Bộ sạc pin mặt trời hiệu suất cao với mạch điều khiển công suất cực đại

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> BỘ SẠC PIN MẶT TRỜI HIỆU SUẤT CAO<br /> VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI<br /> <br /> CHARGER HIGH EFFICIENCY PV SOLAR<br /> WITH THE CIRCUIT CONTROL MAXIMUM POWER<br /> 1<br /> <br /> 1<br /> <br /> Nguyễn Thế Vĩnh , Đinh Văn Cƣờng , Nguyễn Duy Trung<br /> 1<br /> <br /> 2<br /> <br /> 2<br /> <br /> Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, Trường Đại học Điện lực<br /> <br /> Tóm tắt:<br /> Bài báo trình bày một bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời hiệu suất cao với mạch điều khiển<br /> công suất cực đại. Để đạt được hiệu suất cao của pin mặt trời cần dùng hệ thống “tìm điểm công<br /> suất cực đại” nhằm thu hiệu suất của pin là lớn nhất. Vấn đề đề cập đến các nội dung như sau: mô<br /> hình pin năng lượng mặt trời, giải thuật điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời,<br /> bộ biến đổi DC/DC và mạch sạc acquy hiệu suất cao. Kết quả mô hình hóa và mô phỏng bộ sạc sẽ<br /> được trình bày.<br /> Từ khóa:<br /> Pin năng lượng mặt trời, bộ biến đổi DC/DC, mạch sạc ắc quy hiệu suất cao, thuật toán tìm điểm<br /> công suất cực đại của pin mặt trời.<br /> Abstract:<br /> This article presents a battery charger using solar high performance with the circuit controller<br /> maximum power. To achieve high efficiency of PV solar system should use "maximum power point<br /> search" to obtain the performance of the battery is the largest. The problem refers to the contents<br /> as follows: model solar batteries, the control logic detects the maximum power point of the solar<br /> cell, piezoelectric transducer DC/DC battery charger and high performance vessels. Results modeling<br /> and simulation will be presented charger.<br /> Keywords:<br /> PV solar, DC/DC converters, circuit recharge battery high performance, methode for maximum power<br /> point tracking.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU3<br /> <br /> Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công<br /> trình nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời<br /> 3<br /> <br /> Ngày nhận bài: 4/1/2016, ngày chấp nhận<br /> đăng: 30/5/2016, phản biện: TS. Nguyễn Văn<br /> Tiềm.<br /> <br /> 18<br /> <br /> và những ứng dụng của nó như [1], [2],<br /> [3], [4], [5], [6]. Việc phát điện bằng<br /> hệ thống quang điện mặt trời (PV<br /> photovoltaic) đã phát triển nhanh như một<br /> dạng phát điện phân tán hiệu quả. Bất lợi<br /> lớn của việc phát điện PV là chi phí năng<br /> lượng tương đối cao. Do vậy, việc tối đa<br /> Số 11 tháng 11-2016<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> hóa hiệu quả phát điện trong ứng dụng<br /> thực tiễn là một yêu cầu quan trọng. Các<br /> mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện<br /> (I-V), công suất và điện áp (P-V) của các<br /> tấm pin có các đặc tính phi tuyến bị ảnh<br /> hưởng bởi các hệ số như cường độ<br /> bức xạ, nhiệt độ… làm giảm chất lượng<br /> thiết bị [1]. Đối với một mức độ bức xạ<br /> nhất định, có một điểm hoạt động duy<br /> nhất được gọi là điểm công suất cực đại<br /> của tấm tế bào quang điện mặt trời<br /> (Maximum Power Point - MPP).<br /> Pin mặt<br /> Ipv,upv<br /> trời<br /> <br /> Bộ biến đổi<br /> DC/DC<br /> <br /> Điều khiển<br /> bám công<br /> suất cực<br /> đại<br /> <br /> In,un<br /> <br /> Acquy<br /> <br /> Điều<br /> chế<br /> xung<br /> <br /> Hình 1. Cấu trúc của bộ sạc acquy sử dụng pin<br /> năng lƣợng mặt trời<br /> <br /> Người ta đã rất nỗ lực nghiên cứu về hoạt<br /> động điều khiển dò tìm điểm hoạt động có<br /> công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện<br /> tế bào quang điện mặt trời (Maximum<br /> Power Point Tracker - MPPT) [2], [3],<br /> [4], [5], [6]. Các phương pháp điều khiển<br /> như vậy thường điều chỉnh điện áp đầu<br /> cuối của bảng điều khiển PV tức là điện<br /> áp đầu vào tới bộ biến đổi DC/DC. Rất<br /> nhiều phương pháp điều khiển đã được<br /> phát triển cùng với MPPT, ví dụ phương<br /> pháp bảng tra cứu (LUT) [2], phương<br /> pháp máy phát điện PV dựa trên điện<br /> áp/dòng điện [3], phương pháp làm nhiễu<br /> và quan sát (Perturbation and Observation<br /> - P&O) [4] cùng các phương pháp khác.