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 (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 13 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 A STUDY ON IMPACTS OF PARTIAL SHADING ON SOLAR PHOTOVOLTAIC ARRAYS USING MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE SOFTWARE Nguyễn Xuân Hiếu(1), Bùi Đăng Thảnh(2) (1)Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam, (2)Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Tóm tắt: Mô đun quang điện được coi là bộ phận biến đổi điện năng cơ bản của hệ thống phát điện bằng năng lượng mặt trời. Đặc tính làm việc của nó phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, cường độ bức xạ mặt trời và hiện tượng bóng che. Thông thường hệ thống pin quang điện có thể bị che một phần hoặc toàn bộ bởi các đám mây, tòa nhà, cột điện, cây cối làm thay đổi đặc tính công suất phát của hệ thống này. Mặt khác, tổn thất công suất và hiệu ứng điểm nóng gây ra khi pin bị che khuất cũng đem đến những vấn đề về độ tin cậy và an toàn cho cung cấp điện. Nghiên cứu đặc tính làm việc của hệ thống dưới ảnh hưởng của bóng che rất tốn kém, do đó một mô hình mô phỏng để nghiên cứu đặc tính làm việc của hệ thống quang điện dưới ảnh hưởng của hiện tượng bóng che là rất cần thiết. Trong bài báo này, pin quang điện DS-100M được sử dụng làm đối tượng mô phỏng. Việc nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi đặc tính làm việc của hệ thống khi thay đổi các yếu tố như: mức độ che phủ pin quang điện, vị trí của mô đun quang điện bị che phủ cùng với thay đổi về nhiệt độ cũng như vai trò của bypass diode trong hệ thống bị che phủ. Các kết quả đạt được đã chỉ rõ sự thay đổi đặc tính làm việc với ảnh hưởng của hiện tượng bóng che. Các kết quả này là tích cực và sẽ hỗ trợ nhiều cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo. Từ khóa:1 Simscape; dãy pin quang điện, hiện tượng bóng che, đặc tính P-V, đặc tính I-V, bypass diode. Abstract: Solar photovoltaic module is the fundamental power transformation unit of photovoltaic (PV) generation system. The performance of a PV array is dependent on operating environmental conditions such as temperature, solar insolation, shading and array configuration. In most cases, the PV arrays may get shadowed completely or partially by passing clouds, neighboring buildings, 1 Ngày nhận bài: 17/08/2015; Ngày chấp nhận: 31/8/2015; Phản biện: TS. Nguyễn Hoàng Nam. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 14 poles, and trees, etc. Under such shaded conditions, the P-V characteristics become more complex with multiple peaks and it is very important to predict the characteristics to obtain maximum power. On the other hand, power losses and hotspot effects caused by partial shading can also bring about security and reliability problems. Due to expensiveness and time consumption, it is necessary to have a simulation model to study the impacts of partial shading on output characteristics of PV arrays under practical working conditions. In this article, a DS-100M solar PV panel is used for reference. The study also focuses on output characteristics of solar PV arrays under shading conditions: area and varying location of shaded modules, temperature changes as well as the role of bypass diode in the system. The simulation results show that PV system’s operation is significantly affected by shading and also make considerable contributions to experimental researches in future. Keywords: Simscape, photovoltaic arrays, shading effect, P-V characteristic, I-V characteristic, bypass diode. 1. GIỚI THIỆU CHUNG Mô phỏng toán học của module quang điện được nghiên cứu nhằm xác định đặc tính làm việc tối ưu của nó. Mô hình mạch điện tương đương của một tế bào quang điện bao gồm một nguồn dòng điện lý tưởng mắc song song một (hoặc hai) diode, một điện trở nối tiếp Rs, và một điện trở shunt Rsh [1-2]. Một hệ quang điện bao gồm nhiều module ghép nối tiếp hoặc song song với nhau, mỗi module lại bao gồm nhiều tế bào quang điện ghép nối tiếp [3]. Hiện tượng bóng che đối với pin quang điện là một hiện tượng ngẫu nhiên và phức tạp, nghiên cứu về nó có thể được thực hiện nhờ mô hình mô phỏng với sự hỗ trợ của các công cụ trong Simulink. Hiện tượng phủ bóng là một trong những yếu tố ảnh hưởng lên công suất đầu ra của pin quang điện cùng với nhiệt độ, cường độ bức xạ đã được đề cập trong nghiên cứu [4]. Các phương pháp mô phỏng hệ thống quang điện dùng mô hình để nghiên cứu về tác động của bypass diode, của bóng che và sự biến động của Rsh cũng được mô tả trong [5-8]. Nhìn chung, một số nghiên cứu đề cập ở trên đã đưa ra những nhận định về đặc tính làm việc của pin quang điện khi các module trong hệ thống bị che phủ cũng như vai trò của các bypass diode trong cấu trúc hệ thống. Mặc dù vậy, hình dạng của đường đặc tính làm việc toàn hệ thống khi có sự thay đổi vị trí và mức độ nhận ánh sáng của các module quang điện lại chưa được nhấn mạnh. Đồng thời, thực tế cũng cho thấy khi ánh sáng nhận được bởi module quang điện thấp hơn thì nhiệt độ làm việc cũng giảm, điều này ảnh hưởng đến công suất, đặc tính đầu ra của pin quang điện, nhưng nó lại chưa được đề cập đến trong các nghiên cứu trên. Do đó bài báo này sẽ tập trung vào nghiên cứu vai trò của bypass diode, vị trí module quang điện bị phủ bóng và nhiệt độ tới đặc tính đầu ra của hệ thống quang điện. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 15 2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN DƯỚI ẢNH HƯỞNG BÓNG CHE DÙNG MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE 2.1. Mô hình mô phỏng tế bào quang điện trong Matlab/Simulink Simscape Khối mô phỏng tế bào quang điện được phát triển sẵn trong Simulink Simscape. Nó bao gồm một nguồn dòng điện, một diode mắc ngoài và một điện trở mắc nối tiếp Rs. Thông số đầu vào cho khối này có thể cho dưới hai dạng [9]:  Thông qua dòng điện ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc;  Thông qua thông số mạch điện tương đương. Khối tế bào quang điện này có các cổng như sau: cường độ bức xạ đầu vào và đầu ra là cực (+) và (-) của tế bào (hình 1). Hình 1. Khối tế bào quang điện trong Simscape [9] Trong thực tế nhiều tế bào quang điện được ghép nối tiếp với nhau để tạo thành một module quang điện và một hệ thống quang điện hoàn chỉnh sẽ bao gồm nhiều module được ghép nối tiếp và song song với nhau. Mô hình nghiên cứu được đề xuất ở đây sẽ bao gồm 6 module ghép nối tiếp, mỗi module có 6 tế bào quang điện mắc nối tiếp với nhau (hình 2, 3, 4). Hình 2. Module quang điện mô phỏng Hình 3. Hệ thống quang điện mô phỏng TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 16 Hình 4. Hệ thống mô phỏng 2.2. Đối tượng mô phỏng Đối tượng mô phỏng là pin quang điện DS-100M có các thông số được mô tả trong bảng 1. Bảng 1. Thông số pin DS-100M Mã hiệu DS-100M Công suất cực đại (Pmp) 100 W Điện áp khi công suất cực đại (Vmp) 18 V Dòng điện khi công suất cực đại (Imp) 5.55 A Điện áp hở mạch (VOC) 21.6 V Dòng ngắn mạch (ISC) 6.11 A Số tế bào quang điện nối tiếp (NS) 36 Mã hiệu DS-100M Số tế bào quang điện song song (NP) 1 Điện áp cực đại 1000 V Phạm vi nhiệt độ vận hành -40 oC÷80oC Các thông số này được xây dựng dưới điều kiện kiểm tra: cường độ bức xạ bằng 1000 W/m2 và nhiệt độ là 250C. 2.3. Phương pháp nghiên cứu a. Ảnh hưởng của vị trí và số lượng module quang điện bị che phủ Các trường hợp che phủ và vị trí của các module quang điện được thể hiện trên bảng 2. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 17 Bảng 2. Các trường hợp nghiên cứu vị trí và số lượng module bị che phủ TH Mô tả 1 Không module nào bị che phủ (toàn bộ nhận bức xạ Ir=1000 W/m2) 2 Một module bị che (Ir=500 W/m2): vị trí module bị che thay đổi từ 1 đến 6, các module khác không bị che (Ir=1000 W/m2) 3 2 module bị che (Ir=500 W/m2), các module còn lại có Ir=1000 W/m2 a) Module 1 và 2 bị che b) Module 1 và 3 bị che c) Module 2 và 3 bị che 4 3 module bị che (Ir=500 W/m2), các module còn lại (Ir=1000 W/m2) a) Module 1, 2, 3 bị che b) Module 1, 2, 4 bị che c) Module 2, 3, 6 bị che 5 3 module bị che với mức độ khác nhau: 500, 300 và 100 W/m2 a) Module 1, 2, 3 bị che b) Module 1, 2, 4 bị che c) Module 2, 3, 6 bị che b. Ảnh hưởng của bóng che và nhiệt độ làm việc Trong thực tế khi module quang điện bị che phủ, nhiệt độ làm việc của nó giảm do đó gây ảnh hưởng đến công suất đầu ra của hệ thống. Ảnh hưởng của bypass diode được xét trên cơ sở mô hình đề xuất như hình 3 ở trên. Bảng 3. Ảnh hưởng của bóng che và nhiệt độ TH Mô tả 6 Module 1, 2, 3 bị che phủ (Ir=500 W/m2), các module còn lại (Ir=1000 W/m2). T=25oC 7 Module 1, 2, 3 bị che phủ (Ir=500 W/m2, T=15oC). Các module còn lại (Ir=1000 W/m2), T=25oC c. Ảnh hưởng của bypass diode Bảng 4. Ảnh hưởng của bypass diode TH Mô tả 8 Module 2, 3, 6 bị che phủ (Ir=500, 300 và 100 W/m2 lần lượt), T=25oC Không bypass diode cho 3 module này 9 Module 2, 3, 6 bị che phủ (Ir=500, 300 và 100 W/m2 lần lượt), T=25oC Có bypass diode cho 3 module này 10 Tất cả các module bị che phủ (Ir=100 W/m2), T=25oC. Tất cả đều có bypass diode 3. KẾT QUẢ 3.1. Ảnh hưởng của vị trí và số lượng module quang điện bị che phủ Thử nghiệm với các kịch bản mô tả ở mục 2.3 a ở trên chúng tôi nhận được các kết quả mô phỏng trong trường hợp 1, 2. như sau: TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 18 Hình 5. Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 2 Từ kết quả này ta thấy: Khi một module bị che phủ sẽ xuất hiện 2 điểm công suất cực đại (trên đường cong P-V), và giá trị công suất lớn hơn sẽ thuộc về điểm nhận 60-65% điện áp hở mạch Voc (điểm cực đại đầu tiên); đồng thời đường cong I-V có 2 bậc. Mặt khác, hình dạng đặc tính làm việc của hệ thống là không thay đổi khi vị trí của module bị che phủ thay đổi. Nhận xét này cũng đúng cho trường hợp 3 (2 module bị che phủ với mức độ như nhau) (hình 6), tuy nhiên điểm công suất cực đại sẽ dịch lên khoảng 80÷85% Voc, và công suất đầu ra thấp hơn trường hợp so khi chỉ 1 module bị che phủ. Hình 6. Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 3 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 15 Trường hợp 4 cho kết quả như trường hợp 3: công suất cực đại thuộc về điểm cực đại thứ 2 (80÷5% Voc) (hình 7). Kết quả mô phỏng khi 3 module bị che phủ với mức độ khác nhau (trường hợp 5) được ghi nhận trong hình 8 cho thấy:  Đường cong I-V, P-V có 4 bậc;  Công suất đầu ra của pin thấp hơn so với trường hợp ít module bị che phủ;  Công suất cực đại nằm ở điểm có điện áp bằng 60÷65% Voc. Nhận xét:  Khi bị bóng che, công suất đầu ra hệ thống quang điện giảm;  Số điểm công suất cực đại tăng khi số module bị che phủ tăng lên;  Với cùng số lượng module bị che phủ, hình dạng đặc tính làm việc hệ thống không thay đổi khi vị trí các module bị che phủ thay đổi;  Vị trí điểm công suất cực đại không phụ thuộc vào vị trí module bị che;  Khi các module bị che với mức độ như nhau, công suất cực đại thường ở vị trí có điện áp 80÷85% Voc. Mặt khác khi mức độ che phủ là khác nhau, giá trị này là 60÷65% Voc. Hình 7. Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 3, 4 3.2. Ảnh hưởng của bóng che và nhiệt độ Kết quả mô phỏng này nhận được với kịch bản mô phỏng trong mục 2.3 b, ta thấy: Hình dạng đường đặc tính làm việc khi có và không có ảnh hưởng của nhiệt độ là giống nhau, nhưng khi nhiệt độ thấp hơn, công suất đầu ra cao hơn (hình 8, 9). TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 20 Hình 8. Đặc tính I-V, P-V trường hợp 6, 7 Hình 9. Công suất đầu ra trường hợp 6, 7 3.3. Ảnh hưởng của bypass diode Kết quả mô phỏng nhận được cho kịch bản mô tả trong mục 2.3 c, thể hiện trên hình 10 cho thấy:  Khi không có bypass diode, công suất cực đại của hệ thống (bị che phủ với 3 mức độ là 500, 300 và 100 W/m2) rất thấp (trường hợp 8), tương đương công TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 21 suất hệ thống (có bypass diode) với mức nhận cường độ bức xạ thấp nhất là 100 W/m2 (trường hợp 10);  Khi có bypass diode (trường hợp 9), công suất cực đại hệ thống cao hơn so với hệ thống không có bypass diode (trường hợp 8). Điều này khẳng định rằng bypass diode giúp cải thiện sự làm việc của hệ thống quang điện khi bị bóng che;  Khi có bypass diode, đường cong I-V có nhiều bậc và đường cong P-V ghi nhận nhiều điểm cực đại. Số điểm cực đại không lớn hơn số bypass diode trong hệ thống;  Khi có bypass diode, hệ thống bị che phủ với mức độ khác nhau (trường hợp 9: 500, 300, và 100 W/m2) có công suất và điện áp đầu ra cao hơn khi tất cả module bị che phủ với cường độ nhỏ nhất là 100 W/m2 (trường hợp 10). Hình 10. Đặc tính I-V, P-V trường hợp 8, 9, 10 4. KẾT LUẬN Mô hình mô phỏng được xây dựng trên Matlab/Simulink Simscape đã được áp dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của bóng che lên đặc tính làm việc của hệ thống quang điện. Kết quả nghiên cứu đã chỉ ra:  Với cùng mức độ che phủ, thay đổi vị trí của module bị che phủ không làm thay đổi hình dạng của đường đặc tính làm việc I-V và P-V;  Khi bị che phủ, đặc tính I-V có nhiều bậc, đặc tính P-V xuất hiện nhiều điểm cực đại. Số điểm cực đại tăng lên khi số module bị che phủ tăng;  Số module bị che phủ càng tăng, công suất đầu ra của hệ thống quang điện càng giảm. Công suất này được ghi nhận tại điểm có điện áp bằng 60-65% Voc (1 module bị che) và 80-85% Voc (nhiều module bị che);  Khi nhiệt độ làm việc của module quang điện giảm, công suất đầu ra của hệ thống quang điện tăng; TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 22  Bypass diode giúp tăng công suất đầu ra của hệ thống quang điện. Với các kết luận trên, nghiên cứu đã làm rõ mối quan hệ giữa đặc tính làm việc của hệ thống quang điện với vị trí của module quang điện bị che phủ cũng như xét đồng thời tác động của nhiệt độ và hiện tượng phủ bóng này. Mặc dù vậy, nghiên cứu này cần tiếp tục được triển khai các nội dung sau:  Cung cấp thêm số liệu đo đạc thực nghiệm để có sự so sánh rõ hơn với kết phỏng;  Nghiên cứu ảnh hưởng của blocking diode khi hệ thống bao gồm các module mắc song song với nhau;  Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên phản ứng của bộ bắt điểm công suất cực đại MPPT;  Mô hình được đề xuất có thể kết hợp mô hình mô phỏng bộ biến đổi công suất DC-DC, DC-AC và MPPT để tạo nên hệ thống phát điện xoay chiều hoàn chỉnh. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] N. Belhaouas, M.S. Ait Cheikh, "Matlab-Simulink of photovoltaic system based on a two-diode model simulator with shaded solar cells." Revue des Energies Renouvelables, Vol. 16, No. 1, pp. 65-73, Jan. 2013. [2] Ahmed. Bouraiou, Salah Lachtar, Abdelkader Hadidi, Nadir Benamira, "Matlab/Simulink Based Modeling and Simulation of Photovoltaic Array Under Partial Shading " International Conference on Green Energy and Environmental Engineering (GEEE-2014), Sousse, Tunisia, 2014, pp. 1-5. [3] Amrita Mantri, Ajay Verma, "Developed Simulated Circuit of Photovoltaic Array under Partially Shading Conditions." International Journal of Research (IJR), Vol. 2, No. 3, pp. 468-473, Mar. 2015. [4] Mohammed S. Ibbini, Shadi Mansi, Mohammed Masadeh, Eid Al Hajri, "Simscape Solar Cells Model Analysis and Design." Computer Applications in Environmental Sciences and Renewable Energy, pp. 97-103, 2014. [5] Ramaprabha Ramabadran, Badrilal Mathur, "A Comprehensive Review and Analysis of Solar Photovoltaic Array Configurations under Partial Shaded Conditions." International Journal of Photoenergy, Vol. 3, No. 10, pp. 32-41, Oct. 2009. [6] Sridhar Ramasamy, Jeevananthan S, S.S. Dash Thamizh Selvan, "An Intelligent Differential Evolution based Maximum Power Point Tracking (MPPT) Technique for Partially Shaded Photo Voltaic (PV) Array." International Journal of Advanced Soft Computing Appllication, Vol. 6, No. 2, pp. 1-16, Jul. 2014. [7] Mohammadmehdi Seyedmahmoudian, Saad Mekhilef, Rasoul Rahmani, Rubiyah Yusof, Ehsan Taslimi Renani. "Analytical Modeling of Partially Shaded Photovoltaic Systems." Energies, Vol. 6, pp. 128-144, 2013. TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC (ISSN: 1859 - 4557) SỐ 9 - tháng 10 năm 2015 23 [8] Gunjan Varshney, D.S. Chauhan, M.P. Dave, "Simscape Based Modelling and Simulation of MPPT Controller for PV Systems " IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSR- JEEE), Vol. 9, No. 6, pp. 41-46, Nov-Dec. 2014. [9] www.mathwork.com Giới thiệu tác giả: Tác giả Nguyễn Xuân Hiếu là giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Tác giả tốt nghiệp Kỹ sư ngành Hệ thống điện tại Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2008, tốt nghiệp Thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện của Trường Đại học Wollongong, Australia năm 2012. Hướng nghiên cứu chính của là hệ thống năng lượng tái tạo, điều khiển trong các hệ thống điện phân tán. Tác giả Bùi Đăng Thảnh nhận bằng Thạc sỹ ngành Đo lường và các Hệ thống điều khiển tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2012, nhận bằng Tiến sỹ về Điện - Tự động hóa tại Trường Ecole Normale Superieure de Cachan, Cộng hòa Pháp năm 2011. Hiện là giảng viên, nghiên cứu viên của Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Hướng nghiên cứu chính là phát triển các thiết bị thông minh không dây, thiết kế các hệ thống điều khiển trong công nghiệp, các hệ thống quan trắc môi trường.