Embed Size (px)
Citation preview
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC THÁI NGHUYÊN
--------------***--------------
LÊ TIÊN PHONG
NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHAI THÁC NGUỒN PIN MẶT TRỜI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa Mã số: 62. 52. 02. 16
TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - NĂM 2017
C6ng trinh dugc hodn thdnh t4i:
Trulng D?i hgc Ki thuft cdng nghiQp - Dai hgc Thrli Nguy6n
Ngudi hucmg d6n khoa hgc 1: PGS.TS. Nguy6n Vdn Li6n
Ngudi hucrng d6n khoa hog,2: PGS.TS. Ngd Dric Minh
PhAn biQn dQc lap I :.
Ph6n biQn dQc lqp 2:
PhAn bi6n 1:
PhAn biQn 2:
Phin biQn 3:
Lupn 6n sE dugc b6o vo tru6c HQi d6ng chAm lufln 6n c6p TruongHsp tpi:
r r \ r ) , .Vao hor gio ngdy thdng n6m
CO ttrO tim hi6u lu6n 6n tai:
Thu viQn Trulng Dpi hgc K! thuft cdng nghiQp - EHTN
Trung t6m hgc liQu - Dai hoc ThfuiNguy6n
Thu vi6n Qudc gia
DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG BỐ
1. Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh (2014), “Research on Designing an Energy
Management System for Isolated Photovoltaic Source”, Tạp chí Khoa học và
Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, ISSN 1859-2171, tập 117, số 13.
2. Ngô Minh Đức, Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh (2015), “Nghiên cứu điều
khiển bộ biến đổi điện tử công suất khai thác nguồn pin mặt trời trên mô hình
thiết bị thực”, Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, ISSN
1859-2171, Tập 132, số 02.
3. Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh, Nguyễn Văn Liễn (2015), “A New Method
to Identify Maximum Power Point for Photovoltaic Generation”, Hội thảo quốc
tế IEEE ComManTel 2015 tổ chức tại Đà Nẵng và IEEE Xplore, ISBN: 978-1-
4673-6547-5.
4. Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh, Nguyễn Văn Liễn (2016), “Một phương
pháp điều khiển mới nâng cao khả năng khai thác nguồn pin mặt trời”, Hội nghị
toàn quốc lần thứ 8 về Cơ điện tử - VCM 2016 tổ chức tại Cần Thơ, ISBN: 978-
1-4673-6547-5.
5. Lê Tiên Phong, Ngô Đức Minh, Nguyễn Văn Liễn (March 2017),
“Improving Efficiency and Response for Photovoltaic Power Generation with
DC/DC Buck Converter”, International Journal of Engineering Research and
Technology (IJERT), ISSN: 2278-0181, Vol. 6, Issue 3.
-1-
MỞ ĐẦU Tính cấp thiết của đề tài: Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về tìm điểm công suất cực đại (MPP) cho nguồn pin mặt trời (PVg). Tuy nhiên, chưa có nghiên cứu nào giải quyết một cách trọn vẹn vấn đề khai thác tối đa công suất ở điều kiện vận hành bất kỳ dựa trên mô hình đầy đủ của PVg, qua đó chưa đánh giá được hiệu quả năng lượng thực sự đầy đủ, chính xác trong quá trình khai thác PVg. Nguyên nhân của điều này là trước đây các thiết bị đo công suất của bức xạ mặt trời (G), nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n chưa thực sự phổ biến, chưa phù hợp với mỗi chủng loại PVg, giá thành cao. Đặc biệt, mô hình toán học của PVg phục vụ cho quá trình mô hình hóa, mô phỏng, thực nghiệm cũng chưa nhận được sự quan tâm và giải quyết triệt để. Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời" nhằm hoàn thiện các vấn đề còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm đầy đủ như đã kể trên.
Mục đích nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu hoàn thiện mô hình toán học cho PVg và xây dựng giải pháp mới giúp xác định chính xác thông số tại điểm công suất cực đại (MPP), qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển khai thác tối đa công suất của PVg trong mọi điều kiện vận hành có xét tới sự thay đổi ngẫu nhiên của (G, T).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: Đối tượng nghiên cứu là cấu trúc hệ thống khai thác PVg được làm từ chất bán dẫn cấu trúc tinh thể trong mạng điện phân tán công suất vừa và nhỏ. Phạm vi nghiên cứu là các cell của PVg đồng nhất và làm việc trong điều kiện hoàn toàn giống nhau.
Trọng tâm nghiên cứu của luận án: Nghiên cứu áp dụng phương pháp Newton-Raphson xác định các thông số ẩn cho PVg. Đề xuất áp dụng kỹ thuật IB (dò và chia đôi) để xác định thông số tại MPP và xây dựng mối quan hệ giữa hệ số đặc trưng n với nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n. Kết hợp kỹ thuật IB trong bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT) với kỹ thuật điều khiển trượt (SMC) hoặc kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình (AVC) để điều khiển BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost nhằm đạt được mục tiêu bám đuổi được MPP ở mọi thời điểm, qua đó nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng từ PVg. Thực hiện việc điều khiển khai thác tối đa công suất thu được từ PVg và phát vào lưới điện. Xây dựng cấu trúc mô phỏng hệ thống bằng Matlab để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết, đồng thời kết hợp cho cài đặt điều khiển trên mô hình thiết bị thực.
Phương pháp nghiên cứu: Phân tích hệ thống và xác định đặc thù của đối tượng nghiên cứu thông qua nhiều cách tiếp cận. Lựa chọn và xây dựng những công cụ toán học cần thiết cho nghiên cứu. Lựa chọn công cụ đánh giá và kiểm chứng kết quả nghiên cứu, cụ thể là: Mô hình hóa mô phỏng bằng phần mềm Matlab và cài đặt thử nghiệm thuật toán điều khiển trên mô hình thiết bị thực.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài:
- Ý nghĩa khoa học chính của đề tài là hoàn thiện được mô hình toán học cho cấu trúc PVg bất kỳ, xây dựng và giải quyết được bài toán xác định chính xác thông số tại MPP ở điều kiện vận hành thực tế, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển giúp khai thác hoàn toàn công suất ở mọi điều kiện vận hành với các giá trị bất kỳ của (G, T).
- Ý nghĩa thực tiễn chính là xây dựng mô hình toán đầy đủ của PVg bổ sung cho các tài liệu, sách, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh vực điều khiển khai thác loại nguồn này. Hơn nữa, đề tài cũng đem lại kinh nghiệm cài đặt và điều khiển đối với hệ thống khai thác PVg nói riêng và các dạng nguồn phân tán sử dụng năng lượng tái tạo khác nói chung.