<br /> Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn bài báo đề<br /> xuất bộ nạp acquy sử dụng năng lượng<br /> Số 11 tháng 11-2016<br /> <br /> mặt trời hiệu suất cao sử dụng thuật toán<br /> P&O có cấu trúc như hình 1.<br /> 2. BỘ SẠC PIN NĂNG LƢỢNG MẶT<br /> TRỜI VỚI THUẬT TOÁN MPPT<br /> 2.1. Mô hình pin mặt trời<br /> <br /> Qua nghiên cứu [6] việc xây dựng được<br /> đặc tính mô hình pin mặt trời trên phần<br /> mềm Matlab như hình 2.<br /> Đặc tính làm việc của pin mặt trời sẽ thay<br /> đổi phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố<br /> như cường độ ánh sáng, nhiệt độ… Các<br /> yếu tố này sẽ làm cho điểm công suất cực<br /> đại của dàn pin năng lượng mặt trời thay<br /> đổi dẫn tới công suất đầu ra thay đổi và<br /> không ổn định. Bài toán đặt ra lúc này là<br /> ta phải tìm ra thuật toán dò tìm bám điểm<br /> công suất cực đại (MPPT) của pin mặt<br /> trời với mục đích luôn luôn tạo ra điểm có<br /> công suất cực đại.<br /> <br /> Hình 2. Mô hình hóa pin mặt trời bằng phần<br /> mềm Matlab<br /> <br /> 2.2. Thuật toán điều khiển bám công<br /> suất cực đại (MPPT)<br /> <br /> MPPT là phương pháp dò tìm điểm làm<br /> việc có công suất tối ưu của hệ thống<br /> nguồn điện pin mặt trời qua việc điều<br /> khiển chu kỳ đóng, mở khoá điện tử dùng<br /> 19<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> trong bộ DC/DC. Phương pháp MPPT<br /> được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống<br /> pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần<br /> được áp dụng trong hệ quang điện làm<br /> việc với lưới. MPPT bản chất là thiết bị<br /> điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV<br /> với tải để khuếch đại nguồn công suất ra<br /> khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm<br /> việc thay đổi và từ đó có thể nâng cao<br /> được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT<br /> được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và<br /> một bộ điều khiển.<br /> Có nhiều thuật toán điều khiển MPPT<br /> được đề xuất trong tài liệu [1], [2], [3],<br /> trong đó hai thuật toán cơ bản chính yếu<br /> là thuật toán độ dẫn gia tăng (IncCond) và<br /> thuật toán quan sát và nhiễu loạn (P&O).<br /> Thuật toán P&O là một thuật toán mang<br /> tính thương mại vì tính dễ thực hiện của<br /> nó. Trong thuật toán này điện áp hoạt<br /> động của pin mặt trời bị nhiễu bởi một gia<br /> số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công<br /> suất, ΔP được quan sát theo tài liệu [4],<br /> [5]. Hình 3 mô tả nguyên lý hoạt động<br /> của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra<br /> cách thức hoạt động của thuật toán.<br /> <br /> Hình 4. Lƣu đồ thuật toán P&O cho bộ sạc<br /> <br /> Thuật toán P&O như mô tả hình 4: Bộ<br /> điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng<br /> điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ<br /> sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:<br />  Nếu ∆P. ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp<br /> tham chiếu Vref.<br />  Nếu ∆P. ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp<br /> tham chiếu Vref.<br /> Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho<br /> giá trị trước đó của V, P và tiến hành<br /> đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc<br /> tiếp theo.