Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên đặc tính làm việc của pin quang điện sử dụng phần mềm matlab/simulink simscape

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE<br /> LÊN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN QUANG ĐIỆN<br /> SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE<br /> <br /> A STUDY ON IMPACTS OF PARTIAL SHADING ON SOLAR PHOTOVOLTAIC<br /> ARRAYS USING MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE SOFTWARE<br /> Nguyễn Xuân Hiếu(1), Bùi Đăng Thảnh(2)<br /> (1)<br /> <br /> Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam,<br /> (2)<br /> Trường Đại học Bách khoa Hà Nội<br /> <br /> Tóm tắt:<br /> Mô đun quang điện được coi là bộ phận biến đổi điện năng cơ bản của hệ thống phát điện bằng<br /> năng lượng mặt trời. Đặc tính làm việc của nó phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ,<br /> cường độ bức xạ mặt trời và hiện tượng bóng che. Thông thường hệ thống pin quang điện có thể<br /> bị che một phần hoặc toàn bộ bởi các đám mây, tòa nhà, cột điện, cây cối… làm thay đổi đặc tính<br /> công suất phát của hệ thống này. Mặt khác, tổn thất công suất và hiệu ứng điểm nóng gây ra khi<br /> pin bị che khuất cũng đem đến những vấn đề về độ tin cậy và an toàn cho cung cấp điện. Nghiên<br /> cứu đặc tính làm việc của hệ thống dưới ảnh hưởng của bóng che rất tốn kém, do đó một mô hình<br /> mô phỏng để nghiên cứu đặc tính làm việc của hệ thống quang điện dưới ảnh hưởng của hiện<br /> tượng bóng che là rất cần thiết. Trong bài báo này, pin quang điện DS-100M được sử dụng làm đối<br /> tượng mô phỏng. Việc nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi đặc tính làm việc của hệ thống khi<br /> thay đổi các yếu tố như: mức độ che phủ pin quang điện, vị trí của mô đun quang điện bị che phủ<br /> cùng với thay đổi về nhiệt độ cũng như vai trò của bypass diode trong hệ thống bị che phủ. Các<br /> kết quả đạt được đã chỉ rõ sự thay đổi đặc tính làm việc với ảnh hưởng của hiện tượng bóng che.<br /> Các kết quả này là tích cực và sẽ hỗ trợ nhiều cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo.<br /> <br /> Từ khóa:1<br /> Simscape; dãy pin quang điện, hiện tượng bóng che, đặc tính P-V, đặc tính I-V, bypass diode.<br /> <br /> Abstract:<br /> Solar photovoltaic module is the fundamental power transformation unit of photovoltaic (PV)<br /> generation system. The performance of a PV array is dependent on operating environmental<br /> conditions such as temperature, solar insolation, shading and array configuration. In most cases,<br /> the PV arrays may get shadowed completely or partially by passing clouds, neighboring buildings,<br /> 1<br /> <br /> Ngày nhận bài: 17/08/2015; Ngày chấp nhận: 31/8/2015; Phản biện: TS. Nguyễn Hoàng Nam.<br /> <br /> SỐ 9 - tháng 10 năm 2015<br /> <br /> 13<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> poles, and trees, etc. Under such shaded conditions, the P-V characteristics become more complex<br /> with multiple peaks and it is very important to predict the characteristics to obtain maximum<br /> power. On the other hand, power losses and hotspot effects caused by partial shading can also<br /> bring about security and reliability problems. Due to expensiveness and time consumption, it is<br /> necessary to have a simulation model to study the impacts of partial shading on output<br /> characteristics of PV arrays under practical working conditions. In this article, a DS-100M solar PV<br /> panel is used for reference. The study also focuses on output characteristics of solar PV arrays<br /> under shading conditions: area and varying location of shaded modules, temperature changes as<br /> well as the role of bypass diode in the system. The simulation results show that PV system’s<br /> operation is significantly affected by shading and also make considerable contributions to<br /> experimental researches in future.