-2-
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1 Khái quát về nguồn pin mặt trời
1.2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời
1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời
1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết
1.4.1 Một số vấn đề còn tồn tại
• Vấn đề vận hành ở MPP cho đến nay vẫn tồn tại những nhược điểm, cụ thể:
- Kỹ thuật CV chỉ tương đối phù hợp khi vận hành PVg ở gần điều kiện vận hành tiêu chuẩn (STC).
- Kỹ thuật Temp chỉ tương đối phù hợp ở mức G cao (gần với Gstc=1000 W/m2).
- Kỹ thuật OG sử dụng thông tin về (G, T) và cần cung cấp đầy đủ các thông số của chủng loại PVg. Sử dụng kỹ thuật tính lặp, việc tính toán thông số tại MPP gặp nhiều khó khăn và thiếu chính xác do phải sử dụng mô hình toán học giản lược của PVg (lược bớt thành phần dòng điện ở 1 vế trong phương trình mô tả PVg để giảm bớt tính đa biến), việc xác định dấu và độ lớn của độ dốc gặp nhiều khó khăn.
- Kỹ thuật P&O, INC và ESC không bao giờ tồn tại một trạng thái vận hành ổn định do thông tin có được từ thiết bị đo lường luôn dao động khiến cho bộ điều khiển luôn đi tìm điểm làm việc mới và luôn gây tổn hao công suất trong mạch. Hơn nữa, độ tổn hao công suất khi sử dụng các kỹ thuật này trong các điều kiện vận hành thực tế còn phụ thuộc vào bước nhảy độ rộng xung ∆d nên không thực sự khai thác được hết năng lượng của PVg.
- Kỹ thuật ANN sử dụng thông tin về (G, T) với bản chất là áp dụng ngay kỹ thuật điều khiển trong MPPT nên phải dùng các máy tính tốc độ cao, bộ nhớ lớn, mất nhiều thời gian để thu thập nhiều mẫu giá trị, đánh giá thử nghiệm, huấn luyện đặc biệt cho mỗi cấu trúc của PVg rồi mới sử dụng được. Kỹ thuật ANN, FL kết hợp với kỹ thuật P&O để giảm tổn hao công suất thông qua quá trình theo dõi và thay đổi ∆d khi đang ở gần MPP thường không có ý nghĩa trong thực tiễn bởi vì giá trị của G trong thực tế không thực sự giữ ổn định nên PVg luôn làm việc ở trạng thái dao động.
- Kỹ thuật OV và SC luôn gây dao động trong mạch, gây mất mát năng lượng trong những khoảng thời gian gây hở mạch hoặc ngắn mạch và bộ điều khiển thích ứng trở lại.
- Giải pháp tiếp cận MPP sử dụng kỹ thuật SMC như MPPT chưa đánh giá đúng bản chất của PVg khi coi tổng trở tải không đổi hoặc hoặc chưa đưa ra được giải pháp xác định thông tin công suất tại MPP để đánh giá điểm dừng của chế độ trượt. Giải pháp kết hợp kỹ thuật SMC với kỹ thuật P&O hoặc ESC vẫn giữ những nhược điểm của kỹ thuật P&O.
Các phân tích trên cho thấy có rất nhiều các nghiên cứu tập trung vào vấn đề tìm MPP và có nhiều cách tiếp cận MPP từ nhiều hướng khác nhau. Mặc dù hầu hết các kỹ thuật trên đều đưa ra nhận định về MPP theo thời gian thực khi vận hành thực tế nhưng sự phân loại các kỹ thuật này chưa thống nhất và không thể hiện được bản chất của mỗi dạng kỹ thuật đó. Vì vậy, luận án đề xuất phân chia các kỹ thuật này thành nhóm các kỹ thuật offline và nhóm các kỹ thuật online.
Nhóm thứ nhất là kỹ thuật offline, bao gồm kỹ thuật Temp, OG, ANN, CV. Đặc điểm chung của nhóm kỹ thuật này là đưa ra dự đoán về MPP trước rồi mới đưa ra tín hiệu điều khiển để BBĐ đưa PVg về chế độ vận hành mong muốn và cần phải cung cấp các thông số của PVg cho bộ điều khiển. Cho đến thời điểm hiện
-3-
tại, nhóm kỹ thuật này tồn tại nhược điểm chưa khắc phục được như chỉ chính xác khi điều kiện vận hành gần với STC (G=Gstc=1000 W/m2, T=Tstc=250C) hoặc mất nhiều thời gian để bộ điều khiển thích ứng được với chủng loại PVg được sử dụng.
Nhóm thứ hai là kỹ thuật online, bao gồm OV, CV, P&O, INC, trọng lượng 3 điểm, ESC, ANN, FL kết hợp P&O. Đặc điểm chung của nhóm kỹ thuật này là chủ động can thiệp vào mạch bằng xung điều khiển để thử phản ứng của PVg rồi mới đưa ra dự đoán về MPP. Để thực hiện, các kỹ thuật này không cần cung cấp đầy đủ các thông số của PVg, dễ thực hiện do chủ yếu dựa trên thông tin về dòng điện, điện áp tức thời ở đầu ra của PVg. Nhược điểm chủ yếu của nhóm kỹ thuật này là tạo dao động trong mạch, gây tổn thất năng lượng nên không thể khai thác được toàn bộ năng lượng của PVg ở các điều kiện vận hành khác nhau.
• Vấn đề mô hình hóa PVg: Vấn đề tồn tại bên cạnh tìm MPP là các nhà sản xuất không công bố đầy đủ các thông số của mỗi panel. Hơn nữa, PVg lại thường có những cấu trúc ghép nhiều panel với nhau khiến cho các thông số trên mô hình toán học của cấu trúc ghép cũng là những yếu tố ẩn. Những tham số ẩn này khiến việc thực hiện mô hình hóa, mô phỏng PVg thiếu chính xác và không đánh giá được toàn diện phản ứng của PVg trong những điều kiện vận hành khác nhau.
Giá trị của các thông số ẩn như dòng quang điện Iph, điện áp nhiệt lớp tiếp giáp Vt, điện trở nối tiếp RS, điện trở song song Rp, dòng quang điện bão hòa I0 ở STC đã được đề xuất xác định bởi phương pháp Gauss-Seidel hoặc phương pháp Newton-Raphson. Riêng hệ số đặc trưng n của diode lại không được xác định và thường được nhà nghiên cứu về điều khiển bỏ qua khiến cho việc xác định MPP khó khăn và không chính xác.
1.4.2 Tiếp cận vấn đề
Phân tích các kỹ thuật online một cách chi tiết hơn cho thấy nguyên nhân của việc luôn phải đi dò tìm điểm làm việc mới để phán đoán về MPP là không đánh giá được sự thay đổi của biến đầu vào (G, T). Bên cạnh đó, khi xem xét vấn đề tìm MPP ở góc nhìn khác, kỹ thuật Temp, OG hay ANN có sử dụng thông tin về (G, T) tuy còn tồn tại những nhược điểm riêng nhưng đã đưa ra một ý tưởng khá tốt để vận hành PVg. Ý tưởng đó chính là ấn định một lượng điều khiển phù hợp với sự thay đổi của (G, T) giúp khắc phục yếu tố đặc điểm dễ dao động của PVg, tránh gây hao hụt công suất trong mạch. Trong đó, kỹ thuật ANN mặc dù sử dụng thông tin về (G, T) nhưng các giá trị này chỉ có ý nghĩa xây dựng lịch sử vận hành về đối tượng PVg. Mặt khác, kỹ thuật OG đưa ra ý tưởng sử dụng mô hình toán học chính xác của PVg nhưng phải lược bỏ bớt thành phần phi tuyến, chưa xây dựng được phương pháp luận để xác định hệ số ước lượng nghiệm khiến việc xác định MPP gặp nhiều khó khăn và phải dụng thông tin của (G, T), trong đó T là thông tin về nhiệt độ môi trường Tamb có được nhờ sử dụng một cảm biến đo nhiệt độ (TempS).
Những nhận định trên cho thấy PVg cũng giống như bất kỳ loại nguồn điện nào khác, muốn khai thác được tối đa công suất thì phải xác định được chính xác MPP ở mọi điều kiện vận hành tương ứng với cặp giá trị (G, T) và phù hợp với loại PVg sử dụng để cung cấp cho bộ điều khiển. Lý do trước đây ý tưởng này chưa được các nhà nghiên cứu tập trung vì gặp phải hạn chế vấn đề mô hình toán học mô tả PVg và bị hạn chế về thiết bị như cần phải sử dụng PYR (Pyranometer) có dải bước sóng bức xạ mặt trời đo được phù hợp với dải bước sóng bức xạ mặt trời mà PVg có thể hấp thụ cũng như cách lấy thông tin về T. Với thông tin về G, trên thị trường hiện nay có nhiều loại PYR với nhiều dải bước sóng hấp thụ và giá thành khác nhau. Trong đó PYR-BTA của hãng Vernier có dải bước sóng hấp thụ từ (380 ÷ 1140) nm rất phù hợp với PVg làm từ chất bán dẫn có giá chỉ vài triệu. Với thông tin về T, có thể sử dụng TempS gắn ở mặt sau của PVg và thông tin
-4-
về T có được từ TempS là do quá trình truyền nhiệt từ panel PVg vào TempS. Cách thực hiện đo nhiệt này sẽ cung cấp thông tin về T chính xác nhất vì ít chịu ảnh hưởng của nhiệt từ bức xạ mặt trời nhất.
1.4.3 Đề xuất hướng giải quyết
Bài toán vận hành PVg tại MPP chỉ được sử dụng trong những hệ thống có khả năng hấp thụ công suất không giới hạn như kho điện hoặc lưới điện. Bản chất của bài toán này là sự hợp nhất của hai bài toán: đưa ra nhận định về MPP và sử dụng các kỹ thuật điều khiển để đưa PVg về vận hành ở MPP. Với mục tiêu nâng cao hiệu quả khai thác PVg, cụ thể là xây dựng phương pháp luận cụ thể để cải tiến MPPT và thiết lập các giải pháp điều khiển, luận án sẽ tập trung vào một số vấn đề sau:
- Giải quyết vấn đề xác định thông số ẩn của PVg với việc áp dụng phương pháp Newton-Raphson. Trên cơ sở đó, đề xuất một kỹ thuật offline mới, kỹ thuật IB (dò và chia đôi) để xác định chính xác thông số tại MPP, qua đó cung cấp thông tin cho bộ điều khiển. Đồng thời, hoàn thiện mô hình toán cho PVg thông qua đề xuất sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu để xây dựng hàm n(T) giúp nâng cao tính chính xác cho MPPT đã đề xuất ở điều kiện vận hành bất kỳ.
- Xây dựng hai phương pháp điều khiển IB-SMC và IB-AVC (kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật SMC và AVC) áp dụng cho BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost giúp nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng PVg. Hơn nữa, luận án sẽ tiến hành mô phỏng so sánh phương pháp điều khiển đề xuất với một vài phương pháp điều khiển sử dụng kỹ thuật tìm MPP truyền thống như CV, OV, Temp, P&O dựa trên tiêu chí hiệu quả năng lượng. Đồng thời, thông qua mô phỏng, luận án sẽ đánh giá khả năng áp dụng vào thực tế của phương pháp IB-SMC và phương pháp IB-AVC để áp dụng cho bài toán điều khiển kết nối lưới và thực nghiệm.
1.5 Kết luận chương 1
• Đúc kết từ các tài liệu tham khảo chọn lọc, chương 1 đã chỉ ra được những vấn đề còn thiếu trong các nghiên cứu về PVg như sau: Giá trị các tham số trên mô hình toán của PVg không được nhà sản xuất công bố đầy đủ, thông số tại MPP (Vmpp, Impp, Pmpp) ở điều kiện vận hành bất kỳ tương ứng với các cặp giá trị khác nhau về (G, T) và các cell của PVg hoàn toàn giống nhau không được xác định chính xác. Biện pháp điều khiển đưa điểm vận hành hiện thời của PVg về điểm vận hành mong muốn (MPP) vẫn chưa thống nhất và có nhiều biện pháp đã được sử dụng nhưng vẫn còn tồn tại những nhược điểm.
• Dựa trên các phân tích về những vấn đề còn thiếu, các chương tiếp theo sẽ thực hiện giải quyết các vấn đề sau: Xây dựng giải pháp xác định các tham số ẩn cho cấu trúc PVg bất kỳ; xây dựng mô hình toán học đầy đủ, nhận dạng chính xác MPP cho PVg ở điều kiện vận hành bất kỳ; xây dựng cấu trúc điều khiển theo mô hình toán học chính xác của PVg cho BBĐ DC/DC và BBĐ DC/AC có kết nối lưới; kiểm chứng kết quả nghiên cứu trên phần mềm Matlab và trên mô hình thiết bị thực.
CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH HÓA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT
CỰC ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI 2.1 Mô hình toán học của nguồn pin mặt trời
Sơ đồ thay thế của PVg thường được sử dụng là mô hình mạch điện một diode như trên hình 2.1.
-5-
+
-
vpv
ipv RS
Rp
Ip Id Iph
A
Diode + -
Hình 2.1 Sơ đồ mạch tương đương của PVg
Áp dụng định luật Kirchhoff 1 tại nút A: pv pv S pv pv Spv ph 0
t p
v i R v i Ri I I exp 1
nV R
+ + = − − − (2.6)
Công suất tức thời phát ra từ PVg: pv pv pvp v i=
Với mỗi panel PVg, các nhà sản xuất chỉ cung cấp datasheet cho biết giá trị của điện áp hở mạch VOC, dòng điện ngắn mạch ISC, thông số tại MPP ở STC, hệ số thay đổi của điện áp, dòng điện, công suất theo T và một số đồ thị biểu diễn sự thay đổi của công suất theo G khi T=250C. Vì vậy, nếu không xét đến n (coi n=1) thì mô hình toán học của PVg luôn luôn tồn tại các thông số ẩn Iph, I0, Vt, RS, Rp. Các thông số ẩn này có thể được đo trong phòng thí nghiệm nhưng không được công bố rộng rãi trong các sản phẩm thương mại. Điều này khiến cho công tác mô hình hóa, mô phỏng để đánh giá chính xác hoạt động của PVg trước khi lắp đặt thực tế gặp nhiều khó khăn. Vì vậy, cần phải xây dựng một phương pháp luận để xác định giá trị các thông số ẩn cho mỗi cấu trúc PVg bất kỳ. 2.2 Xây dựng giải pháp nhận dạng các thông số ẩn cho pin mặt trời ở điều kiện vận hành tiêu chuẩn
2.2.1 Nêu vấn đề: Giải quyết bài toán xác định thông số ẩn của PVg ở STC chính là giải một hệ phương trình phi tuyến với 5 ẩn số là RS, Rp, I0, Iph, Vt (n=1 ở STC) khi thành lập đủ 5 phương trình có chứa 5 ẩn này tại 3 điểm đặc biệt là điểm hở mạch, điểm ngắn mạch và MPP trên các đường đặc tính vpv-ipv, vpv-ppv.
2.2.2 Thiết lập các phương trình tại các điểm đặc biệt ở điều kiện tiêu chuẩn
2.2.2.1 Phương trình thiết lập tại điểm ngắn mạch
SC S SC SSC ph 0
t p
I R I RI I I exp 1 ,
V R
= − − −
0RR
VRIexp1
RR
VI
2p
S
t
SSC
p
S
t
0 =+
−
2.2.1.2 Phương trình thiết lập tại MPP
p
smppmpp
t
Smppmpp0phmpp R
RIV1
VRIV
expIII+
−
−
+−=
mpp mpp S0
mpp mpp S mpp mpp S t t pph 0 mpp
mpp mpp St p 0 S S
t t p
V I RI 1expV I R V I R V V R
0 I I exp 1 VV I RV R I R R1 exp
V V R
+ + + + = − − − − + + +
2.2.2.3 Phương trình thiết lập tại điểm hở mạch
0R
V1V
VexpIIp
OC
t
OC0ph =−
−
−
2.2.3 Phương pháp xác định các thông số ẩn
2.2.4 Xây dựng thuật toán xác định các thông số ẩn
-6-
Ký hiệu các biến và tham số:
=
=
p
S
t
0
ph
5
4
3
2
1
RRVI
I
xxxxx
X và
=
=
mpp
mpp
OC
SC
4
3
2
1
I
VVI
aaaa
A
Nội dung thuật toán Newton-Raphson áp dụng xác định các thông số ẩn được mô tả trên hình 2.6.
Hình 2.6 Thuật toán Newton-Raphson xác định thông số ẩn của PVg
Hàm số Fk (k=1÷5) trong thuật toán Newton-Raphson được xác định như sau:
3 4 4 3 4 41 1 2 2 4
3 5
a a x a a xF x x exp x a 0,x x
+ += − + − − =
1 4 1 4
2 1 2 2 13 5
a x a xF x x exp x a 0 ,x x
= − + − − =
2 23 2 2 1
3 5
a aF x exp x x 0 ,x x
= + − − =
2 4 1 4 4
5 23 5 3 5
x x a x xF 1 exp 0x x x x
= − + =
3 4 42
3 3 53 4 4 3 4 44 1 2 3
3 5 3 4 42 4 4
3 3 5
a a xx 1expx x xa a x a a xF x x exp 1 a 0
x x a a xx x x1 expx x x
++ + + = − − − − = + + +
Điểm khởi đầu càng gần nghiệm thực thì quá trình hội tụ của thuật toán Newton-Raphson càng nhanh và càng chính xác. Với 1 panel PVg, các thông số ẩn thường biến thiên trong những khoảng giá trị xác định: RS có giá trị trong khoảng vài mΩ; Rp khoảng vài kΩ; Iph xấp xỉ ISC; Vt cỡ vài V; I0 rất nhỏ, cỡ 10-7 đến 10-9 A. Đây chính là những gợi ý cho việc thiết lập giá trị khởi đầu của các nghiệm cần tìm.
2.2.6 Áp dụng xác định thông số ẩn cho một số loại pin mặt trời
Xét hai panel của PVg chủng loại MF165EB3 và SV-55. Từ các thông số trên datasheet do các nhà sản xuất cung cấp, kết quả tính toán các thông số ẩn nhờ áp dụng thuật toán Newton-Raphson được cho trong bảng 2.2.
Nhập giá trị của Vmpp, Impp, ISC, VOC, ε ở STC
i=0
Nhập các giá trị ban đầu thông số ẩn )0(X
Tính )X(F )1i(k
+
Tính ma trận J và J-1
(i 1) (i) 1 (i)kX X J F (X )+ −= − ×
)X(F )1i(k
+
)X(F)X(FF )i(
k)1i(
kk −=∆ +
Stop In kết quả
∆Fk < ε
Start
i=i+1
-7-
Bảng 2.2 Kết quả tính toán thông số ẩn của PVg ở STC
Loại PVg MF165EB3 (Mitsubishi) SV-55 (Schott-Germany)
Thông số đã biết
ISC = 7.36 A, VOC = 30.4V, Vmpp=24.2 V, Impp=6.83 A, CTI=0.057%/0C,
CTV=-0.346%/0C, CTP=-0.458%/0C;
ISC = 3.25 A, VOC = 18.4V, Vmpp=18.4 V, Impp=3.06 A, CTI=4.7mA/0C,
CTV=-0.743mV/0C, CTP=-0.451%/0C. Thông số tính
toán được Iph=7.3616 A, I0=1.03x10-7 A, Vt=1.681 V,
RS = 0.251 Ω, Rp = 1172.1 Ω. Iph= 3.2502 A, I0=1.623x10-8 A, Vt=1.141
V, RS = 0.151 Ω, Rp = 1675.9 Ω.
