điểm công suất
cực đại
퐴 :
Hệ số chất lượng của Diode
Giá trị điện trở tải tối ưu ROPT được xác
định theo định luật Ohm:
푉 :
푡
Ngưỡng điện áp nhiệt của Diode, với
퐴푘푇
푠푡푐
푉푂푃푇
푉 =
푡
(4)
푞
푅푂푃푇
=
퐼푂푃푇
푘 : Hằng số Boltzmann
푞 : Điện tích electron
Nếu điện trở tải nhỏ, R <<ROPT, pin mặt
trời làm việc trong miền MN là miền mà cường
độ dòng điện gần như không đổi và gần bằng
dòng đoản mạch Isc.
푛푠 : Số cell nối tiếp của tấm pin
푇 : Nhiệt độ tại điều kiện thử nghiệm tiêu
푠푡푐
chuẩn STC
Nếu điện trở tải R lớn, R >>ROPT, pin mặt
Trời làm việc trong miền PS với hiệu điện thế
gần như không đổi và bằng thế hở mạch VOC.
Cường độ chiếu sáng ảnh hưởng nhiều đến
dòng quang điện theo công thức:
(8)
( )
퐼푠푐 퐺 = 퐼푠푐퐺
2.1.4. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng:
Là tỷ lệ phần trăm năng lượng photon đã
chuyển hóa thành điện năng khi pin được nối
với tải trên năng lượng photon thu vào (5).
Nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến điện áp hở
mạch và dòng ngắn mạch theo công thức:
( )
푉 푇 = 푉 + 푘푣(푇 − 푇 )
푠푡푐
표푐
표푐
(9)
{
푃
푚푎푥
( )
퐼푠푐 푇 = 푉 + 푘ꢀ(푇 − 푇
)
푠푐
푠푡푐
ɳ =
(5)
퐸. 퐴
Nhiệt độ T là nhiệt độ của tấm pin và được
tính theo điểm làm việc thông thường của pin
quang điện (NOCT), khi đó:
Với: E (W/m2): cường độ bức xạ tới.
A (m²): diện tích bề mặt của pin.
Thừa số lấp đầy Kf (Fill factor) (6).
푇푁푂퐶푇 − 20
푇 = 푇
+
퐺
(10)
푎푚푝
0,8
푃
푚푎푥
(6)
퐾 =
푓
Trong đó:
: Nhiệt độ môi trường
푉퐶푂퐼푆퐶
푇
Các thông số quang điện hóa gồm dòng
ngắn mạch ISC, thế mạch hở VOC, và công
suất cực đại Pmax được xác định từ đường
đặc trưng V-A.
푎푚푝
푇푁푂퐶푇 : Nhiệt độ tấm pin tại điều kiện NOCT
Tại điều kiện NOCT, cường độ chiếu sáng
퐺푁푂퐶푇 = 0,8 푘푊/푚2 và nhiệt độ môi trường
푇푎푚푝푁푂퐶푇 = 200퐶.
2.2. Chọn công suất pin quang điện:
2.2.1. Khảo sát pin quang điện:
3
Sử dụng Simulink/Matlab có hỗ trợ mô
phỏng mô hình pin quang điện, ta chỉ cần khai
báo hai thông số đó là cường độ chiếu sáng G
và nhiệt độ tấm pin T.
Bảng 1. Thông số pin quang điện NA42117
của Bosch [13]
TÊN THÔNG SỐ
GIÁ TRỊ
Công suất định mức tại STC (P STC
)
250 W
Điện áp MPP (Vmpp)
Dòng điện MPP (Impp)
Điện áp hở mạch (Voc)
30.31 V
8.14 A
37.80 V
Cường độ dòng điện ngắn mạch (Isc)
Hệ số nhiệt độ của công suất (Pmax)
Hệ số nhiệt độ của điện áp (Voc)
8.72 A
-0.44 %/ °C
-0.31 %/ °C
Hệ số nhiệt độ của cường độ dòng điện 0.031 %/ °C
Hình 6. Mô hình pin quang điện trong Matlab
Nhiệt độ NOCT
48.4°C
182 W
2018b
Công suất NOCT (PNOCT
Hiệu suất tổng thể
Kích thước hai chiều
Khối lượng
)
2.2.2. Chọn công suất sơ bộ pin mặt trời:
14.91%
1.66m x 0.99 m
21 kg
Ở đây để tiện cho việc mô phỏng bài báo
sẽ chọn công suất tải là 1100W thì công suất
pin quang điện phải tương ứng là 1250W.
