Thiết kế bộ biến đổi DC/DC trong điều khiển nguồn pin mặt trời

KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 35<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> SỐ 05 NĂM 2019<br /> Thiết kế bộ biến đổi DC/DC<br /> trong điều khiển nguồn pin mặt trời<br /> TS. LÊ KIM ANH<br /> Trường Cao đẳng Công Thương miền Trung<br /> <br /> <br /> Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn pin mặt trời để phát điện có<br /> ý nghĩa thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các<br /> nguồn nhiên liệu hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Việc<br /> ứng dụng bộ biến đổi DC/DC trong điều khiển nguồn pin mặt trời nhằm nâng<br /> công suất và điện áp, kết hợp điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT)<br /> được coi là một phần không thể thiếu trong hệ thống điều khiển nguồn pin mặt<br /> trời. Bài báo đưa ra kết quả mô phỏng điều khiển cho nguồn pin mặt trời sử<br /> dụng bộ biến đổi DC/DC, nhằm duy trì công suất phát tối đa của hệ thống pin.<br /> Từ khóa: Bộ biến đổi DC/DC, điểm cực đại, pin mặt trời.<br /> <br /> <br /> <br /> 1. Đặt vấn đề DC/AC,.. Theo [2], hệ thống điện mặt trời bị<br /> Năng lượng mặt trời là dạng nguồn năng phụ thuộc vào phụ tải, cấp điện áp, và nhiều<br /> lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn. Đây là yếu tố khác, thông thường có 2 loại cơ bản<br /> một trong các nguồn năng lượng tái tạo rất được sử dụng phổ biến là: cấu hình một cấp<br /> quan trọng. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng biến đổi và cấu hình 2 cấp biến đổi. Với cấu<br /> nguồn năng lượng điện mặt trời này sao cho hình 2 cấp biến đổi, bộ biến đổi DC/DC được<br /> hiệu quả và thay thế dần các nguồn năng sử dụng để nâng điện áp đầu ra của hệ thống<br /> lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt, gây ô pin mặt trời đến điện áp cao hơn phù hợp với<br /> nhiễm môi trường đang là mục tiêu nghiên phụ tải một chiều và cấp điện áp xoay chiều<br /> cứu của các nhà quản lý. Theo [1], năng lượng của lưới kết nối. Tuy nhiên, việc sử dụng bộ<br /> mặt trời thực chất là nguồn năng lượng nhiệt biến đổi một chiều có thể làm tăng tổn thất<br /> hạch vô tận của thiên nhiên. Hàng năm mặt công suất trong hệ thống và có thể dẫn đến<br /> trời cung cấp cho trái đất một năng lượng giảm hiệu suất chuyển đổi năng lượng của<br /> khổng lồ, gấp 10 lần trữ lượng các nguồn toàn hệ thống điện mặt trời. Để tiết kiệm<br /> nhiên liệu có trên trái đất. Thành phần cơ bản điện năng, chúng ta cần phải tăng hiệu suất<br /> của một hệ thống điện mặt trời bao gồm: các chuyển đổi bộ biến đổi DC/DC. Trong thực<br /> tấm pin mặt trời, bộ dữ trữ năng lượng (ắc tế cho thấy, hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC<br /> quy), bộ biến đổi DC/DC, và bộ nghịch lưu không phải là hằng số mà phụ thuộc nhiều<br /> 36 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT<br /> vào công suất truyền tải qua nó [3]. Thông Is: là dòng điện bão hòa của pin; Iph: là dòng<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> thường hiệu suất của bộ chuyển đổi DC/DC quang điện; Tc: nhiệt độ làm việc của pin; Rsh<br /> đạt cực đại trong phạm vi 50%-60% công suất : điện trở shunt; Rs : điện trở của pin; A: hệ số<br /> thiết kế và giảm nhanh nếu công suất qua nó lý tưởng.<br /> càng nhỏ. Tuy nhiên, ở các tấm pin mặt trời, Theo công thức (1) dòng quang điện phụ<br /> công suất đầu ra không cố định, công suất<br /> thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt độ<br /> đạt định mức ở khoảng thời gian gần trưa và<br /> làm việc của pin do đó:<br /> công suất đầu ra nhỏ vào lúc sáng và chiều,<br /> thời gian công suất bé hơn 40% có thể đạt<br /> vài giờ trong ngày, chưa kể đến hiện tượng<br /> bóng che và ngày ít nắng. Như vậy, trong với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ<br /> trường hợp này, công suất chạy qua bộ biến<br /> 25 C; KI: hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn<br /> 0<br /> đổi DC/DC sẽ khá nhỏ (nhỏ hơn 40%) nên<br /> mạch; Tref: nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ<br /> hiệu suất của bộ biến đổi rất thấp và phần<br /> tham chiếu); H: bức xạ của mặt trời kW/m2.<br /> lớn công suất bị tiêu hao trong bộ biến đổi.<br /> Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với<br /> Vì vậy, việc thiết kế một bộ biến đổi DC/DC<br /> nhiệt độ của pin được tính như sau:<br /> có hiệu suất cao là cực kỳ cần thiết. Nhiều tác<br /> giả đã đưa ra cấu trúc của bộ biến đổi DC/<br /> DC với hiệu suất cao [4]. Hầu hết các nghiên<br /> cứu này đều nhằm giảm tổn thất trong bộ<br /> biến đổi và từ đó nâng cao hiệu suất của bộ<br /> biến đổi. Hiệu suất của nó vẫn phụ thuộc Trong đó: IRS: là dòng bão hòa ngược ở<br /> vào công suất đi qua nó. Điều đó có nghĩa bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời; EG:<br /> rằng, trong khoảng thời gian công suất đầu năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ<br /> ra của tấm pin mặt trời rất thấp thì hiệu suất thuộc vào hệ số lý trưởng và công nghệ làm<br /> của bộ biến đổi DC/DC vẫn rất thấp. Do vậy, pin. Mặt khác một pin mặt trời có điện áp<br /> việc thiết kế bộ biến đổi DC/DC có cấu trúc khoảng 0,6V, do đó muốn có điện áp làm việc<br /> sao cho chúng ta có thể duy trì được công cao thì ta mắc nối tiếp các pin lại, muốn có<br /> suất đi qua bộ DC/DC gần với công suất làm dòng điện lớn thì mắc song song, như hình 1.