Các kết quả thu được cho thấy phương pháp Newton-Raphson đã được vận dụng như một công cụ hiệu quả giúp xác định các thông số ẩn cho bất kỳ chủng loại, cấu trúc PVg nào.
2.3 Giải pháp mới nhận dạng chính xác điểm công suất cực đại cho nguồn pin mặt trời
2.3.1 Nội dung giải pháp đề xuất
MPP chính là cực trị của hàm ppv(vpv) và là đỉnh của đường đặc tính vpv-ppv nhưng thông số tại MPP lại không thể xác định bởi dppv/dvpv=0 do tính phức tạp của (2.6). Vì vậy, kỹ thuật IB được đề xuất áp dụng nhằm xác định chính xác các thông số tại MPP để giảm khối lượng tính toán mà vẫn đảm bảo độ chính xác của mô hình toán học cho PVg. Bản chất của kỹ thuật IB là dò các cặp điểm (vpv
(i), ipv(i)) trên đường đặc tính
vpv-ipv để suy ra vị trí của các cặp điểm đó trên đường đặc tính vpv-ppv tương ứng với thời điểm lấy mẫu về (G, T) nên việc xác định thông số tại MPP được phân chia thành hai quá trình:
Quá trình 1: Xác định cặp giá trị tương ứng giữa vpv(i) với ipv
(i) ở bước tính thứ i bất kỳ nhờ kỹ thuật tính lặp như mô tả trên hình 2.7. Độ chính xác của sự tương ứng giữa vpv
(i) và ipv(i) phụ thuộc vào độ chính
xác của bộ thông số ẩn cũng như bước tính ∆I.
Hình 2.7 Thuật toán xác định cặp giá trị tương ứng giữa vpv
(i) với ipv(i)
Xác định ISC
Bước tính thứ i của điện áp
Giá trị của vpv(i)
j=1
Ij = j∆I
(i) (i)pv j s pv j s
1 j ph 0t p
v I R v I Rf (I ) I I exp 1
V R
+ + = − − −
f(Ij) – Ij < ε
ipv(i) = Ij
Ij < ISC
Đ
S
Đ
j=j+1
Stop
In kết quả (vpv(i), ipv
(i))
S
Start
-8-
Quá trình 2: Xác định cặp giá trị vpv(i) và ipv
(i) cho công suất lớn nhất thông qua việc quan sát trạng thái dịch chuyển của 3 điểm kế tiếp nhau trên đường đặc tính vpv-ppv như trên hình 2.8.
Hình 2.8 Trạng thái dịch chuyển của các điểm kế tiếp nhau
Trong đó: mũi tên nét liền để chỉ trạng thái dịch chuyển của các điểm hiện thời, mũi tên nét đứt để chỉ trạng thái cần dịch chuyển của điểm kế tiếp.
Theo kỹ thuật chia đôi, điện áp của bước kế tiếp sẽ tăng nhờ đưa vào bước nhảy điện áp ∆V ở giai đoạn tiến thông thường và giảm 1 nửa ∆V ở giai đoạn chia đôi như mô tả trên hình 2.9.
Hình 2.9 Quá trình dò tìm MPP trên đường đặc tính vpv-ppv
Kết hợp quá trình 1 và quá trình 2, thuật toán sử dụng kỹ thuật IB mô tả trên hình 2.10 được đề xuất để xác định giá trị các thông số tại MPP.
Hình 2.10 Thuật toán IB tìm MPP
Với kỹ thuật IB, số bước lặp đã giảm đáng kể. Không nên chọn ∆V lớn vì có thể vượt quá VOC khi tăng V. Kinh nghiệm cho thấy nên chọn ∆V<(VOC-Vmpp) thì chắc chắn chương trình sẽ hội tụ.
Giai đoạn chia đôi p
v
∆V ∆V/2
2 1
Giai đoạn tiến thông thường
Start
Đặt các giá trị khởi đầu của vpv(i)
Tính ppv
(i)
vpv(i+1) = vpv
(i) + ∆V vpv
(i+2) = vpv(i) + 2∆V
Nhập các tham số của PVg
Tính ipv(i+1), ipv
(i+2) ppv
(i+1), ppv(i+2)
ppv(i) = ppv
(i+1)
ppv(i)< ppv
(i+1)
ppv(i+1)< ppv
(i+2)
Đ
S
Đ
S
Đ S
ppv(i+3)–maxppv
(i), ppv(i)
+1, ppv(i+2)<ε
Stop Pmpp=ppv
(i+2) Vmpp=vpv
(i+2)
i=i+1
i=i+1
Đ
S
vpv(i+3) = vpv
(i+1)–0.5∆V
vpv(i+3) = vpv
(i+1)+0.5∆V
vpv(i+3) =
vpv(i+2)+0.5∆V
Tính ppv(i+3)
ppv(i)
ppv(i+1) ppv
(i+2)
a. Trường hợp 1 (ppv(i)
< ppv(i+1)
< ppv(i+2))
ppv(i)
ppv(i+1)
ppv(i+2)
hoặc ppv(i)
ppv(i+1)
ppv(i+2
)
b. Trường hợp 2 (ppv
(i) < ppv(i+1), ppv
(i+1) = ppv(i+2))
ppv(i)
ppv(i+1
)
ppv(i+2)
c. Trường hợp 3 (ppv
(i) < ppv(i+1), ppv
(i+1) > ppv(i+2))
-9-
2.3.2 Đánh giá tính chính xác của giải pháp đề xuất
Kỹ thuật tìm MPP đã đề xuất được kiểm nghiệm trên MF165EB3, SV-55 (xét trên 1 panel). Kết quả tính toán thông số tại MPP của hai loại PVg ở STC được cho trong bảng 2.3.
Bảng 2.3 Kết quả tính toán thông số tại MPP ở STC sử dụng kỹ thuật IB
Loại PVg MF165EB3 (Mitsubishi) SV-55 (Schott-Germany)
Kết quả tính toán Pmpp= 165.2 W, Vmpp=24.2 V, Impp = 6.83 A
Pmpp= 55 W, Vmpp=18.4 V, Impp = 2.99 A
Độ chính xác của công suất 99.88% 100%
Với việc tính toán áp dụng cho hai loại PVg trên cho thấy các kết quả thu được từ thuật toán IB ở STC đã gần như chính xác với các giá trị do nhà sản xuất công bố. Điều này cũng thể hiện tính chính xác của thuật toán Newton-Raphson khi xác định thông số ẩn cho PVg và độ tin cậy của thuật toán IB.
