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 (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 18 BỘ SẠC PIN MẶT TRỜI HIỆU SUẤT CAO VỚI MẠCH ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHARGER HIGH EFFICIENCY PV SOLAR WITH THE CIRCUIT CONTROL MAXIMUM POWER Nguyễn Thế Vĩnh 1 , Đinh Văn Cƣờng 1 , Nguyễn Duy Trung 2 1 Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh, 2 Trường Đại học Điện lực Tóm tắt: Bài báo trình bày một bộ sạc ắc quy sử dụng năng lượng mặt trời hiệu suất cao với mạch điều khiển công suất cực đại. Để đạt được hiệu suất cao của pin mặt trời cần dùng hệ thống “tìm điểm công suất cực đại” nhằm thu hiệu suất của pin là lớn nhất. Vấn đề đề cập đến các nội dung như sau: mô hình pin năng lượng mặt trời, giải thuật điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC và mạch sạc acquy hiệu suất cao. Kết quả mô hình hóa và mô phỏng bộ sạc sẽ được trình bày. Từ khóa: Pin năng lượng mặt trời, bộ biến đổi DC/DC, mạch sạc ắc quy hiệu suất cao, thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời. Abstract: This article presents a battery charger using solar high performance with the circuit controller maximum power. To achieve high efficiency of PV solar system should use "maximum power point search" to obtain the performance of the battery is the largest. The problem refers to the contents as follows: model solar batteries, the control logic detects the maximum power point of the solar cell, piezoelectric transducer DC/DC battery charger and high performance vessels. Results modeling and simulation will be presented charger. Keywords: PV solar, DC/DC converters, circuit recharge battery high performance, methode for maximum power point tracking. 1. GIỚI THIỆU3 Hiện nay trên thế giới có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời 3 Ngày nhận bài: 4/1/2016, ngày chấp nhận đăng: 30/5/2016, phản biện: TS. Nguyễn Văn Tiềm. và những ứng dụng của nó như [1], [2], [3], [4], [5], [6]. Việc phát điện bằng hệ thống quang điện mặt trời (PV photovoltaic) đã phát triển nhanh như một dạng phát điện phân tán hiệu quả. Bất lợi lớn của việc phát điện PV là chi phí năng lượng tương đối cao. Do vậy, việc tối đa TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 19 hóa hiệu quả phát điện trong ứng dụng thực tiễn là một yêu cầu quan trọng. Các mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện (I-V), công suất và điện áp (P-V) của các tấm pin có các đặc tính phi tuyến bị ảnh hưởng bởi các hệ số như cường độ bức xạ, nhiệt độ làm giảm chất lượng thiết bị [1]. Đối với một mức độ bức xạ nhất định, có một điểm hoạt động duy nhất được gọi là điểm công suất cực đại của tấm tế bào quang điện mặt trời (Maximum Power Point - MPP). Pin mặt trời Điều khiển bám công suất cực đại Bộ biến đổi DC/DC Acquy Điều chế xung Ipv,upv In,un Hình 1. Cấu trúc của bộ sạc acquy sử dụng pin năng lƣợng mặt trời Người ta đã rất nỗ lực nghiên cứu về hoạt động điều khiển dò tìm điểm hoạt động có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện tế bào quang điện mặt trời (Maximum Power Point Tracker - MPPT) [2], [3], [4], [5], [6]. Các phương pháp điều khiển như vậy thường điều chỉnh điện áp đầu cuối của bảng điều khiển PV tức là điện áp đầu vào tới bộ biến đổi DC/DC. Rất nhiều phương pháp điều khiển đã được phát triển cùng với MPPT, ví dụ phương pháp bảng tra cứu (LUT) [2], phương pháp máy phát điện PV dựa trên điện áp/dòng điện [3], phương pháp làm nhiễu và quan sát (Perturbation and Observation - P&O) [4] cùng các phương pháp khác. Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn bài báo đề xuất bộ nạp acquy sử dụng năng lượng mặt trời hiệu suất cao sử dụng thuật toán P&O có cấu trúc như hình 1. 2. BỘ SẠC PIN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI VỚI THUẬT TOÁN MPPT 2.1. Mô hình pin mặt trời Qua nghiên cứu [6] việc xây dựng được đặc tính mô hình pin mặt trời trên phần mềm Matlab như hình 2. Đặc tính làm việc của pin mặt trời sẽ thay đổi phụ thuộc rất nhiều vào các yếu tố như cường độ ánh sáng, nhiệt độ Các yếu tố này sẽ làm cho điểm công suất cực đại của dàn pin năng lượng mặt trời thay đổi dẫn tới công suất đầu ra thay đổi và không ổn định. Bài toán đặt ra lúc này là ta phải tìm ra thuật toán dò tìm bám điểm công suất cực đại (MPPT) của pin mặt trời với mục đích luôn luôn tạo ra điểm có công suất cực đại. Hình 2. Mô hình hóa pin mặt trời bằng phần mềm Matlab 2.2. Thuật toán điều khiển bám công suất cực đại (MPPT) MPPT là phương pháp dò tìm điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng, mở khoá điện tử dùng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 20 trong bộ DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới. MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để khuếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ biến đổi DC/DC và một bộ điều khiển. Có nhiều thuật toán điều khiển MPPT được đề xuất trong tài liệu [1], [2], [3], trong đó hai thuật toán cơ bản chính yếu là thuật toán độ dẫn gia tăng (IncCond) và thuật toán quan sát và nhiễu loạn (P&O). Thuật toán P&O là một thuật toán mang tính thương mại vì tính dễ thực hiện của nó. Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát theo tài liệu [4], [5]. Hình 3 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán. Hình 3. Đƣờng đặc tính P-V và thuật toán P&O Hình 4. Lƣu đồ thuật toán P&O cho bộ sạc Thuật toán P&O như mô tả hình 4: Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:  Nếu ∆P. ∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref.  Nếu ∆P. ∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref. Sau đó cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc tiếp theo. 2.3. Bộ biến đổi DC/DC Có rất nhiều bộ biến đổi DC/DC theo tài liệu [7], [8], trong bài báo nhóm tác giả lựa chọn bộ biến đổi DC/DC đảo áp buck- boost. Bộ biến đổi buck-boost như mô tả ở hình 5 có rất nhiều ưu điểm, trong đó ưu TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 21 điểm lớn nhất là giá trị điện áp đầu ra có thể thay đổi nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Với các thông số đầu vào của pin mặt trời thay đổi thông qua mạch điều khiển điểm công suất cực đại sẽ điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ để kích mở khóa điện tử cho bộ biến đổi DC/DC đảo áp buck-boost hoạt động. Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa đóng, điện áp ngõ vào đặt lên điện cảm L, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để diode1 phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa IGBT và ngắt khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian. Hình 5. Bộ biến đổi buck-boost 2.4. Kết quả mô phỏng trên matlab Qua quá trình khảo sát và phân tích đặc tính của pin mặt trời, nhóm tác giả đã tìm được các điểm công suất cực đại ứng với các yếu tố đầu vào là cường độ ánh sáng và nhiệt độ khác nhau. Kết quả các giá trị được thể hiện trong bảng 1, đặc tính I-V (hình 6) và đặc tính P-V (hình 7). Sau khi xây dựng được mô hình pin mặt trời, mô hình thuật toán P&O, mô hình bộ biến đổi buck-boost ta có sơ đồ tổng thể bộ sạc hiệu suất cao với mạch điều khiển công suất cực đại (hình 8). Bảng 1. Bảng các thông số của pin mặt trời khi cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ thay đổi Cường độ ánh sáng (W/m 2 ) Nhiệt độ ( o C) Công suất tại điểm MPP (W) Điện áp tại điểm MPP (V) Dòng điện tại điểm MPP(A) 1000 60 68.4 12 5.7 800 45 64 14 4.6 600 30 55 16 3.4 400 25 37 17 2.2 200 15 18 18 1 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 22 Hình 6. Họ đặc tính I-V khi cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ thay đổi Hình 7. Họ đặc tính P-V khi cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ thay đổi Hình 8. Bộ sạc hiệu suất cao với mạch điều khiển công suất cực đại Trên hình 9 kết quả mô phỏng tìm điểm công suất cực đại theo thuật toán P&O với nguồn pin năng lượng mặt trời dựa trên quy luật cường độ ánh sáng và nhiệt độ giảm phụ thuộc vào môi trường. Các điểm công suất cực đại được đưa trực tiếp vào bộ biến đổi DC/DC như hình 10 chuyển đổi năng lượng đưa đến để sạc cho ắc quy, do đó hiệu suất tổng thể của bộ sạc được cải thiện khi làm việc ở các điểm công suất lớn nhất của nguồn pin. Hình 9. Công suất cực đại theo thuật toán P&O khi cƣờng độ ánh sáng và nhiệt độ thay đổi Hình 10. Công suất đầu ra của bộ biến đổi buck-boost So sánh giữa công suất đo được tại điểm MPP theo bảng 1 và kết quả mô phỏng bám điểm công suất cực đại theo hình 9 ta thấy: sai số khoảng 0,05%, thời gian bám 0,04s. Tín hiệu điều khiển cho bộ sạc và TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 23 điện áp sạc cho ắc quy được thể hiện trên hình 11 và hình 12. Ngoài ra, để tạo ra một bộ sạc thực tế hoàn chỉnh với chất lượng tốt theo yêu cầu đặc tính của ắc quy tương ứng với nguồn pin năng lượng mặt trời, công việc này nhóm tác giả sẽ nghiên cứu và công bố ở các bài báo tiếp theo. Hình 11. Tín hiệu xung điều khiển (duty) tới khóa chuyển mạch IGBT Hình 12. Điện áp đầu ra của bộ biến đổi buck-boost trong bộ sạc ắc quy 3. KẾT LUẬN Kết quả đạt được của bài báo đúng với yêu cầu đặt ra là có thể nâng cao hiệu suất của bộ sạc acquy với những điểm công suất lớn nhất của nguồn pin mặt trời tăng hiệu suất trong quá trình nạp thông qua bộ biến đổi lên đến 95%. Trên cơ sở đó tiếp tục phát triển và ứng dụng các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại để nhanh chóng bám sát điểm cực đại và nâng cao hiệu suất của bộ sạc. Bộ sạc thực tế hoàn chỉnh với chất lượng tốt sẽ được ứng dụng rộng rãi cho các nguồn sản xuất năng lượng tái tạo. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] D. L. King, et al., “Dark Current-Voltage Measurements on Photovoltaic Modules as a Diagnostic or Manufacturing Tool,” 26th IEEE PVSC Proceedings, 1997, pp. 1125-1128. [2] C.-X. Liu and L.-Q. Liu, “Research into maximum power point tracking method of photovoltaic generate system,” in Proceedings of the International Workshop on Intelligent Systems and Applications (ISA '09), May 2009. [3] Y.-C. Kuo, T.-G. Liang, J.-F. Chen, “Novel maximum-power-point tracking controller for photovoltaic energy conversion system”, IEEE Trans. Ind. Electron, 48 (3) (2001), pp. 594-601. [4] Z. Yan, L. Fei, Y. Jinjun, D. Shanxu, “Study on realizing MPPT by improved incremental conductance method with variable step-size”, in Proc IEEE ICIEA (2008), pp. 547-550. [5] C.C. Hua and C. M. Shen, “Study of maximum power tracking techniques and control of dc-dc TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 24 converters for photovoltaic power system,” Proceedings of 29th annual IEEE Power Electronics Specialists Conference, vol. 1, 1998, pp. 86-93. [6] M. Veerachary, T. Senjyu, and K. Uezato, “Voltage-based maximum power point tracking control of PV system,” IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, vol. 38, no. 1, 2002, pp. 262-270. [7] Y.F. Liu and P.C. Sen. “A general unified large signal model for current programmed dc-to-dc converters. Power Electronics”, IEEE Transactions on, 9(4) :414424, Jul 1994. [8] Nguyen The Vinh, Petit Pierre, Aillerie Michel, Salame Chafic, Charles Jean-Pierre. “Efficiency of magnetic coupled boost DC-DC converters mainly dedicated to renewable energy systems: Influence of the coupling factor”. International Journal of Circuit Theory and Applications, pp1042–1062, vol 43, Aug 2015. Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Thế Vĩnh tốt nghiệp đại học ngành kỹ thuật điện tại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên năm 2001. Tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành thiết bị, mạng và nhà máy điện tại Trường Đại học Thái Nguyên năm 2008. Nhận bằng tiến sĩ chuyên ngành điện tại Trường Đại học Lorraine, Cộng hòa Pháp. Hiện là giảng viên Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. Lĩnh vực quan tâm: Mô hình hóa hệ thống các nguồn điện phân tán, nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió, tối ưu các quá trình chuyển đổi năng lượng trong những cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời; mô hình hóa hệ thống điện từ sử dụng mô hình các bài toán nhỏ - ứng dụng tới các thiết bị điện từ có cấu trúc mỏng (vỏ máy biết áp trong các bộ biến đổi về các giải pháp nâng cao hiệu suất; nghiên cứu về các giải pháp công nghệ trong chế tạo cuộn cảm có mạch từ và máy biến áp. Điện thoại: 0912224112 Email: vinhnt@qui.edu.vn Tác giả Nguyễn Duy Trung tốt nghiệp đại học chuyên ngành điện khí hóa cung cấp điện tại Trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên năm 2001. Tốt nghiệp thạc sĩ chuyên ngành tự động hóa tại Trường Đại học Giao thông Vận tải Hà Nội năm 2011. Từ năm 2013 đến năm 2017 là nghiên cứu sinh chuyên ngành tự động hóa tại Giao thông Vận tải Hà Nội. Năm 2013 nhận bằng tiến sĩ chuyên ngành quản trị kinh doanh của Trường Đại học Bulanca, Philippin. Hiện là giảng viên Trường Đại học Điện lực. Hướng nghiên cứu: tự động hóa và điều khiển; nghiên cứu hệ thống giám sát và điều khiển DCS và SCADA cho nhà máy thủy điện, nhiệt điện, trạm biến áp 110 kV, 220 kV; mô hình hóa hệ thống các nguồn điện phân tán, nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió, tối ưu các quá trình chuyển đổi năng lượng trong những cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời; giải pháp điều khiển ngôi nhà thông minh; lưới điện thông minh; tích hợp TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) Số 11 tháng 11-2016 25 công nghệ giám sát và điều khiển cho dây chuyền công nghệ của nhà máy, Hệ thống điều khiển giám sát cho máy công cụ. Tác giả Đinh Văn Cường tốt nghiệp đại học ngành tự động hóa công nghiệp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên năm 2012. Năm 2014 là học viên cao học tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên. Hiện là giảng viên Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Quảng Ninh. Lĩnh vực quan tâm: mô hình hóa hệ thống các nguồn điện phân tán, nguồn năng lượng mặt trời, nguồn năng lượng gió, tối ưu các quá trình chuyển đổi năng lượng trong những cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời.