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