2.4 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời
2.4.1 Quy đổi giá trị các thông số từ điều kiện vận hành tiêu chuẩn về điều kiện vận hành bất kỳ
Bằng những thực nghiệm trong phòng thí nghiệm, giá trị các thông số của PVg ở trạng thái vận hành với những giá trị bất kỳ của (G, T) có thể được quy đổi từ giá trị của các đại lượng đó ở STC như sau:
ph phstc TI stcG,T stc
GI I 1 C (T T ) ,G
= + −
SC SCstc TI stcG,T stc
GI I C (T T ) ,G
= + −
stcp pstcG,T
GR R ,
G=
OC OCstc TV stc tG,T stc
GV V 1 C (T T ) V ln ,G
= + − +
S SstcG,TR R ,= t tstcG,T stc
TV V ,T
= [ ])TT(C1PP stcTPmppstcTmpp −+=
trong đó:các đại lượng có ký hiệu “stc” nhận các giá trị ở STC; T, Tstc nhận giá trị đơn vị 0K.
Nhờ sử dụng kỹ thuật IB và các công thức kinh nghiệm trên, các tính toán cho thấy n phụ thuộc vào một biến duy nhất là T và biến thiên theo quy luật n giảm khi T tăng.
2.4.2 Xây dựng mới hàm số n(T)
Hàm số phù hợp nhất biểu diễn mối quan hệ giữa n và T là dạng hàm số bậc 2:
2cxbxan ++= trong đó: x= T - Tstc Dựa trên kết quả của thuật toán IB để xác định một số cặp giá trị (n, T) và phương pháp bình phương
cực tiểu, giá trị a, b, c sẽ thỏa mãn:
++=++++++++
++=++++++++
++=++++++
2kk
211
4k
41
3k
31
2k
21
kk113k
31
2k
21k1
k12k
21k1
xn...xnc)x...x(b)x...x(a)x...x(
xn...xnc)x...x(b)x...x(a)x...x(
n...nc)x...x(b)x...x(ka
Áp dụng cho MF165EB3 và SV-55:
2stcstc3EB165MF )TT(
4000009)TT(008017.01)T(n −+−−=
-10-
2
SV 55 stc stc91 1n(T) 1 (T T ) (T T )
10000 20000− = − − + −
Hàm n(T) đã xác định ở trên sẽ giúp tăng độ chính xác khi xác định MPP và mô tả toán học của PVg.
2.4.3 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời
Quá trình mô hình hóa đầy đủ cho PVg dưới những điều kiện vận hành khác nhau đặc trưng bởi cặp giá trị (G, T) được mô tả trên hình 2.18.
Hình 2.18 Mô hình hóa đầy đủ PVg
Một điều đáng lưu ý ở đây là việc mô hình hóa đầy đủ, xác định chính xác thông số tại MPP chỉ được áp dụng trong các hệ thống có quy mô công suất lắp đặt của PVg ở mức vừa và nhỏ. Nguyên nhân của điều này là nhằm tránh sự làm việc không đồng đều giữa các cell của PVg trong những điều kiện vận hành thực tế.
2.5 Kết luận chương 2
Các kết quả nghiên cứu trong chương 2 đã đạt được mục tiêu đề ra, cụ thể là:
• Xây dựng thành công bài toán xác định các thông số ẩn cho cấu trúc PVg bất kỳ nhờ vận dụng phương pháp Newton-Raphson.
• Xây dựng mới kỹ thuật IB cho bài toán xác định chính xác thông số tại MPP: kỹ thuật dò xác định các cặp (vpv
(i), ipv(i)) trên đường cong vpv-ipv và kỹ thuật chia đôi để tìm điểm có công suất lớn nhất. Với kỹ
thuật IB, nhóm các kỹ thuật offline đã được bổ sung thêm một giải pháp tìm MPP mới với độ chính xác cao và giảm được khối lượng tính toán.
• Xây dựng mới giải pháp xác định mối quan hệ giữa n và T: hàm số n(T) được xác định dựa trên sự kết hợp phương pháp bình phương cực tiểu với các công thức kinh nghiệm về sự biến thiên của các thông số theo (G, T), datasheet của nhà sản xuất và kết quả của kỹ thuật IB. Giải pháp này giúp mô hình hóa đầy đủ cho cấu trúc PVg bất kỳ trở nên rõ ràng và kết quả tìm MPP ở điều kiện vận hành bất kỳ chính xác hơn.
Các kết quả nghiên cứu trên đã giúp xây dựng phương pháp luận khoa học cho bài toán xác định chính xác thông số tại MPP khi sử dụng thông tin từ PYR và TempS ở điều kiện vận hành bất kỳ. Đồng thời, các kết quả tính toán được về MPP sẽ được sử dụng để cung cấp thông tin cho bộ điều khiển trong chương 3.
Phương
trình
(2.6)
G T
Sử dụng công
thức quy đổi về
điều kiện vận
hành bất kỳ và
n(T) để quy đổi
giá trị các tham
số từ STC về giá
trị hiện thời
CTV CTI
Vt Iph RS Rp
ở STC
I0
Đo lường
Datasheet
của PVg
Thuật toán
Newton-
Raphson
Iph
I0
Vt
Rp
RS
Giá trị
vận hành
hiện thời
Nguồn
dòng
ipv
vpv
VOC ISC
Vmpp Impp
ở STC
-11-
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI THEO MÔ HÌNH
ĐẦY ĐỦ 3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống
Cấu trúc hệ thống điều khiển PVg thông qua BBĐ DC/DC và BBĐ DC/AC được mô tả trên hình 3.1.
Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển khai thác PVg theo mô hình đầy đủ
Khối MPPT thực hiện tính toán để đưa ra giá trị mref tương ứng với MPP. Tùy theo loại kỹ thuật điều khiển là SMC hay AVC mà mref có thể là Pmpp hoặc Vmpp. Nhiệm vụ của bộ điều khiển phía PVg là đưa được toàn bộ công suất tại MPP về DCbus. Nhiệm vụ của khối điều khiển phía lưới là điều khiển giữ điện áp trên DCbus ở giá trị không đổi, hòa đồng bộ với lưới và phát được công suất từ DCbus vào lưới.
