Tối ưu hóa hoạt động của hệ thống pin mặt trời
TỐI ƯU HÓA HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
OPTIMIZE THE OPERATION OF THE PHOTOVOLTAIC SYSTEM
Nguyễn Cao Danh1, Lê Chí Kiên2
1Học viên cao học, Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
2Trường đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM
TÓM TẮT
Bám theo điểm công suất tối đa (Maximum Power Point Tracking - MPPT) là một phần không thể
thiếu trong hệ thống pin quang điện (Photovoltaic - PV). Đặc tính điện áp của các mảng PV hoạt
động trong điều kiện bóng râm một phần thể hiện nhiều điểm công suất tối đa cục bộ (Local
Maximum Power Points - LMPP). Trong bài báo này, một phương pháp mới được đề xuất để theo
dõi điểm công suất tối đa toàn cầu (Global Maximum Power Point - GMPP) của PV. So với các kỹ
thuật MPPT toàn cầu được đề xuất trước đây, phương pháp đề xuất trong bài viết này có ưu điểm
là tính toán số đỉnh trên các đường cong P-V và dự đoán vị trí của GMPP và LMPP. Phương pháp
mới có thể nhanh chóng tìm ra GMPP và tránh mất nhiều năng lượng do quét mù. Các kết quả
thử nghiệm xác minh rằng phương pháp được đề xuất đảm bảo sự hội tụ đến MPP toàn cầu trong
các điều kiện bóng mờ một phần.
Từ khóa: Bám theo điểm công suất tối đa; đa điểm cực đại; điều kiện bóng mờ một phần; pin
quang điện.
ABSTRACT
Maximum power point tracking (MPPT) is an integral part of a system of energy conversion using
photovoltaic (PV) arrays. The power-voltage characteristic of PV arrays operating under partial shading
conditions exhibits multiple local maximum power points (LMPPs). In this paper, a new method has been
presented to track the global maximum power point (GMPP) of PV. Compared with the past proposed
global MPPT techniques, the method proposed in this paper has the advantages of determining whether
partial shading is present, calculating the number of peaks on P–V curves, and predicting the locations of
GMPP and LMPP. The new method can quickly find GMPP, and avoid much energy loss due to blind scan.
The experimental results verify that the proposed method guarantees convergence to the global MPP under
partial shading conditions.
Keywords: Maximum power point tracking (MPPT), multiple maxima, partial shading condition,
photovoltaic (PV).
Tuy nhiên, khi có nhiều cực đại công suất
cục bộ [5][6], từ bóng mờ một phần [7], các
kỹ thuật MPPT thông thường không hoạt
động tốt. Nhiều cực đại có thể xảy ra do bỏ
qua điốt [8], được sử dụng để tránh các điểm
nóng hình thành khi một số ô trong mô-đun
hoặc một số mô-đun trong chuỗi nhận được ít
bức xạ hơn các loại khác [9]–[12]. Nếu không
có sự khắc phục của các thiết bị điện tử công
suất, năng lượng bị mất do bóng râm một phần
có thể là đáng kể. Do đó, bắt buộc phải sử
dụng các kỹ thuật MPPT đáng tin cậy để theo
dõi mức tối đa công suất toàn cầu duy nhất
hiện diện trong các mảng bóng mờ.
1. GIỚI THIỆU
Tế bào PV là một thiết bị điện chuyển đổi
trực tiếp năng lượng ánh sáng thành điện
năng thông qua hiệu ứng PV. Các tế bào PV
có mối quan hệ phức tạp giữa bức xạ mặt trời,
nhiệt độ và tổng trở, và thể hiện một đặc tính
hiệu suất đầu ra phi tuyến được gọi là đường
cong P-V. Do đó, nên phát triển các kỹ thuật
MPPT trong các hệ thống PV để tối đa hóa
công suất đầu ra của các hệ thống PV. Ngày
nay, đã có nhiều phương pháp MPPT được đề
xuất, bao gồm như leo đồi (hill climbing) [1],
nhiễu loạn và quan sát (P&O) [2], độ dẫn tăng
dần (INC) [3] và hiệu chỉnh nhiễu loạn [4].
Một số nhà nghiên cứu đã đề xuất các
thuật toán theo dõi điểm công suất tối đa toàn
cầu (GMPPT) để giải quyết tình trạng bóng
một phần. Trong [13], người ta quan sát thấy
các đỉnh theo xu hướng cụ thể trong đó công
suất tại điểm cực đại tiếp tục tăng cho đến khi
đạt đến GMPP, và sau đó, nó liên tục giảm.
Trong [14], thuật toán được đề xuất kết hợp
phép đo dòng điện trực tuyến và gián đoạn
định kỳ để giải quyết các thách thức nhất định
liên quan đến sự thay đổi nhanh chóng. Một
quy tắc sửa đổi để cập nhật tỉ số thời gian được
trình bày, dựa trên các đạo hàm đầu tiên và thứ
hai của công suất như là một chức năng của tỉ
số thời gian. Trong [15], quét đường cong P-I
thông minh được phát minh để phát hiện sự
hiện diện của cực đại toàn cầu. Trong [16], bộ
chuyển đổi dc dc điện tử được điều khiển bởi
tín hiệu dc có biên độ điều chỉnh được sử dụng
để theo dõi MPP toàn cầu. Sau đó, thuật toán
MPPT nhiễu loạn và quan sát (P & O) được
áp dụng để liên tục theo dõi các biến thể ngắn
hạn của MPP toàn cầu được phát hiện trước
đó. Trong [17], nó trình bày sơ đồ điều khiển
hai vòng dựa trên mô hình mới cho một hệ
thống chuyển đổi và PV tích hợp mô-đun cụ
thể, trong đó bộ chuyển đổi Cuk dc-dc hai
chiều được sử dụng làm bộ chuyển đổi nối tắt.
Trong [18], nó sử dụng chuỗi quét định kỳ của
đường cong PV để phát hiện MPP cục bộ do
thời gian dài cần thiết để hoàn thành quá trình
theo dõi này và việc sản xuất năng lượng PV
bị giảm. Các phương pháp MPPT toàn cầu
được trình bày trong [19], [20] dựa trên các
phép đo điện áp mạch hở mảng PV và chiếu
xạ mặt trời hoặc dòng điện ngắn mạch, tương
ứng.
trời) để tính toán trạng thái làm việc của các
tế bào PV và mô phỏng các đường cong đặc
tính đầu ra [21], [22]. Phương pháp này có thể
là một giải pháp hiệu quả để giảm thiểu ảnh
hưởng của bóng râm một phần. Tuy nhiên, kết
quả mô phỏng thu được bằng cách đo các
thông số môi trường và trường hợp thực tế sẽ
khác nhau đáng kể, vì đặc tính thực tế của các
tấm pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố
(ví dụ: cường độ ánh sáng, nhiệt độ, lão hóa,
bụi và bóng râm một phần). Ngoài ra, phương
pháp làm tăng chi phí hệ thống PV trong các
ứng dụng thương mại thực tế. Trong bài báo
này, một phương pháp mới để theo dõi GMPP
của mảng PV hoạt động trong điều kiện bóng
râm một phần được đề xuất.
2. HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE MỘT
PHẦN
+Vpv
+Vpv
Vpv1
Vpv1
Vpv2
Vpv2
Vpv3
Vpv3
Vpv4
Vpv4
-Vpv
-Vpv
(a)
(b)
Các bài báo trên có thể được phân loại
thành hai nhóm. 1) Quét toàn cầu (hoặc một
phần) các đường cong đầu ra PV thu được
[13] - [17]. Sau đó, một thuật toán phức tạp
được sử dụng để tính toán GMPP của các
đường cong. Một nhược điểm của phương
pháp này là không có khả năng xác định liệu
tế bào PV có hoạt động trong điều kiện bóng
râm hay không. Bởi vì GMPP bị theo dõi một
cách thử sai và hệ thống chuyển đổi hoạt động
ở các điểm năng lượng thấp hầu hết thời gian
trong quá trình theo dõi, lãng phí năng lượng
là rất đáng kể. 2) Nhóm khác sử dụng các cảm
biến chuyên dụng (ví dụ: để đo bức xạ mặt
Hình 1 Cấu trúc các tấm pin mặt trời khi có
và không có bóng che một phần.
Thông thường, các tấm pin được sản xuất
với kích thước và thông số giống hệt nhau từ
các nhà sản xuất. Khi các tấm pin mặt trời
được cung cấp cùng nguồn bức xạ mặt trời thì
các thông số dòng điện qua pin và điện áp trên
pin của các tấm này là giống hệt nhau giống
trường hợp có sự đồng nhất về điều kiện môi
trường bên ngoài thì thuật toán MPPT thông
thường có thể xác định được điểm công suất
cực đại một cách nhanh chóng và chính xác.
Lúc này, điện áp trên các tấm pin là bằng nhau
điện áp trên các tấm pin được chia làm 2 mức
khác nhau và các tấm pin có cùng mức bức xạ
mặt trời sẽ có giá trị điện áp bằng nhau.
+Vpv
Vpv1
+Vpv
Vpv1
+Vpv
Vpv1
Trường hợp 2: Điểm làm việc hiện tại có
điện áp lớn hơn giá trị V1. Khi đó, dòng điện
chạy trong các tấm pin bằng nhau và các diode
bị ngắt dẫn. Sơ đồ di chuyển của dòng điện
trong các tấm pin mặt trời trong trường hợp
này, điện áp trên tấm pin PV4 có điện áp lớn
hơn 0 nhưng không cao bằng các tấm pin còn
lại vì cường độ bức xạ mặt trời chiếu vào nó
thấp hơn các tấm khác. Điện áp trên các tấm
pin còn lại bằng nhau và lớn hơn điện áp trên
tấm pin PV4. Như vậy trong trường hợp này
điện áp trên các tấm pin được chia làm 2 mức
khác nhau và các tấm pin có cùng mức bức xạ
mặt trời sẽ có giá trị điện áp bằng nhau. Các
mức điện áp này không âm và khác nhau phụ
thuộc vào cường độ bức xạ mặt trời chiếu trên
chúng.
Vpv2
Vpv3
Vpv2
Vpv3
Vpv2
Vpv3
Vpv4
-Vpv
Vpv4
-Vpv
Vpv4
-Vpv
(a)
(b)
(c)
Hình 2 Sơ đồ dòng điện trong các tấm pin
mặt trời.
Tuy nhiên, bởi nhiều lý do khác nhau như
bụi bám bề mặt, mây che nên một số tấm pin
được chiếu một cường độ bức xạ mặt trời thấy
đặc tính dòng điện và điện áp trên các tấm pin
mặt trời này có sự khác biệt với các tấm pin
còn lại. Sự khác biệt này được thể hiện rõ khi
phân tích trạng thái làm việc của các tấm pin
Qua phân tích hai trường hợp trên, một số
nhận xét được đưa ra như sau:
Các tấm pin có cùng mức bức xạ mặt trời
thì có cùng giá trị điện áp ngõ ra.