Chọn module pin Bosch Solar Energy c-Si
M60 NA42117 250W , số lượng pin quang
điện là 5 tấm được mắc nối tiếp với nhau được
đo đạt tại công suất cực đại.
Điện áp tối đa của module
600 V
Dòng định mức của cầu chì bảo vệ
15 A
Dung sai (-/+)
-0% / +10%
Đặc tuyến của một tấm pin quang điện
250W nhà sản suất cho
Hình 8. Đặc tuyến I – V Hình 9. Đặc tuyến P –V
Hình 7. Tấm pin quang điện NA42117 của Bosch
Hình 9. Thông số pin quang điện lấy ra từ
Matlab/simulink
Đặc tuyến P-V khi ta ghép nối với nhau để
lấy năng lượng đưa vào hệ thống. Đặc tuyến
của 5 tấm pin quang điện mắc nối tiếp ở nhiệt
độ 25oC và cường độ chiếu nắng 1000W/m2.
4
Giả thiết: nhiệt độ trung bình cả ngày, cả
năm là 30oC. Sử dụng mô hình Matlab, ta tính
được công suất tương ứng thu được của tấm
pin quang điện.
Bảng 3. Cường độ chiếu sáng mặt trời theo giờ
Hình 10. Đặc tuyến của 5 tấm pin quang
điện mắc nối tiếp ở nhiệt độ 25oC
Công suất pin quang điện đo được ở vị trí
lớn nhất là 1250 W. Như vậy hệ thống lựu
chọn là đạt yêu cầu.
800
Cường độ chiếu sáng
700
Số liệu này được thu thập bằng cách truy
cập trang web [12] của Nasa, nhập tọa độ khu
vực khảo sát.
600
500
400
300
200
100
0
Bảng 2. Cường độ chiếu sáng mặt trời các
tháng trong năm (W/m2)
0
2
4
6
8
10 12 14 16 18 20 22
Hình 12. Đồ thị cường độ chiếu sáng tại các
thời điểm trong ngày (tháng 1)
Bảng 4. Công suất mặt trời ứng với các cường
độ chiếu sáng theo giờ
3. BỘ BIẾN ĐỔI DC/DC VÀ GIẢI THUẬT
ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI:
3.1. Bộ biến đổi DC – DC:
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng
trong hệ PV gồm:
Bộ giảm áp (Buck)
Bộ tăng áp (Boost)
Bộ đảo dấu điện áp (Buck – boost)
Bộ biến đổi tăng – giảm áp Cúk
3.1.1. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
mạch Boost:
D
L
_
+
iL(t)
vL(t)
+
iC(t)
C
Q1
Rt
1
2
giờ
6
3
0
7
4
5
6
2
9
7
3
8
9
10 11 12
5
+
_
Vg
Vo
_
1
8
4
10 11 12
Hình 13. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Hình 11. Cường độ chiếu sáng mặt trời các
tháng trong năm
5
Dạng dòng điện iL(t) và điện áp ra Vo(t)
Phương trình cân bằng điện áp:
푉 − 푉 = 퐿 퐼 −퐼
được mô tả như hình 14 sau đây:
2
1
푔
0
푇
표푓푓
hay 푉 − 푉 = 퐿 푇2∆퐼
(15)
(16)
(17)
퐿
0
푔
표푓푓
Dòng điện qua tụ:
2∆푉
푉
0
0
푖퐶 = 퐶
Từ đó ta rút ra
∆퐼퐿 =
= 퐼퐿 −
푇표푓푓
푅푡
(푉0 − 푉 )푇표푓푓
푔
2퐿
Hình 14. Dạng dòng điện qua cuộn cảm và
điện áp trên tải
Cân bằng ∆퐼퐿 ở biểu thức (12) và (17)
suy ra:
Trong khoảng thời gian Ton: van Q1 dẫn và
diode D khóa, chiều dòng điện iL(t) qua cuộn
cảm và iC(t) qua tụ điện như hình 15
푉 푇
(푉0 − 푉 )푇표푓푓
푔 표푛
푔
=
2퐿
2퐿
(18)
푇
표푛
Với D =
, thay vào (18) ta được:
L
푇
표푛
+푇
표푓푓
_
iL(t)
vL(t)
+
+