<br /> <br /> Keywords:<br /> Simscape, photovoltaic arrays, shading effect, P-V characteristic, I-V characteristic, bypass diode.<br /> <br /> 1. GIỚI THIỆU CHUNG<br /> <br /> Mô phỏng toán học của module quang<br /> điện được nghiên cứu nhằm xác định đặc<br /> tính làm việc tối ưu của nó. Mô hình<br /> mạch điện tương đương của một tế bào<br /> quang điện bao gồm một nguồn dòng<br /> điện lý tưởng mắc song song một (hoặc<br /> hai) diode, một điện trở nối tiếp Rs, và<br /> một điện trở shunt Rsh [1-2]. Một hệ<br /> quang điện bao gồm nhiều module ghép<br /> nối tiếp hoặc song song với nhau, mỗi<br /> module lại bao gồm nhiều tế bào quang<br /> điện ghép nối tiếp [3]. Hiện tượng bóng<br /> che đối với pin quang điện là một hiện<br /> tượng ngẫu nhiên và phức tạp, nghiên<br /> cứu về nó có thể được thực hiện nhờ mô<br /> hình mô phỏng với sự hỗ trợ của các<br /> công cụ trong Simulink. Hiện tượng phủ<br /> bóng là một trong những yếu tố ảnh<br /> hưởng lên công suất đầu ra của pin quang<br /> điện cùng với nhiệt độ, cường độ bức xạ<br /> đã được đề cập trong nghiên cứu [4]. Các<br /> phương pháp mô phỏng hệ thống quang<br /> điện dùng mô hình để nghiên cứu về tác<br /> 14<br /> <br /> động của bypass diode, của bóng che và<br /> sự biến động của Rsh cũng được mô tả<br /> trong [5-8].<br /> Nhìn chung, một số nghiên cứu đề cập ở<br /> trên đã đưa ra những nhận định về đặc<br /> tính làm việc của pin quang điện khi các<br /> module trong hệ thống bị che phủ cũng<br /> như vai trò của các bypass diode trong<br /> cấu trúc hệ thống. Mặc dù vậy, hình dạng<br /> của đường đặc tính làm việc toàn hệ<br /> thống khi có sự thay đổi vị trí và mức độ<br /> nhận ánh sáng của các module quang<br /> điện lại chưa được nhấn mạnh. Đồng<br /> thời, thực tế cũng cho thấy khi ánh sáng<br /> nhận được bởi module quang điện thấp<br /> hơn thì nhiệt độ làm việc cũng giảm, điều<br /> này ảnh hưởng đến công suất, đặc tính<br /> đầu ra của pin quang điện, nhưng nó lại<br /> chưa được đề cập đến trong các nghiên<br /> cứu trên. Do đó bài báo này sẽ tập trung<br /> vào nghiên cứu vai trò của bypass diode,<br /> vị trí module quang điện bị phủ bóng và<br /> nhiệt độ tới đặc tính đầu ra của hệ thống<br /> quang điện.<br /> SỐ 9 - tháng 10 năm 2015<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN<br /> QUANG ĐIỆN DƯỚI ẢNH HƯỞNG<br /> BÓNG CHE DÙNG<br /> MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE<br /> 2.1. Mô hình mô phỏng tế bào<br /> quang điện trong<br /> Matlab/Simulink Simscape<br /> <br /> Khối mô phỏng tế bào quang điện được<br /> phát triển sẵn trong Simulink Simscape.<br /> Nó bao gồm một nguồn dòng điện, một<br /> diode mắc ngoài và một điện trở mắc nối<br /> tiếp Rs. Thông số đầu vào cho khối này<br /> có thể cho dưới hai dạng [9]:<br />  Thông qua dòng điện ngắn mạch Isc và<br /> điện áp hở mạch Voc;<br />  Thông qua thông số mạch điện tương<br /> đương.<br /> Khối tế bào quang điện này có các cổng<br /> như sau: cường độ bức xạ đầu vào<br /> và đầu ra là cực (+) và (-) của tế bào<br /> (hình 1).<br /> Hình 2. Module quang điện mô phỏng<br /> <br /> Hình 1. Khối tế bào quang điện<br /> trong Simscape [9]<br /> <br /> Trong thực tế nhiều tế bào quang điện<br /> được ghép nối tiếp với nhau để tạo thành<br /> một module quang điện và một hệ thống<br /> quang điện hoàn chỉnh sẽ bao gồm nhiều<br /> module được ghép nối tiếp và song song<br /> với nhau. Mô hình nghiên cứu được đề<br /> xuất ở đây sẽ bao gồm 6 module ghép<br /> nối tiếp, mỗi module có 6 tế bào quang<br /> điện mắc nối tiếp với nhau (hình 2, 3, 4).<br /> SỐ 9 - tháng 10 năm 2015<br /> <br /> Hình 3. Hệ thống quang điện mô phỏng<br /> <br /> 15<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> <br /> Hình 4. Hệ thống mô phỏng<br /> 2.2. Đối tượng mô phỏng<br /> <br /> Đối tượng mô phỏng là pin quang điện<br /> DS-100M có các thông số được mô tả<br /> trong bảng 1.