Điện áp các tấm pin mặt trời được phân
thành các nhóm điện áp dựa trên các mức
bức xạ khác nhau chiếu vào chúng. Với bao
nhiêu mức bức xạ thì sẽ có bấy nhiêu nhóm
điện áp.
Khi xuất hiện tình trạng bóng che, với giả
định có hai nguồn bức xạ mặt trời khác nhau
các giải thuật MPPT thông thường sẽ tìm đến
điểm cực đại nào nằm cùng đường cong công
suất. Lúc này xuất hiện hai trường hợp sau:
Trường hợp 1: Điểm làm việc hiện tại có
điện áp nhỏ hơn giá trị V1. Giải thuật MPPT
sẽ kéo điểm làm việc về điểm có điện áp
V
mppt1. Khi đó, do dòng điện chạy trong tấm
pin mặt trời PV4 thấp hơn dòng điện chạy trên
các tấm pin còn lại nên làm cho diode mắc
song song với PV4 được kích dẫn và dẫn phần
dòng điện chênh lệch giữa hai dòng điện này.
Sơ đồ di chuyển của dòng điện trong các tấm
pin mặt trời trong trường hợp này được thể
trên tấm pin PV4 có điện áp âm và bằng điện
áp phân cực thuận của diode mắc song song
với nó. Điện áp trên các tấm pin còn lại bằng
nhau và khác 0. Như vậy trong trường hợp này
Hình 3 Sự thay đổi thông số dòng áp trên các
tấm pin theo điện áp làm việc
Trong quá trình bị bóng che một phần, tại
điểm công suất cực đại cuối cùng bên phải
có sự phân chia rõ ràng nhất. Điều này có
được là do tại điểm này tất cả các tấm pin
đều làm việc nên điện áp trên chúng khác
0. Ngoài ra, với bao nhiêu mức bức xạ mặt
trời khác nhau thì sẽ có bấy nhiêu nhóm
điện áp trên toàn bộ các tấm pin
ở trên. Giải thuật này được thực hiện qua các
bước như sau:
3. Phương pháp bộ điều khiển MPPT cải
Bước 1: Xác định vị trí điểm MPP sau khi
có hiện tượng bóng che. Việc xác định
điểm MPP thu được dựa trên thuật toán
P&O truyền thống sau khi có hiện tượng
bóng che nằm bên trái hay bên phải của
đường cong đặc tuyến P-V được thực thi
bằng cách kiểm tra xem có tấm pin mặt trời
nào có điện áp hai đầu bằng 0 hay không.
Nếu có thì điểm MPP này nằm bên trái của
đường đặc tuyến P-V. Ngược lại thì điểm
này nằm bên phải của đường đặc tuyến P-
V. Việc này được thực hiện trong khối 7.
Bước 2: Xác định giá trị công suất cực đại
và điện áp của điểm MPP còn lại. Dựa trên
kết quả xác định vị trí điểm MPP đầu tiên
trong bước 1 sẽ có hai trường hợp xác
thông số cho điểm MPP còn lại tương ứng.
Trường hợp 1: Điểm MPP còn lại nằm bên
phải đường cong đặc tuyến P-V. Lúc này,
các tấm pin đều có điện áp khác không và
điểm tham chiếu điện áp được chọn là
Vref 0.8*Voc (Khối 8). Với điện áp tham
tiến
3.1 Giải thuật trong chương trình chính.
MPPT cải tiến để theo dõi GMPP trong điều
kiện bóng che một phần. Việc thực hiện các
thuật toán luôn bắt đầu với giá trị điện áp tham
Vref
chiếu (
) được thiết lập là 85% điện áp hở
Voc
mạch
(khối 1) như trong chương trình
chính. Dưới bức xạ mặt trời đồng nhất, chỉ có
một đỉnh trong đường cong P-V. Các phương
pháp MPPT truyền thống như quy trình theo
dõi P & O có thể hoạt động tốt. Do đó, cho
đến khi bóng che xảy ra, nó duy trì hoạt động
tại GMPP bằng cách liên tục thực hiện phương
pháp P & O (khối 2 và 3). Khi một MPP được
tìm thấy, nó sẽ lưu trữ thông tin điểm cực đại
này, ví dụ như công suất dãy PV và điện áp
dãy PV (khối 4). Khi điện áp mô đun PV lớn
hơn một điện áp khác trong cùng một điểm
V V
(
j ), điều đó có nghĩa là bóng che một
i
chiếu này sẽ đảm bảo điểm làm việc sẽ nằm
bên phía phải đường cong đặc tuyến. Lúc
này, với giải thuật MPPT kiểu P&O truyền
thống cũng sẽ đưa điểm làm việc về điểm
MPP còn lại một cách dễ dàng như trong
khối 9 và khối 10.
phần đã xảy ra (khối 5). Khi sự sai số tuyệt đối
giữa hai điện áp này lớn hơn một hằng số đã
xác định trước (được sử dụng để loại bỏ sự
xáo trộn của mẫu và những khác biệt nhỏ do
sự thay đổi nhẹ), "Chương trình chính" sẽ gọi
"chương trình con theo GMPP" (khối 6).
"Chương trình con theo GMPP" xác định
GMPP thực sự và sau đó chuyển quyền kiểm
soát sang "Chương trình chính", duy trì hoạt
động tại GMPP mới này.