3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển và mô tả toán học các bộ biến đổi
3.3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại của nguồn pin mặt trời theo mô hình đầy đủ ở trạng thái vận hành bất kỳ
3.3.1 Phương pháp IB-SMC
3.3.1.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-SMC
Phương pháp IB-SMC là sự kết hợp giữa kỹ thuật IB với kỹ thuật SMC để điều khiển BBĐ DC/DC. Thông qua việc lựa chọn mặt trượt, tín hiệu điều khiển tương đương ueq sẽ được xác định để thiết lập xung điều khiển CS1 gửi đến SW đặt trong BBĐ DC/DC nhằm di chuyển điểm vận hành hiện thời đến đích mref mong muốn mới (MPP mới). Cấu trúc điều khiển theo phương pháp IB-SMC được mô tả như trên hình 3.9.
Hình 3.9 Cấu trúc điều khiển PVg theo phương pháp IB-SMC
Việc lựa chọn mặt trượt phải căn cứ vào đặc điểm của BBĐ DC/DC để ueq phải có chứa mối tương quan ipv/iL với BBĐ DC/DC buck hoặc phải có chứa mối tương quan (Vdc – vpv)/Vdc với BBĐ DC/DC boost. Tương ứng với sự khác nhau của mặt trượt được lựa chọn, thông tin về mref trích xuất từ MPPT cũng khác nhau. Cụ thể, mref được chọn là Pmpp với BBĐ DC/DC buck hoặc Vmpp với BBĐ DC/DC boost. Khi kết hợp
DC ~
G
vpv
ug ig
Lưới điện
Vdc
DCbus MBA
MPPT (kỹ thuật IB)
Đo lường
T
Bộ điều khiển phía PVg
mref
L
Bộ điều khiển phía lưới
CS1
Điều khiển phía PVg Điều khiển phía lưới
PVg PYR TempS
CS2
Mặt trời
PLL θ
DC DC
AC ipv
iL, iC
PVg
BBĐ DC/DC
vpv
Bộ phát xung
ueq
CS1 DCbus
SW
Cpv
Mặt trượt h=0
ipv iC
Bộ điều khiển IB-SMC
MPPT (kỹ thuật IB)
G
T
mref
-12-
kỹ thuật SMC với kỹ thuật IB, các giá trị vận hành mong muốn (tại MPP) đã được xác định trước và được coi là không đổi trong quá trình đưa điểm vận hành hiện thời về MPP. Đây cũng chính là sự khác biệt giữa phương pháp IB-SMC với sự kết hợp kỹ giữa thuật SMC và các kỹ thuật tìm MPP trước đây.
3.3.1.2 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck Mặt trượt: 2 pv mpp a Ch x i P K i 0= − + =
trong đó: Pmpp là công suất tại MPP cần đạt đến tại thời điểm xét, ipv là hàm của x2, Ka (W/A) là đại lượng đánh giá độ trượt của công suất theo dòng điện và có ảnh hưởng đến dải trễ của đường đặc tính công suất.
Tín hiệu điều khiển tương đương: pv pv dc dc
pv 1 a 1pv 2 dc dc
eqpv1 2
pv 1 apv 2 dc
i i V Ri x K xC x L L
uix xi x K
C x L
∂ + + + ∂ =
∂ + + ∂
3.3.1.3 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost
Mặt trượt: b 2 mpp c Ch K (x V ) K i 0= − + = trong đó: Vmpp là công suất tại MPP cần đạt đến tại thời điểm xét, ipv là hàm của x2, Kb là số thực đặc
trưng cho dải trễ của điện áp phát ra từ PVg, Kc (V/A) là đại lượng đánh giá độ trượt của điện áp theo dòng
điện.
Tín hiệu điều khiển tương đương: pv pv 1dc 2 dc b
eqdc dc c 2 pv
di i xV x L Ku (t)V V K dx C
− −= + +
3.3.1.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC
Giá trị của các hệ số Ka, Kb, Kc có ảnh hưởng đến quá trình trượt từ điểm vận hành này về điểm vận hành khác, thiết lập vùng ổn định cũng như vùng lân cận của mặt trượt và hạn chế hiện tượng chattering để quỹ đạo di chuyển của điểm vận hành luôn thỏa mãn 0 ≤ |h| ≤ δ (giá trị +δ tạo đường biên h+ và -δ tạo đường biên h-). Trong đó, giá trị của Ka và Kb phải phụ thuộc vào G để các đường biên có dạng cong và vùng lân cận của mặt trượt có xu hướng hẹp lại khi G có giá trị nhỏ như mô tả trên hình 3.10.
Hình 3.10 Dạng quỹ đạo trượt về MPP mới khi điều khiển theo phương pháp IB-SMC
Trong đó: Đường màu nâu biểu diễn mặt trượt, các đường màu xanh biểu diễn các đường biên h+ và h-, các đường mũi tên màu đỏ biểu diễn quá trình di chuyển của điểm làm việc hiện tại về điểm làm việc mới.
Với các phân tích trên, MPPT sử dụng kỹ thuật IB đã cung cấp thông tin chính xác về đích cần đạt đến (thông số tại MPP) để bộ điều khiển sử dụng kỹ thuật SMC chuyển trạng thái vận hành của BBĐ DC/DC buck, BBĐ DC/DC boost tương ứng với điểm vận hành mong muốn của PVg, qua đó giúp khai thác công suất tại MPP đưa đến DCbus. Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-SMC được mô tả trên hình 3.11.
p
v
a. Mặt phẳng v-p b. Mặt phẳng v-i
i
v
h+
h- h+
h-
δ δ δ δ
-13-
3.3.1.5 Mô phỏng đánh giá phương pháp IB-SMC
Mô phỏng được thực hiện trên Matlab/Simulink với T=400C. Panel PVg được sử dụng là MF165EB3. Thông số BBĐ: Cuộn cảm (Rdc=0.5Ω, Ldc=0.008 H), Cpv=0.001 F với BBĐ DC/DC buck và Cpv=0.0001 F với BBĐ DC/DC boost, tần số đóng cắt: fS=50 kHz. Điện áp trên DCbus: Vdc= 12 V (với BBĐ DC/DC buck) và Vdc= 48 V (với BBĐ DC/DC boost). Tham số cho bộ điều khiển IB-SMC ứng với BBĐ DC/DC buck là Ka= -0.05xG/Gstc và BBĐ DC/DC boost là Kb= -0.183xG/Gstc, Kc= -1.
Điện năng thu được từ PVg trong khoảng (0÷t): t
pv0
A(t) p (t)dt= ∫
Điện năng mong muốn thu được trong khoảng (0÷t):
t
mpp mpp0
A (t) P (t)dt= ∫
Hiệu quả năng lượng trong khoảng thời gian (0÷t):
mpp
A(t)H% 100%A (t)
=
Kết quả mô phỏng đáp ứng của PVg khi áp dụng phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck và DC/DC boost được mô tả trên hình 3.16. Kết quả cho thấy phương pháp IB-SMC đã khai thác được gần như hoàn toàn năng lượng của PVg ở mọi thời điểm (hiệu quả năng lượng 99.83% với cả BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost). 3.3.2 Phương pháp IB-AVC
3.3.2.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-AVC
Phương pháp IB-AVC sử dụng kỹ thuật AVC để đưa vpv từ trạng thái vận hành bất kỳ về Vmpp. Cấu trúc điều khiển theo phương pháp IB-AVC được mô tả trên hình 3.17.