<br /> Bảng 1. Thông số pin DS-100M<br /> <br /> Mã hiệu<br /> <br /> DS-100M<br /> <br /> Số tế bào quang điện song<br /> song (NP)<br /> <br /> 1<br /> <br /> Điện áp cực đại<br /> Phạm vi nhiệt độ vận hành<br /> <br /> Mã hiệu<br /> Công suất cực đại (Pmp)<br /> <br /> 1000 V<br /> -40oC÷80oC<br /> <br /> DS-100M<br /> 100 W<br /> <br /> Các thông số này được xây dựng dưới<br /> điều kiện kiểm tra: cường độ bức xạ bằng<br /> 1000 W/m2 và nhiệt độ là 250C.<br /> <br /> Điện áp khi công suất cực<br /> đại (Vmp)<br /> <br /> 18 V<br /> <br /> Dòng điện khi công suất<br /> cực đại (Imp)<br /> <br /> 5.55 A<br /> <br /> Điện áp hở mạch (VOC)<br /> <br /> 21.6 V<br /> <br /> module quang điện bị che phủ<br /> <br /> Dòng ngắn mạch (ISC)<br /> <br /> 6.11 A<br /> <br /> Các trường hợp che phủ và vị trí của các<br /> module quang điện được thể hiện trên<br /> bảng 2.<br /> <br /> Số tế bào quang điện nối<br /> tiếp (NS)<br /> <br /> 16<br /> <br /> 2.3. Phương pháp nghiên cứu<br /> a. Ảnh hưởng của vị trí và số lượng<br /> <br /> 36<br /> <br /> SỐ 9 - tháng 10 năm 2015<br /> <br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC<br /> <br /> (ISSN: 1859 - 4557)<br /> Bảng 2. Các trường hợp nghiên cứu vị trí<br /> và số lượng module bị che phủ<br /> <br /> Bảng 3. Ảnh hưởng của bóng che<br /> và nhiệt độ<br /> <br /> TH<br /> <br /> Mô tả<br /> <br /> TH<br /> <br /> Mô tả<br /> <br /> 1<br /> <br /> Không module nào bị che phủ (toàn<br /> bộ nhận bức xạ Ir=1000 W/m2)<br /> <br /> 6<br /> <br /> 2<br /> <br /> Một module bị che (Ir=500 W/m2):<br /> vị trí module bị che thay đổi từ 1<br /> đến 6, các module khác không bị<br /> che (Ir=1000 W/m2)<br /> <br /> Module 1, 2, 3 bị che phủ (Ir=500<br /> W/m2), các module còn lại (Ir=1000<br /> W/m2). T=25oC<br /> <br /> 7<br /> <br /> Module 1, 2, 3 bị che phủ (Ir=500<br /> W/m2, T=15oC). Các module còn lại<br /> (Ir=1000 W/m2), T=25oC<br /> <br /> 3<br /> <br /> 2 module bị che (Ir=500 W/m2), các<br /> module còn lại có Ir=1000 W/m2<br /> a) Module 1 và 2 bị che<br /> <br /> c. Ảnh hưởng của bypass diode<br /> <br /> Bảng 4. Ảnh hưởng của bypass diode<br /> <br /> b) Module 1 và 3 bị che<br /> c) Module 2 và 3 bị che<br /> 4<br /> <br /> 3 module bị che (Ir=500 W/m2), các<br /> module còn lại (Ir=1000 W/m2)<br /> <br /> TH<br /> <br /> Mô tả<br /> <br /> 8<br /> <br /> Module 2, 3, 6 bị che phủ (Ir=500,<br /> 300 và 100 W/m2 lần lượt), T=25oC<br /> <br /> a) Module 1, 2, 3 bị che<br /> <br /> Không bypass diode cho 3 module<br /> này<br /> <br /> b) Module 1, 2, 4 bị che<br /> c) Module 2, 3, 6 bị che<br /> 5<br /> <br /> 9<br /> <br /> 3 module bị che với mức độ khác<br /> nhau: 500, 300 và 100 W/m2<br /> a) Module 1, 2, 3 bị che<br /> <br /> Module 2, 3, 6 bị che phủ (Ir=500,<br /> 300 và 100 W/m2 lần lượt), T=25oC<br /> Có bypass diode cho 3 module này<br /> <br /> b) Module 1, 2, 4 bị che<br /> <br /> Tất cả các module bị che phủ<br /> (Ir=100 W/m2), T=25oC.<br /> <br /> c) Module 2, 3, 6 bị che<br /> <br /> Tất cả đều có bypass diode<br /> <br /> b. Ảnh hưởng của bóng che và<br /> nhiệt độ làm việc<br /> <br /> Trong thực tế khi module quang điện bị<br /> che phủ, nhiệt độ làm việc của nó giảm<br /> do đó gây ảnh hưởng đến công suất đầu<br /> ra của hệ thống.<br /> Ảnh hưởng của bypass diode được xét<br /> trên cơ sở mô hình đề xuất như hình 3<br /> ở trên.<br /> SỐ 9 - tháng 10 năm 2015<br /> <br /> 10<br /> <br /> 3. KẾT QUẢ<br /> 3.1. Ảnh hưởng của vị trí và số<br /> lượng module quang điện bị che<br /> phủ<br /> <br /> Thử nghiệm với các kịch bản mô tả ở<br /> mục 2.3 a ở trên chúng tôi nhận được các<br /> kết quả mô phỏng trong trường hợp 1, 2.<br /> như sau:<br /> 17<br /> <br />