Trường hợp 2: Điểm MPP còn lại nằm bên
trái đường cong đặc tuyến P-V. Như vậy
chỉ có các tấm pin có bức xạ cao hơn sẽ có
điện áp còn các tấm pin còn lại thì điện áp
bằng 0. Do đó, điểm MPP sẽ do có điện áp
là điện áp có công suất cực đại của các tấm
pin này. Nếu số các tấm pin có điện áp
3.2 Giải thuật xác định điểm GMPP được
đề xuất.
M
bằng 0 là
như được đếm trong khối 11,
Theo nhận xét ở trên, khi có hiện tượng
bóng che, nếu điểm MPP mới thu được bằng
giải thuật P&O có điện áp của bất cứ tấm pin
nào bằng 0 thì điểm MPP đó sẽ nằm bên trái
trong 2 điểm MPP của đường cong đặc tuyến
P-V. Nhiệm vụ của mạch giải thuật MPPT là
tìm giá trị công suất của điểm MPP còn lại rồi
so sánh với giá trị thu được để xác định điểm
GMPP.
số tấm pin có điện áp khác 0 sẽ là N M
. Điện áp hở mạch của nhóm các tấm pin
mặt trời này là N M / N *Voc . Do đó điểm
MPP của nó có điện áp vào khoảng
0.8* N M / N *V . Do đó điện áp tham
oc
chiếu để có thể đưa điểm làm việc về điểm
MPP được đặt là
Vref 0.8* N M / N *V như được đề cập
oc
trong khối 12. Khối 13 và 14 có nhiệm vụ
Giải thuật GMPP được đề xuất trong
đưa điểm làm việc về điểm MPP còn lại.
BEGIN
BEGIN
11. Count M
number of Vi =0; i=1, , 4
N
7. Vi =0; i=1, , 4
Y
1. Vref=0.85Voc
Count number of module N
8. Vref=0.8*Voc
12. Vref=0.8*(1-M/N)*Voc
9. Measure Vpv, Ipv
Call P&O
13. Measure Vpv, Ipv
Call P&O
2. Measure Vpv, Ipv
Call P&O
N
N
10. MPP tracked?
Y
14. MPP tracked?
Y
N
3. MPP tracked?
Y
15. Store new MPP:
Pmax_new, Vmax_new
N
16. Pmax_last > Pmax_new
4. Store last MPP:
Pmax_last, Vmax_last
Y
17. Vref=Vmax_last
18. Vref=Vmax_new
V Vj Const
i
N
END
5.
i, j 1,..., N
Hình 5 Lưu đồ chương trình xác định điểm
GMPP
Y
Bước 3: Tìm điểm GMPP từ thông số của
hai điểm MPP đã thu được ở trên. Điểm
MPP có công suất lớn hơn chính là điểm
GMPP và điện áp của điểm này chính là
điện áp tham chiếu cho hệ thống để đưa hệ
thống pin mặt trời về điểm GMPP thực sự.
Khối 15 có nhiệm vụ lưu thông số điểm
MPP trong bước 2. Khối 16 có nhiệm vụ
xác nhận điểm GMPP bằng cách so sánh
các công suất với nhau. Điện áp tham
chiếu sẽ được đặt bằng điện áp tại điểm
MPP trước đó (khối 17) nếu công suất tại
điểm MPP trước đó có công suất cao hơn
điểm MPP sau này. Và ngược lại, điện áp
6. Call GP_MPPT
Hình 4 Lưu đồ chương trình chính
tham chiếu sẽ được đặt bằng điện áp tại
điểm MPP sau (khối 18).
các tấm pin mặt trời tại ngõ ra theo điện áp
làm việc của hệ thống pin được mắc như trong
trường hợp có hai mức bức xạ khác nhau được
trình bày ở trên. Nhận thấy rằng điểm MPP
nằm cuối cùng bên phải (điểm làm việc có
Vm' ppt
3.3 Khi số mức bức xạ mặt trời nhiều hơn
hai
+Vpv
+Vpv
mức điện áp
) sẽ có các tấm pin mặt trời
Vpv1
Vpv2
Vpv3
Vpv1
Vpv2
Vpv3
với các mức điện áp khác nhau và khác không.
Như vậy, nếu xuất hiện bao nhiêu nhóm điện
áp trên các tấm pin thì sẽ có bấy nhiêu bức xạ
khác nhau được chiếu lên hệ thống pin này.
Tương ứng với điều đó là sẽ có bấy nhiêu
điểm MPP cần phải xác định.
Như vậy, trong trường hợp có nhiều hơn
hai mức bức xạ khác nhau chiếu vào các tấm
pin mặt trời thì lưu đồ chương trình xác định
điểm GMPP sẽ được điều chỉnh lại như trong
bước thực hiện sau:
Bước 1: Kiểm tra vị trí MPP hiện tại có
phải là vị trí cuối cùng bên phải hay chưa.