푉
푔
iC(t)
C
푉 =
0
(19)
1 − 퐷
+
_
Vg
Rt
Vo
_
Giả sử tổn thất của mạch bằng 0, lúc này:
푉 퐼 = 푉 퐼
푔 퐿
0 0
(20)
Hình 15. Mạch tương đương khi Q1 dẫn và
Từ (19) và (20) ta có:
diode D khóa
퐼0
퐼퐿 =
Điện áp nguồn được biểu diễn:
(21)
(22)
1 − 퐷
(
)
퐿 퐼2 − 퐼1
2퐿∆퐼퐿
Từ (12) và (14) suy ra:
푉 =
푔
=
(11)
푉 푇
푉 푇 퐷 푉 푇퐷
푔 표푛
푉 퐷
푇
표푛
푇
표푛
푔 표푛
푔
푔
퐿 =
=
=
=
2∆퐼퐿
2퐷∆퐼퐿
2∆퐼퐿 2푓 ∆퐼퐿
Suy ra:
푠
푉 푇
푔 표푛
∆퐼퐿 =
(12)
(13)
푉0푇표푛퐷
푉0푇퐷
푉0퐷
2퐿
퐶 =
=
=
(23)
2푅푡∆푉
2푅푡∆푉0 2푓 푅푡∆푉0
Dòng điện qua tụ điện:
0
푠
−∆푉
−푉
푖퐶 = 퐶 푉 −푉 = 퐶
=
1
2
0
0
Trong đó: 푓 là tần số đóng cắt
푠
푇
푇
표푛
푅
푡
표푛
Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra
của các bộ biến đổi là điều chỉnh tần số đóng
mở van Q1.
Suy ra:
푉 푇
0 표푛
퐶 =
(14)
2푅푡∆푉
3.1.2. Tính toán bộ biến đổi Boost:
0
Trong khoảng thời gian Toff : van Q1 khóa
và diode D dẫn, chiều dòng điện iL(t) qua cuộn
cảm và iC(t) qua tụ điện như hình 16
Sử dụng thông số của pin mặt trời ở bảng
1 thông số pin quang điện NA42117 của
Bosch có những thông số cơ bản đo như sau,
PPV = 250 W
VOC = 37.80 V
ISC = 8.72A
L
VMPP = 30.11V
IMPP = 8.14 A
_
+
vL(t)
iL(t)
+
iC(t)
C
Trong mạch ta sử dụng 5 tấm pin mặt trời
mắt nối tiếp nhau, lúc đó các thông số của hệ
thống pin như sau:
+
_
Vg
Vo
_
Rt
IMPP = IMPP = 8.14 A
VMPP ht = nVMPP = 5 x 30.31 = 155.55 V
Pht = nPPV = 5 x 250 = 1250 W
Hình 16. Mạch tương đương khi Q1 khóa và
diode D dẩn
6
Các yêu cầu thiết kế là điện áp ra tải
Vo=310V, dao động dòng điện trên cuộn cảm,
tần số đóng cắt fs = 50kHz. Giả sử bộ biến đổi
là lý tưởng, suy ra:
Bảng thông số thiết kế mạch DC/DC
Bảng 5. Bảng thông số thiết kế mạch DC/DC
L [H]
C [F]
Q1 (Mostfet)
D
Công suất: Pin = P0 = 1250 W
9.8446x10-4 6.3x10-6
IRF460N
DO47
2
2
V
310
0
Điện trở tải: Rt =
=
= 76.88
(Imax=19A -
(Imax=10A -
P
0
1250
Vmax=500V) Vmax=1000V)
Dòng điện qua cuộn cảm:
P
1250
in
IL
=
=
= 8.036 A
155.55
V
in
3.2. Giải thuật điều khiển công suất cực đại
MPPT và thuật toán bám điểm công suất
cực đại P&O điều khiển trực tiếp D:
Hệ số đóng cắt của van đóng cắt:
V
155.55
in
D = 1 −
= 1 −
= 0.4984
V0
310
3.2.1. Giải thuật điều khiển công suất cực
đại MPPT:
Chọn độ dao động dòng điện trên cuộn
cảm:
Điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP
định trên đường đặc tính I – V luôn thay đổi
dưới điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ
thay đổi. Chẳng hạn, hình 17 thể hiện đường
đặc tính làm việc I – V ở những mức cường độ
bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị
nhiệt độ (25oC) và hình 18 thể hiện các đường
đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ
bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần.