<br /> việc bình thường (hiệu suất cao) dù cho công Như vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là:<br /> suất đầu ra của PV thấp là rất cần thiết. Bài<br /> báo giới thiệu cách thiết kế một bộ biến đổi<br /> DC/DC áp dụng trong điều khiển nguồn pin<br /> mặt trời nhằm cải thiện hiệu suất của cả hệ<br /> thống nguồn pin mặt trời. Ở đây, bộ biến đổi<br /> được lựa chọn trong bài viết này là cải tiến bộ<br /> Boost Converter thông thường.<br /> 2. Mô hình pin mặt trời<br /> Dòng điện đầu ra của pin theo [5], được<br /> tính như sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-<br /> 19<br /> C; k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K; Hình 1. Dòng điện 1 modul tấm pin<br />  KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT 37<br /> 3. Thiết kế bộ biến đổi DC/DC Bộ điều khiển cho hệ Boost Converter<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> SỐ 05 NĂM 2019<br /> Với cấu hình 2 cấp biến đổi, bộ biến đổi lấy tín hiệu vào là điện áp đo được từ dàn<br /> DC/DC được sử dụng để nâng điện áp đầu pin mặt trời Vpv , điện áp đầu ra Vdc để đưa<br /> ra của hệ thống nguồn pin mặt trời đến điện tới đầu vào cho bộ nghịch lưu DC/AC. Trong<br /> áp cao hơn phù hợp với phụ tải một chiều, phạm vi bài viết này, tác giả chỉ nghiên cứu<br /> như hình 2. bộ biến đổi DC/DC. Theo [7], nhằm giảm tổn<br /> thất trong bộ biến đổi DC/DC để nâng cao<br /> a) Sơ đồ nguyên lý hiệu suất của bộ biến đổi bằng cách kết nối<br /> 2 IGBT mắc song song, như hình 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a) b)<br /> <br /> Hình 4. Bộ biến đổi DC-DC cải tiến<br /> <br /> b) Sơ đồ điều khiển 3.2. Thuật toán điều khiển MPPT<br /> Theo [8], sử dụng thuật toán bám công<br /> suất cực đại nhiễu loạn và quan sát P&O<br /> (Perturb and Observer algorithm). Đây là một<br /> phương pháp đơn giản và được sử dụng thông<br /> dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán<br /> và việc thực hiện dễ dàng. Thuật toán này xem<br /> xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm<br /> được điểm làm việc có công suất lớn nhất. Nếu<br /> sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng<br /> Hình 2. Hệ thống nguồn pin mặt trời sử dụng bộ<br /> biến đổi DC/DC lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên<br /> chiều hướng tăng hoặc giảm. Ngược lại, nếu<br /> 3.1. Bộ biến đổi DC/DC sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự<br /> Theo [6], bộ biến đổi DC/DC trong hệ biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay<br /> thống nguồn pin mặt trời được lựa chọn là đổi ngược lại. Khi điểm làm việc có công suất<br /> bộ Boost Converter (hay còn gọi bộ tăng áp lớn nhất được xác định trên đường cong đặc<br /> một chiều) có cấu trúc như hình 3. tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung<br /> quanh điểm MPPT, như hình 5.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 5. Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn<br /> Hình 3. Bộ biến đổi DC-DC nhất P&O<br /> 38 KHOA HOÏC KYÕ THUAÄT<br /> Sự dao động điện áp làm tổn hao công<br /> TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ VÀ MÔI TRƯỜNG<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi<br /> điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định.<br /> Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều<br /> chỉnh logic trong thuật toán P&O như hình<br /> 6. Thuật toán P&O hoạt động tốt khi điều<br /> kiện thời tiết thay đổi đột ngột, phản ứng<br /> bám điểm công suất cực đại với thời gian rất<br /> nhanh, độ quá điều chỉnh nhỏ. Bộ điều khiển<br /> Hình 7. Bộ biến đổi DC-DC cải tiến dùng thuật toán<br /> MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, MPPT điều khiển<br /> sau đó tính toán độ 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. Sau đó cập nhật các giá trị<br /> mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến<br /> hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc<br /> tiếp theo.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 8. Thông số của tấm pin<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 6. Lưu đồ thuật toán P&O<br /> <br /> 3.3. Lắp đặt thử nghiệm<br /> Để thử nghiệm bộ biến đổi Boost DC/<br /> DC cải tiến như hình 7. Ở đây tác giả sử dụng<br /> các tấm pin mặt trời loại SUN 325-72P có các<br /> thông số như hình 8. Ở điều kiện tự nhiên tại<br /> Khoa Điện và Tự động hóa, Trường Cao đẳng<br /> Công Thương miền Trung, số lượng lắp đặt<br /> nối tiếp 8 tấm như hình . Hình 9. Lắp đặt nối tiếp 8 tấm pin<br />