Nếu còn tồn tại bất kì một tấm pin nào có
giá trị điện áp nhỏ hơn không (tấm pin đó
ngắn mạch) thì điểm MPP hiện tại chưa
phải là điểm MPP bên phải (khối 1). Như
vậy việc chia các tấm pin thành các mức
điện áp khác nhau chưa đảm bảo sự chính
xác vì có thể có các tấm pin khác nhau cũng
đều có thể bị ngắn mạch như biểu diễn
Vpv4
-Vpv
Vpv4
-Vpv
(a)
(b)
Hình 6 Sơ đồ các tấm pin PV được chiều
nhiều bức xạ khác nhau
Khi các tấm PV được chiếu nhiều mức
bức xạ mặt trời khác nhau thì theo phân tích ở
trên các tấm pin có cùng mức bức xạ tạo thành
các nhóm pin có điện áp khác nhau. Giả sử
bởi bốn mức bức xạ khác nhau. Các mức bức
xạ này sẽ tạo ra các mức dòng điện và điện áp
khác nhau tương ứng với các điện áp làm việc
khác nhau.
Nếu chưa phải là điểm MPP nằm tận
cùng bên trái thì phải đưa điểm hoạt
động của hệ thống pin về làm việc tại
điểm này.
Nếu điểm MPP hiện nằm bên phải thì
khi đó sẽ bỏ qua bước xác định MPP
nằm bên trái.
Bước 2: Đưa điểm hoạt động về điểm MPP
nằm tận cùng bên phải đường cong đặc
tuyến. Bước này được thực hiện nếu như
sau khi có hiện tượng bóng che mà điểm
MPP thu được không phải là điểm nằm tận
cùng bên phải. Để làm được điểm này, điện
Vref 0.85*Voc
áp tham chiếu được chọn là
(khối 2). Sau khi thực hiện giải thuật
MPPT P&O thông thường thì điểm MPP
này sẽ nhận được xác định (khối 3 và 4).
Như vậy, sau bước 2 thì điểm làm việc của
Hình 7 Dạng sóng điện áp và dòng điện khi
có bốn bức xạ khác nhau
hệ thống pin sẽ được đưa về điểm MPP tận
cùng bên phải.
7. Set j=1
BEGIN
8. Set Vref=0.85(1-(N-ΣMj)/N)Voc
N
1. Vi <0; i=1, , 4
9. Measure Vpv, Ipv
Call P&O
Y
2. Vref=0.85*Voc
N
10. MPP tracked?
Y
3. Measure Vpv, Ipv
Call P&O
12. Store MPPj:
Pmax_j, Vmax_j
N
4. MPP tracked?
Y
13. J=q-1?
5. Store last MPP:
Pmax_q, Vmax_q
14. [Pmax, Vmax]=max{Pmax_j} j=1:q
6. Divides all PV modules into
q groups (G1<G2<...<Gq)
Calculate the number of PV
module in the every group,
M1,M2, ,Mq
15. Vref=Vmax
END
Hình 8 Lưu đồ chương trình xác định GMPP cải tiến cho nhiều mức bức xạ khác nhau
Bước 4: Xác định giá trị điện áp và công
suất tương ứng với q đỉnh MPP. Trong
bước này, dựa vào số lượng các mức bức
xạ mặt trời q xác định được trong bước 2,
sẽ có q đỉnh công suất cực đại tương ứng.
Các điểm MPP được xác định theo thứ tự
từ phải sang trái (khối 7) với giá trị điện áp
Bước 3: Xác định số lượng các bức xạ khác
nhau và số lượng các tấm pin tương ứng
với mỗi loại bức xạ. Với điện áp đo được
tại hai đầu các tấm pin được gửi về bộ điều
khiển, các mức điện áp này được phân
thành q mức khác nhau lần lượt từ thấp lên
cao ứng với các tên gọi lần lượt là
Vref
tham chiếu
được thực hiện theo công
thức 1 N M / N *Voc (khối 8). Sau khi
1
G1,G2 ,...,Gq
. Tương ứng với mỗi nhóm bức
chọn được giá trị tham chiếu nằm trong
đường cong chứa đỉnh MPP cần tìm, thuật
toán P&O được sử dụng để điểm làm việc
tiến về điểm MPP (khối 9 và 10). Cứ như
thế lần lượt các đỉnh MPP còn lại sẽ được
tìm thấy khi tăng giá trị biến j lên. Đến khi
xạ này sẽ tính ra được số lượng các tấm pin
trong mỗi nhóm với các giá trị lần lượt là
M1,M2 ,...,Mq
tương ứng với các mức điện
G1,G2 ,...,Gq
áp
(khối 6).
sẽ tác động lên các tấm pin NLMT và làm
dòng điện đầu ra của chúng cũng thay đổi theo.
Kết quả của sự thay đổi này sẽ thu được mối
liên hệ giữa điện áp và dòng điện tại ngõ ra
của các tấm pin mặt trời như được thể hiện
nào
(khối 11).
thì bước lặp này kết thúc
j q1
Bước 5: Xác định điểm GMPP. Điểm
GMPP được xác định bằng cách so sánh
các giá trị công suất của các điểm MPP thu
được trong bước 4 với nhau. Điểm MPP
nào có giá trị lớn nhất sẽ được chọn làm
P
max
điểm GMPP
(khối 14) và điện áp
tương ứng của điểm đó được chọn làm điện
áp tham chiếu
Vmax (khối 15).
V
ref
Như vậy, qua 5 bước trên thì điểm GMPP
được xác định một cách nhanh chóng trong
trường hợp có số lượng bức xạ mặt trời lớn
hơn hai.
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Hình 10 Tương quan điện áp – dòng điện
trong mô hình kiểm chứng
4.1 Mô hình kiểm tra công suất dãy pin
NLMT khi bị bóng che một phần.