∆퐼퐿 = 10%퐼퐿 = 0.1 × 7.875 = 0.7875 A
Tính toán tụ lọc đầu ra:
Chọn độ dao động điện áp:
∆V0 = 1%V0 = 0.01 × 310 = 3.1V
Giá trị tụ lọc đầu ra tính theo biểu thức (23):
푉 퐷
0
퐶 =
2푓 푅푡∆푉
푠
0
310 × 0.4984
2 × 50 × 103 × 78.4489 × 3.1
= 6.3 × 10−6
=
퐹
Chọn giá trị điện dung của tụ: C = 6.3 μF
và chịu được điện áp 310V.
Chọn van bán dẫn
Chọn van đóng cắt là MOSFET tần số cao,
dòng IL= 8.036A nên chọn MOSFET
IRF460N có thể chịu được dòng tối đa là
19A, điện áp tối đa là 500V.
Hình 17. Đặc tính làm việc của pin khi cường
độ bức xạ thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Chọn loại diode tần số cao DO47 chịu được
dòng 10A và áp 1000V.
Giá trị cuộn cảm được tính theo công thức
(22)
푉 퐷
155.55×0.4984
푔
퐿 =
=
3
2푓 ∆퐼
푠
2×50×10 ×0.7875
퐿
= 9.8446 × 10−4
퐻
Hình 18. Đặc tính làm việc I – V của pin khi
nhiệt độ thay đổi ở cùng một mức cường độ
bức xạ
7
3.2.2. Thuật toán bám điểm công suất cực
đại P&O điều khiển trực tiếp D:
Vmpp: Điện áp tại điểm MMP
Impp: Dòng điện tại điểm MMP
Câu trúc như hình 19, bộ điều khiển gồm:
Thuật toán MPPT điều khiển D và bộ tạo xung
PWM. Bộ điều khiển lấy tín hiệu áp và dòng
đưa vào thuật toán để điều khiển D cho bộ
biến đổi DC/DC.
Nguyên lý hoạt động được mô tả thông
qua đồ thị hình 3.9a và hình 3.9b
21a. Đặc tính P – V 21b. Đặc tính I - V
Hình 21. Mô tả thuật toán P&O điều khiển
trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Từ hình 21 ta suy ra được lưu đồ thuật
toán như hình 22.
Bắt đầu
P&O
Hình 19. Pin mặt trời với thuật toán P&O điều
khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D
Đo V(k), I(k)
Xét tải thuần trở nên đường đặc tính tải là
một đường thẳng với độ dốc là 1/R. Giả sử có
3 giá trị của tải là R1, R2, R3 thì 3 đường đặc
tính I-V tương ứng sẽ có độ dốc lần lượt là
1/R1, 1/R2,1/R3. Trong số đó chỉ có đường đặc
tính tải tương ứng R2 là cắt đường đặc tính I-V
của PMT tại điểm MPP như hình 20
P(k) = V(k).I(k)
ΔP = P(k) - P(k-1)
ΔV = V(k) - V(k-1)
S
Đ
ΔP >0
Đ
Đ
ΔV > 0
ΔV > 0
I [A]
S
S
1/R1
D = D + ΔD
D = D - ΔD
D = D + ΔD
D = D - ΔD
MPP
1/R2
Impp
V(k-1) = V(k)
P(k-1) = P(k)
1/R3
Hình 22. Lưu đồ giải thuật P&O
0
Vmpp
V [V]
4. MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI BOOST
KÈM GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI MPPT
Hình 20. Đặc tính làm việc của pin mặt trời và
của tải
4.1. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và
bộ biến đổi Boost không dùng giải thuật
MPPT:
Như vậy ứng với tải có giá trị R2 thì pin
quang điện sẽ làm việc tại điểm có công suất
cực đại MPP, tuy nhiên điều này chỉ xảy ra
một cách hết sức ngẫu nhiên. Khi điều kiện
thời tiết thay đổi hoặc tải biến động, bộ MPPT
sẽ làm việc để luôn bám điểm MPP dựa theo
nguyên lý dung hợp tải. Khi pin quang điện
mắc trực tiếp với tải thì điểm làm việc sẽ do
đặc tính tải xác định, khi giá trị của tải khớp
với giá trị RMPP thì công suất truyền từ PMT
đến tải sẽ là lớn nhất. Công thức tính RMPP
(24)
Áp dụng các công thức và cách mô phỏng
trong bài báo [10], ta xây dựng mô hình mô
phỏng hệ thống ở hình 23. Bộ băm xung áp
được sử dụng để đưa vào đóng cắt Mosfet
được trình bày ở hình 24, toàn bộ mô hình mô
phỏng pin quang điện và bộ biến đổi Boost
được trình bày ở hình 23.
푉푀푃푃
(24)
푅푀푃푃
=
퐼푀푃푃
Trong đó:
Rmpp: Điện trở tương ứng tại điểm MMP
8
Hình 26. Điện áp đầu ra bộ biến đổi DC/DC
khi không dùng giải thuật MPPT
Giá trị điện áp trung bình đầu vào hình 26
Hình 23. Mô hình mô phỏng pin quang điện và
bộ biến đổi Boost
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V =
286 V
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V =
257 V
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V =
275 V
Công suất của hệ thống khi ta giữ cố định
D và không dùng giải thuật MPPT so sánh với
công suất lớn nhất của pin tại từng thời điểm
nhiệt độ cố định ở hình 27.
Hình 24. Mô hình mô phỏng thuật toán PWM
Cho tỷ số chu kỳ D bằng 0.4984. Ta cài giá
trị cường độ ánh sáng đầu vào hệ thống pin
mặt trời ban đầu được cho là 1000 W/m2 đến
thời điểm 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng là
800 W/m2 và tiếp sau 0.4 (s) giá trị cường độ
ánh sáng tăng lên lại là 900 W/m2.
Hình 27. Công suất hệ thống khi không có giải
thuật MPPT
Công suất lớn nhất tại các thời điểm:
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: P =
1112 W
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: P =
Hình 25. Điện áp đầu vào bộ biến đổi DC/DC
khi không dùng giải thuật MPPT
910 W
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: P =
Giá trị điện áp trung bình đầu vào hình 25
1011 W
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V =
Ta có thể tính hiệu suất của hệ thống như
144,1 V
퐼
×푉
푃푉
푃푉x100%
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V =
sau: =
푃
푀푃푃
129.6 V
Công suất được đo tại các thời điểm chiếu
nắng hình 26
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: P =
1083 W, = 97%
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V =
138.5 V
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: P =
875.6 W, = 96%
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: P =
1001 W, = 99%
9
4.2. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và
bộ biến đổi Boost có sử dụng thuật toán
MPPT:
Để khảo sát khả năng truy bắt điểm làm
việc tối ưu của hệ thống ta cài giá trị cường độ
ánh sáng đầu vào hệ thống pin mặt trời ban
đầu được cho là 1000 W/m2 đến thời điểm 0.4
(s) giá trị cường độ ánh sáng là 800 W/m2 và
tiếp sau 0.4 (s) giá trị cường độ ánh sáng tăng
lên lại là 900 W/m2 thời gian lấy mẫu mô
phỏng từ 0s đến 1.2s.