<br /> 2.3. Bộ biến đổi DC/DC<br /> <br /> Hình 3. Đƣờng đặc tính P-V và thuật toán P&O<br /> <br /> 20<br /> <br /> Có rất nhiều bộ biến đổi DC/DC theo tài<br /> liệu [7], [8], trong bài báo nhóm tác giả<br /> lựa chọn bộ biến đổi DC/DC đảo áp buckboost. Bộ biến đổi buck-boost như mô tả<br /> ở hình 5 có rất nhiều ưu điểm, trong đó ưu<br /> Số 11 tháng 11-2016<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> điểm lớn nhất là giá trị điện áp đầu ra có<br /> thể thay đổi nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn<br /> giá trị điện áp vào. Với các thông số đầu<br /> vào của pin mặt trời thay đổi thông qua<br /> mạch điều khiển điểm công suất cực đại<br /> sẽ điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ<br /> để kích mở khóa điện tử cho bộ biến đổi<br /> DC/DC đảo áp buck-boost hoạt động. Bộ<br /> biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên<br /> nguyên tắc: khi khóa đóng, điện áp ngõ<br /> vào đặt lên điện cảm L, làm dòng điện<br /> <br /> trong điện cảm tăng dần theo thời gian.<br /> Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh<br /> hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo<br /> điện áp cảm ứng đủ để diode1 phân cực<br /> thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng<br /> khóa IGBT và ngắt khóa mà giá trị điện<br /> áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn<br /> giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp<br /> thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu<br /> của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua<br /> điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.<br /> <br /> Hình 5. Bộ biến đổi buck-boost<br /> <br /> 2.4. Kết quả mô phỏng trên matlab<br /> <br /> Qua quá trình khảo sát và phân tích đặc<br /> tính của pin mặt trời, nhóm tác giả đã tìm<br /> được các điểm công suất cực đại ứng với<br /> các yếu tố đầu vào là cường độ ánh sáng<br /> và nhiệt độ khác nhau. Kết quả các giá trị<br /> được thể hiện trong bảng 1, đặc tính I-V<br /> (hình 6) và đặc tính P-V (hình 7).<br /> Sau khi xây dựng được mô hình pin mặt<br /> trời, mô hình thuật toán P&O, mô hình bộ<br /> biến đổi buck-boost ta có sơ đồ tổng thể<br /> bộ sạc hiệu suất cao với mạch điều khiển<br /> công suất cực đại (hình 8).<br /> Số 11 tháng 11-2016<br /> <br /> Bảng 1. Bảng các thông số của pin mặt trời<br /> khi cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ thay đổi<br /> <br /> Cường<br /> Nhiệt<br /> độ ánh<br /> độ<br /> sáng<br /> (oC)<br /> 2<br /> (W/m )<br /> <br /> Công Điện<br /> suất<br /> áp<br /> Dòng<br /> tại<br /> tại<br /> điện tại<br /> điểm điểm<br /> điểm<br /> MPP MPP MPP(A)<br /> (W)<br /> (V)<br /> <br /> 1000<br /> <br /> 60<br /> <br /> 68.4<br /> <br /> 12<br /> <br /> 5.7<br /> <br /> 800<br /> <br /> 45<br /> <br /> 64<br /> <br /> 14<br /> <br /> 4.6<br /> <br /> 600<br /> <br /> 30<br /> <br /> 55<br /> <br /> 16<br /> <br /> 3.4<br /> <br /> 400<br /> <br /> 25<br /> <br /> 37<br /> <br /> 17<br /> <br /> 2.2<br /> <br /> 200<br /> <br /> 15<br /> <br /> 18<br /> <br /> 18<br /> <br /> 1<br /> <br /> 21<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> trên quy luật cường độ ánh sáng và nhiệt<br /> độ giảm phụ thuộc vào môi trường. Các<br /> điểm công suất cực đại được đưa trực tiếp<br /> vào bộ biến đổi DC/DC như hình 10<br /> chuyển đổi năng lượng đưa đến để sạc<br /> cho ắc quy, do đó hiệu suất tổng thể của<br /> bộ sạc được cải thiện khi làm việc ở các<br /> điểm công suất lớn nhất của nguồn pin.<br /> <br /> Hình 6. Họ đặc tính I-V khi cƣờng độ ánh sáng<br /> và nhiệt độ thay đổi<br /> <br /> Hình 9. Công suất cực đại theo thuật toán P&O<br /> khi cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ thay đổi<br /> <br /> Hình 7. Họ đặc tính P-V khi cƣờng độ ánh sáng<br /> và nhiệt độ thay đổi<br /> <br /> Hình 10. Công suất đầu ra<br /> của bộ biến đổi buck-boost<br /> Hình 8. Bộ sạc hiệu suất cao với mạch điều<br /> khiển công suất cực đại<br /> <br /> Trên hình 9 kết quả mô phỏng tìm điểm<br /> công suất cực đại theo thuật toán P&O<br /> với nguồn pin năng lượng mặt trời dựa<br /> 22<br /> <br /> So sánh giữa công suất đo được tại điểm<br /> MPP theo bảng 1 và kết quả mô phỏng<br /> bám điểm công suất cực đại theo hình 9 ta<br /> thấy: sai số khoảng 0,05%, thời gian bám<br /> 0,04s. Tín hiệu điều khiển cho bộ sạc và<br /> Số 11 tháng 11-2016<br /> <br />