Kết quả thu được từ mối quan hệ dòng
điện và điện áp đầu ra hệ thống pin NLMT sẽ
cho ta kết quả mối liên hệ giữa điện áp và công
suất ngõ ra của pin NLMT tại các mức bức xạ
mặt trời tương ứng khác nhau. Một cách trực
quan, điểm công suất cực đại toàn cục và điểm
công suất cực đại địa phương cũng sẽ được
Để có thể đánh giá được hiệu quả và độ
chính xác trong việc xác định điểm GMPP
trong phương pháp MPPT trong điều kiện
bóng che được đề xuất, một mô hình xác định
mối tương quan giữa công suất và điện áp tại
ngõ ra các tấm pin trong điều kiện bóng che
tiết mô hình mô phỏng được đề xuất. trong mô
hình bao gồm một dãy 4 pin NLMT được mắc
nối tiếp nhau với các mức bức xạ mặt trời khác
nhau tùy từng điều kiện mô phỏng. Ngõ ra của
các tấm pin này được mắc vào một nguồn
dòng có điều khiển nhằm điều chỉnh linh hoạt
điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời.
Hình 11 Tương quan điện áp – dòng điện
trong mô hình kiểm chứng
4.2 Kết quả mô phỏng
Để đánh giá tổng quan hiệu quả của
phương pháp dò tìm điểm GMPP trong điều
kiện bóng che một phần được đề xuất qua luận
văn, nhiều trường hợp mô phỏng khác nhau
được thực hiện nhằm bao quát các điều kiện
có khả năng trong quá trình hoạt động được
thực hiện và các kết quả thu nhận được sẽ
được trình bày chi tiết trong các phần dưới đây.
Hình 9 Mô hình hóa mô phỏng hệ thống pin
NLMT kiểm chứng
Trong mỗi trường hợp mô phỏng, mức
bức xạ ban đầu được giữ bằng nhau tại tất cả
Khi điện áp trên nguồn một chiều thay đổi
các tấm pin, sau thời gian 0.5s sẽ xuất hiện
hiện tượng bóng che một phần trên hệ thống
pin này. Lúc này lượng bức xạ mặt trời mỗi
tấm pin thu được có sự thay đổi không giống
nhau và lần lượt nhận các mức bức xạ khác
nhau. Khi đó giải thuật dò tìm MPPT trong
điều kiện bóng che được đề xuất sẽ được dùng
để xác định vị trí GMPP trên hệ thống pin này.
Nhiều mức bức xạ mặt trời khác nhau được
đưa ra với vị trí GMPP thay đổi khác nhau khi
so với vị trí các LMPP sẽ được dùng để đánh
giá khả năng dò tìm được điểm GMPP của hệ
thống trong giải thuật được đề xuất. Các kết
quả qua quá trình mô phỏng được ghi nhận
trong từng trường hợp cụ thể như bên dưới.
GMPP nên hệ thống không thể xác định điểm
công suất cực đại mới này có phải là điểm
GMPP hay không. Lúc này giải thuật tìm kiếm
GMPP được khởi động sau khi có sự thay đổi
điểm là việc của hệ thống pin. Sau quá trình
tìm kiếm khoảng 0.8s (tại thời điểm 1.3s), hệ
thống đã xác định đúng được điểm GMPP với
các thông số được đưa ra như trên.
4.3 Khi BXMT trên các tấm pin lần
lượt là 400, 500, 600, 700 W/m2
Trong trường hợp bức xạ mặt trời trên
mỗi tấm pin lần lượt là 400, 500, 600, 700
W/m2, kết quả thực thi mối liên hệ giữa công
suất ngõ ra và điện áp trên các tấm pin được
nhận thấy điểm GMPP đạt được tại mức điện
áp 73.78V và có công suất cực đại lúc này là
2135.81W
Hình 13 Công suất và điện áp ngõ ra hệ
thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng
với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 400, 500,
600, 700 W/m2
Hình 14 Công suất và điện áp ngõ ra hệ
thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng
với mức BXMT từ 500W/m2 sang 400, 500,
600, 700 W/m2
Hình 12 Mối tương quan P-V của hệ thống
PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt
là 400, 500, 600, 700 W/m2
Trong trường hợp thứ hai, bức xạ mặt trời
ban đầu được chọn là 500 W/m2, sau 0.5s thì
bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin sẽ lần lượt là
400, 500, 600, 700 W/m2. Kết quả đạt được
đổi cường độ bức xạ mặt trời tại thời điểm 0.5s,
hệ thống đã nhanh chóng điều chỉnh điện áp
ngõ ra hệ thống PV nhằm đưa điểm hoạt động
về điểm MPP mới. Tuy nhiên, do chưa có sự
tham gia của giải thuật tìm kiếm GMPP nên
hệ thống không thể xác định điểm công suất
cực đại mới này có phải là điểm GMPP hay
không. Lúc này giải thuật tìm kiếm GMPP
Trong trường hợp thứ nhất, bức xạ mặt
trời ban đầu được chọn là 1000 W/m2, sau
0.5s thì bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin sẽ lần
lượt là 400, 500, 600, 700 W/m2. Kết quả đạt
được trong mô phỏng được thể hiện như trong
thay đổi cường độ bức xạ mặt trời tại thời
điểm 0.5s, hệ thống đã nhanh chóng điều
chỉnh điện áp ngõ ra hệ thống PV nhằm đưa
điểm hoạt động về điểm MPP mới. Tuy nhiên,
do chưa có sự tham gia của giải thuật tìm kiếm
được khởi động sau khi có sự thay đổi điểm là
việc của hệ thống pin. Sau quá trình tìm kiếm
khoảng 0.8s (tại thời điểm 1.3s), hệ thống đã
xác định đúng được điểm GMPP với các
thông số được đưa ra như trên.