Hình 31. Điện áp đầu ra bộ biến đổi Boost
mạch có giải thuật MPPT
Giá trị điện áp đầu ra ở hình 31:
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: V =
Thuật toán P&O mô phỏng trên
Matlab/Simulink được đưa ra ở hình 28.
288 V
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: V =
261 V
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: V =
275 V
Hình 28. Mô hình mô phỏng mạch DC/DC
có giải thuật điều khiển MPPT
Trong bộ MPPT, khoảng lấy mẫu được
dùng là D=0.01.
Hình 32. Công suất phát ra của Pin mặt
trời khi dùng MPPT
Giá trị công suất ở hình 32 đo được:
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2:
P = 1100 W, = 98.9%
Hình 29. Mô hình mô phỏng thuật toán MPPT
dùng giải thuật P&O
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2:
Kết quả thu được điện áp đầu ra và đầu
vào bộ biến đổi
P = 899.8 W, = 98.9%
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2:
P = 1000 W, = 98.9%
Mô phỏng tỷ số điều chế D đưa vào bộ
MPPT được thể hiện ở hình 33.
PPVmax
PPV
Hình 30. Điện áp đầu vào bộ biến đổi Boost
mạch có giải thuật MPPT
Giá trị điện áp đầu vào ở hình 30:
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2:
V = 137.5 V
Hình 33. Tỷ số chu kỳ D do thuật toán P&O
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2:
tính toán
Tỷ số chu kỳ D hình 33 điều chỉnh được
V = 139.7 V
Tại cường độ chiếu nắng 1000W/m2: D =
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2:
V = 138.4 V
0.5194
10
Tại cường độ chiếu nắng 800W/m2: D =
pumping systems. Solar Energy 2004;
77:81–93.
0.4559
Tại cường độ chiếu nắng 900W/m2: D =
[5] Diarra DC. Solar photovoltaic in Mali:
potential and constraints. Energy Conversion
and Management 2002; 43:151–63.
0.4929
Tỷ số D ở công suất 1000 W/m2 bộ
MPPT tính toán gần sát với kết quả tính của
ta. Khi có sự thay đổi độ chiếu nắng MPPT
thuật toán nhanh chóng đáp ứng sự thay đổi.
[6] Mahmoud E, El Nather H. Renewable
energy and sustainable developments in Egypt:
photovoltaic water pumping in remote areas.
Energy 2003; 74:141–7.
Như vậy, bài báo đã mô phỏng kiểm
chứng dòng điện và điện áp đầu ra đúng với
kết quả lý thuyết. Kết hợp với giải thuật bám
điểm công suất cực đại qua mạch mô phỏng
ta được điện áp đầu ra đưa ổn định và hiệu
quả cao.
[7] Meah K, Ula S, Barrett Sk. "Solar
photovoltaic water pumping-opportunities
and challenges." Renewable and Sustainable
Energy Reviews 2008; 12:1162–75.
[8] M. Liserre, T. Sauter, and J. Y. Hung,
"Future
Energy
Systems:
Integrating
5. Kết luận:
Renewable Energy Sources into the Smart
Power Grid Through Industrial Electronics,"
IEEEIndustrial Electronics Magazine, vol. 4,
pp. 18, 2010.
Trong bài báo này tác giã đã tiếp cận được
cách thức lựu chọn công suất pin năng lương
mặt trời, tính toán cho một bộ biến Boost DC/
DC cụ thể cho tải.
[9] V. Mapurunga Caracas, G. De Carvalho
Farias, L. F. Moreira Teixeira, and L. A. De
Kiểm chứng được ứng dụng của mạch
Boost DC/DC cho pin mặt trời. Sử dụng thuật
toán P&O dò tìm điểm công suất cực đai MPPT
kết quả thu được là hiệu suất chuyển đổi năng
lượng của pin lên đến 99% và đáp ứng hệ thống
rất nhanh. Qua mô phỏng 2 hệ thống điều sử
dụng điều khiển xung PWM và Sử dụng thuật
toán P&O dò tìm điểm công suất cực đai MPPT
điều khiển trực tiếp chu ky D ta thấy nhất thiết
phải có bộ MPPT để điều khiển bộ Boost
DC/DC ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời.
Souza Ribeiro, "Implementation of
High-Efficiency, High-Lifetime,
a
and
Low-Cost Converter for an Autonomous
Photovoltaic Water Pumping System," IEEE
Transactions on Industry Applications, vol. 50,
pp. 631 - 641, 2014.
[10] Habbati Bellia, Ramdani Youcef and
Moulay Fatima "A detailed modeling of
photovoltaic module using MATLAB",
Received 13 June 2013; revised 14 February
2014; accepted 9 April 2014, Available online
16 May 2014.
Kết quả thu được từ đề tài chỉ làm cơ sở lý
thuyết cho những công trình nghiên cứu sau
này như điều khiển cho các bộ biến đổi công
suất DC-DC (Buck-Boost, Flyback…) và đi
đến nghiên cứu một hệ thống sử dụng thực tế
trong cuộc sống.
[11] Nguyễn Văn Nhờ. Điện tử công suất 1.
NXB Đại học Quốc gia Tp. Hồ Chí Minh,
2015, tr. 202.
[12] NASA Surface meteorology and Solar
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Energy
–
Location:
[1] European Commission, DG Joint
Research Centre, Institute for Environment and
Sustainability, Renewable Energies Unit. PV
status report 2006. Ispra, Italy; 2006. EUR
[13] Bosch c-Si M60 NA42117 245W (245W)
Solar
Panel:
22346
EN.
Available
from:
module-panelsolar/Bosch/3695/c-Si-M60-NA
42117-245W/specification-data-sheet.html,
20/07/2016.
[2] Jager-Waldau A. Photovoltaics and
renewable energies in Europe. Renewable and
Sustainable Energy Reviews2007;11:1414–37.
[14] Nguyễn Phùng Quang. MATLAB &
SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự
động. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật,
2004.
[3] Al-Karaghouli A, Al-Sabounchi AM. A
PV pumping system. Applied Energy 2000;
65:231–8.
[4] Firatoglu ZA, Yesilata B. New approaches
on the optimization of directly coupled PV
11
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Họ tên: Trần Văn Diễn
Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn
( Ký & ghi rõ họ tên )
Đơn vị: Trường CĐN CNC Đồng Nai
Điện thoại: 0901552498
Email: [email protected]m
PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm
12
BÀI BÁO KHOA HỌC
THỰC HIỆN CÔNG BỐ THEO QUY CHẾ ĐÀO TẠO THẠC SỸ
Bài báo khoa học của học viên
có xác nhận và đề xuất cho đăng của Giảng viên hướng dẫn
Bản tiếng Việt ©, TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP. HỒ CHÍ MINH và TÁC GIẢ
Bản quyền tác phẩm đã được bảo hộ bởi Luật xuất bản và Luật Sở hữu trí tuệ Việt Nam.
Nghiêm cấm mọi hình thức xuất bản, sao chụp, phát tán nội dung khi chưa có sự đồng ý
của tác giả và Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh.
ĐỂ CÓ BÀI BÁO KHOA HỌC TỐT, CẦN CHUNG TAY BẢO VỆ TÁC QUYỀN!
Thực hiện theo MTCL & KHTHMTCL Năm học 2019-2020 của Thư viện Trường Đại học
Sư phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh.
13 trang
09/01/2024
12221
Free
Bạn đang xem tài liệu "Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- nghien_cuu_va_dieu_khien_bo_bien_doi_dcdc_tang_ap_ung_dung_c.pdf