4.4 Khi BXMT trên các tấm pin lần
lượt là 400, 600, 800, 1000 W/m2
Trong trường hợp bức xạ mặt trời trên
mỗi tấm pin lần lượt là 400, 600, 800, 1000
W/m2, kết quả thực thi mối liên hệ giữa công
suất ngõ ra và điện áp trên các tấm pin được
nhận thấy điểm GMPP đạt được tại mức điện
áp 53.87V và có công suất cực đại lúc này là
2325.48W
Hình 16 Công suất và điện áp ngõ ra hệ
thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng
với mức BXMT từ 1000W/m2 sang 400, 600,
800, 1000 W/m2
Trong trường hợp thứ hai, bức xạ mặt trời
ban đầu được chọn là 500 W/m2, sau 0.5s thì
bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin sẽ lần lượt là
400, 600, 800, 1000 W/m2. Kết quả đạt được
đổi cường độ bức xạ mặt trời tại thời điểm 0.5s,
hệ thống đã nhanh chóng điều chỉnh điện áp
ngõ ra hệ thống PV nhằm đưa điểm hoạt động
về điểm MPP mới. Tuy nhiên, do chưa có sự
tham gia của giải thuật tìm kiếm GMPP nên
hệ thống không thể xác định điểm công suất
cực đại mới này có phải là điểm GMPP hay
không. Lúc này giải thuật tìm kiếm GMPP
được khởi động sau khi có sự thay đổi điểm là
việc của hệ thống pin. Sau quá trình tìm kiếm
khoảng 0.9s (tại thời điểm 1.4s), hệ thống đã
xác định đúng được điểm GMPP với các
thông số được đưa ra như trên.
Hình 15 Mối tương quan P-V của hệ thống
PV khi tại các mức bức xạ mặt trời lần lượt
là 400, 600, 800, 1000 W/m2
Trong trường hợp thứ nhất, bức xạ mặt
trời ban đầu được chọn là 1000 W/m2, sau
0.5s thì bức xạ mặt trời trên mỗi tấm pin sẽ lần
lượt là 400, 600, 800, 1000 W/m2. Kết quả đạt
được trong mô phỏng được thể hiện như trong
thay đổi cường độ bức xạ mặt trời tại thời
điểm 0.5s, hệ thống đã nhanh chóng điều
chỉnh điện áp ngõ ra hệ thống PV nhằm đưa
điểm hoạt động về điểm MPP mới. Tuy nhiên,
do chưa có sự tham gia của giải thuật tìm kiếm
GMPP nên hệ thống không thể xác định điểm
công suất cực đại mới này có phải là điểm
GMPP hay không. Lúc này giải thuật tìm kiếm
GMPP được khởi động sau khi có sự thay đổi
điểm là việc của hệ thống pin. Sau quá trình
tìm kiếm khoảng 0.9s (tại thời điểm 1.4s), hệ
thống đã xác định đúng được điểm GMPP với
các thông số được đưa ra như trên.
Hình 17 Công suất và điện áp ngõ ra hệ
thống pin NLMT trong thời gian mô phỏng
với mức BXMT từ 500W/m2 sang 400, 600,
800, 1000 W/m2
phương pháp có thể tính toán số lượng đỉnh
trên các đường cong P V V và nhanh chóng
xác định vị trí của các GMPP và LMPP.
5. KẾT LUẬN
Việc phát hiện MPP toàn cầu là không thể
thiếu trong việc tối đa hóa việc sản xuất năng
lượng của hệ thống PV trong trường hợp bóng
PV một phần. Trong bài báo này, một phương
pháp đã được trình bày để theo dõi MPP toàn
cầu của một mảng PV. Phương pháp có những
ưu điểm sau.
3) Bằng cách tính toán số lượng mô-đun
PV trong mỗi nhóm, phương pháp có thể dự
đoán vị trí của các GMPP hoặc LMPP. Điều
này cắt giảm thời gian theo dõi.
Các kết quả mô phỏng xác minh rằng
phương pháp được đề xuất xác định sự hiện
diện của bóng một phần và đảm bảo sự hội tụ
cho MPP toàn cầu trong các điều kiện bóng
một phần.
1) Khi so sánh điện áp của mọi mô-đun
PV, phương pháp có thể phát hiện sự hiện diện
của bóng một phần và tránh quét mù.
2) Bằng cách tách điện áp của tất cả các
mô đun PV thành các nhóm khác nhau,
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Weidong Xiao and W. G. Dunford, “A modified adaptive hill climbing MPPT method
for photovoltaic power systems,” in 2004 IEEE 35th Annual Power Electronics
Specialists Conference (IEEE Cat. No.04CH37551), pp. 1957–1963.
[2] N. Femia, G. Petrone, G. Spagnuolo, and M. Vitelli, “Optimization of Perturb and
Observe Maximum Power Point Tracking Method,” IEEE Trans. Power Electron., vol.
20, no. 4, pp. 963–973, Jul. 2005.
[3]
and Y. K. F. Liu, S. Duan, Fei Liu, B. Liu, “AVariable Step Size INCMPPT Method for
PV Systems,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no. 7, pp. 2622–2628, 2008.
[4] J. W. Kimball and P. T. Krein, “Discrete-Time Ripple Correlation Control for Maximum
Power Point Tracking,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 23, no. 5, pp. 2353–2362, Sep.
2008.
[5] H. Patel and V. Agarwal, “MATLAB-Based Modeling to Study the Effects of Partial
Shading on PV Array Characteristics,” IEEE Trans. Energy Convers., vol. 23, no. 1, pp.
302–310, Mar. 2008.
[6] N. Thakkar, D. Cormode, V. P. A. Lonij, S. Pulver, and A. D. Cronin, “A simple non-
linear model for the effect of partial shade on PV systems,” in 2010 35th IEEE
Photovoltaic Specialists Conference, 2010, pp. 002321–002326.
[7] A. Karavadi and R. S. Balog, “Novel non-flat photovoltaic module geometries and
implications to power conversion,” in 2011 IEEE Energy Conversion Congress and
Exposition, 2011, pp. 7–13.
[8] S. Vemuru, P. Singh, and M. Niamat, “Modeling impact of bypass diodes on photovoltaic
cell performance under partial shading,” in 2012 IEEE International Conference on
Electro/Information Technology, 2012, pp. 1–5.
[9] W. Herrmann, W. Wiesner, and W. Vaassen, “Hot spot investigations on PV modules-
new concepts for a test standard and consequences for module design with respect to
bypass diodes,” in Conference Record of the Twenty Sixth IEEE Photovoltaic Specialists
Conference - 1997, pp. 1129–1132.
[10] M. C. A. García, W. Herrmann, W. Böhmer, and B. Proisy, “Thermal and electrical effects
caused by outdoor hot-spot testing in associations of photovoltaic cells,” Prog.
Photovoltaics Res. Appl., vol. 11, no. 5, pp. 293–307, Aug. 2003.
[11] E. Karatepe, M. Boztepe, and M. Çolak, “Development of a suitable model for
characterizing photovoltaic arrays with shaded solar cells,” Sol. Energy, vol. 81, no. 8,
pp. 977–992, Aug. 2007.
[12] A. Bidram, A. Davoudi, and R. S. Balog, “Control and Circuit Techniques to Mitigate
Partial Shading Effects in Photovoltaic Arrays,” IEEE J. Photovoltaics, vol. 2, no. 4, pp.
532–546, Oct. 2012.
[13] H. Patel and V. Agarwal, “Maximum Power Point Tracking Scheme for PV Systems
Operating Under Partially Shaded Conditions,” IEEE Trans. Ind. Electron., vol. 55, no.
4, pp. 1689–1698, Apr. 2008.
[14] A. Zbeeb, V. Devabhaktuni, and A. Sebak, “Improved photovoltaic MPPT algorithm
adapted for unstable atmospheric conditions and partial shading,” in 2009 International
Conference on Clean Electrical Power, 2009, pp. 320–323.
[15] S. M. R. K.ꢀ; H. G.ꢀ; O. I.ꢀ; H.-J. Guo, “An improved and very efficient MPPT controller
for PV systems subjected to rapidly varying atmospheric conditions and partial shading,”
in 2009 Australasian Universities Power Engineering Conference.
[16] E. Koutroulis and F. Blaabjerg, “A New Technique for Tracking the Global Maximum
Power Point of PV Arrays Operating Under Partial-Shading Conditions,” IEEE J.
Photovoltaics, vol. 2, no. 2, pp. 184–190, Apr. 2012.
[17] B. V. P. Chong and L. Zhang, “Controller design for integrated PV–converter modules
under partial shading conditions,” Sol. Energy, vol. 92, pp. 123–138, Jun. 2013.
[18] Ma Lei, Sun Yaojie, Lin Yandan, Bai Zhifeng, Tong Liqin, and Song Jieqiong, “A high
performance MPPT control method,” in 2011 International Conference on Materials for
Renewable Energy & Environment, 2011, pp. 195–199.
[19] P. Sharma and V. Agarwal, “Comparison of model based MPPT and exact MPPT for
current equalization in partially shaded PV strings,” Conf. Rec. IEEE Photovolt. Spec.
Conf., pp. 2948–2952, 2013.
[20] K. M. Tsang and W. L. Chan, “Maximum power point tracking for PV systems under
partial shading conditions using current sweeping,” Energy Convers. Manag., vol. 93,
pp. 249–258, Mar. 2015.
[21] H. R. Mohajeri, M. P. Moghaddam, M. Shahparasti, and M. Mohamadian, “Development
a new algorithm for maximum power point tracking of partially shaded photovoltaic
arrays,” in 20th Iranian Conference on Electrical Engineering (ICEE2012), 2012, pp.
489–494.
[22] I. Abdalla, J. Corda, and L. Zhang, “Multilevel DC-Link Inverter and Control Algorithm
to Overcome the PV Partial Shading,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 28, no. 1, pp.
14–18, Jan. 2013.
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết:
Xác nhận của Giảng viên hướng dẫn
Họ tên: Nguyễn Cao Danh
(Ký & ghi rõ họ tên)
Đơn vị: Trường Cao Đẳng Kỹ Thuật Công
Nghệ Bà Rịa – Vũng Tàu
Điện thoại: 0373.866.732 – 0928.432.809
Email:
–
PGS. TS. Lê Chí Kiên
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.
14 trang
09/01/2024
16740
Free
Bạn đang xem tài liệu "Tối ưu hóa hoạt động của hệ thống pin mặt trời", để tải tài liệu gốc về máy hãy click vào nút Download ở trên
File đính kèm:
- toi_uu_hoa_hoat_dong_cua_he_thong_pin_mat_troi.pdf