Hình 3.17 Mạch vòng điều khiển PVg theo phương pháp IB-AVC
a. Sự biến thiên của G
b. BBĐ DC/DC buck
c. BBĐ DC/DC boost
Hình 3.16 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) khi điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
800
850
900
950
1000
Thoi gian (s)
G (W
/m2)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
20
40
60
80
100
120
140
160
Thoi gian (s)
IB-S
MC
BBD
DC/D
C bu
ck
p (t)Pmpp(t)A(t)
pv
A(t)=3x136 Ws
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
20
40
60
80
100
120
140
160
Thoi gian (s)
IB-S
MC
BB
D D
C/D
C b
oost
p (t)Pmpp(t)A(t)
A(t)=3x136 Ws
pv
-
PVg
BBĐ DC/DC
Vmpp
vpv
Bộ điều khiển
điện áp +
iLref
+
- iL Bộ điều
khiển dòng điện
Bộ phát xung
d
CS1
DCbus
SW Cuộn cảm
Start
Đo G, T
MPPT (Kỹ thuật IB)
Thông số tại MPP (Vmpp, Pmpp)
Xác định ueq (Kỹ thuật SMC)
h=0
Tiếp tục thực hiện (cài đặt thời gian)
Stop Đ
Duy trì ueq(t)=ueqref tại h=0
Đ
Có sự thay đổi G, T S
Gửi xung điều khiển đến SW
Đo vpv, ipv Tính ppv=vpvipv
S
Đ
S
Hình 3.11 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC
-14-
Cấu trúc mạch vòng dòng điện, mạch vòng điện áp được mô tả trên hình 3.18.
Hình 3.18 Cấu trúc mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp điều khiển BBĐ DC/DC
3.3.2.2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck
Bộ điều khiển Gci cho mạch vòng dòng điện: iici ip
KG Ks
= + trong đó: dcip
mpp S
LK ,2V T
= dcii
mpp S
RK2V T
=
Bộ điều khiển Gcv cho mạch vòng điện áp: vicv vp
KG K
s= + trong đó: pv mpp
vpdc S
C VK ,
5V T=
mppvi
dc S eq
VK
5V T R=
với eq p SR R R= +
3.3.2.3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost
Bộ điều khiển Gci cho mạch vòng dòng điện: iici ip
KG Ks
= + trong đó: dcip
dc S
LK ,2V T
= dcii
dc S
RK2V T
=
Bộ điều khiển Gcv cho mạch vòng điện áp: vicv vp
KG Ks
= +
trong đó: pvvp
S
CK ,
5T= vi
S eq
1K5T R
=
3.3.2.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC Trong điều kiện vận hành luôn thay đổi về (G, T), thông số
của bộ điều khiển cũng thay đổi theo nên sẽ là bộ điều khiển thích
nghi. Hằng số thời gian của mạch vòng dòng điện Ti=Ldc/Rdc và
của mạch vòng điện áp Tv=CpvReq. Trong đó, Req của PVg từ cỡ
panel trở lên luôn nhận giá trị trên 1 kΩ, Ldc thường nhận giá trị
(10-2 ÷ 10-3) H, Rdc nhận giá trị cỡ từ 10-2 đến vài Ω. Đồng thời Req
có xu hướng tăng khi G giảm. Như vậy, có thể dễ dàng lựa chọn
các thông số của mạch để giá trị của Ti luôn đảm bảo nhỏ hơn Tv
trong mọi điều kiện vận hành (hằng số thời gian của mạch vòng
ngoài lớn hơn mạch vòng trong). Phân tích này đã cho thấy việc
thiết kế các bộ điều khiển đã đáp ứng được các yêu cầu kỹ thuật
khi sử dụng cấu trúc hai mạch vòng xếp chồng. Chiến lược điều
khiển theo phương pháp IB-AVC được mô tả trên hình 3.20.
3.3.2.5 Kết quả mô phỏng phương pháp IB-AVC
Sử dụng PVg loại MF165EB3, kết quả mô phỏng được mô tả trên hình 3.24. Các kết quả mô phỏng cho thấy ppv(t) luôn bám Pmpp(t) ở cả những thời điểm không có sự biến thiên của G (duy trì ổn định tĩnh) hoặc ở những thời điểm có sự tăng, giảm của G (đảm bảo ổn định động) trong quá trình vận hành PVg. Với cả hai BBĐ, phương pháp IB-AVC đã giúp khai thác được gần như hoàn toàn năng lượng của PVg (99.9% với cả hai loại BBĐ DC/DC buck và boost).
Gci(s) GPWM(s) Gid(s) +
-
iLref iL d
Gfi(s)
a. Cấu trúc mạch vòng dòng điện
b. Cấu trúc mạch vòng điện áp
Gcv(s) Gk(s) Gvi(s) +
-
Vmpp vpv
Gfv(s)
Start
Đo G, T
MPPT (Thuật toán IB)
Vmpp, Impp
Tiếp tục thực hiện (cài đặt thời gian)
Stop
S Duy trì vpv=Vmpp
Có sự thay đổi G, T S
Bộ điều khiển IB-AVC
Đo vpv
S
Đ
S
|Vmpp-vpv|>ε Đ
Hình 3.20 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC
Đ
-15-
3.3.3 So sánh hiệu quả năng lượng và khả năng ứng dụng
Các kết quả mô phỏng cho thấy MPPT sử dụng các kỹ thuật tìm MPP trước đây (CV, Temp, P&O, OV) đã bộc lộ những nhược điểm chỉ đạt hiệu quả năng lượng cao khi G gần với Gstc hoặc T gần với Tstc. Điều này đã thể hiện đúng bản chất của các kỹ thuật tìm MPP truyền thống như đã phân tích trong chương 1. Đồng thời, MPPT sử dụng kỹ thuật IB luôn cho cho hiệu quả năng lượng cao nhất (gần như tuyệt đối) trong mọi điều kiện vận hành về (G, T) và luôn cao hơn các kỹ thuật tìm MPP trước đây do có sự kết hợp của mô hình chính xác của PVg với sự chủ động trong việc xác định sự biến thiên của mức năng lượng đầu vào nhờ PYR và TempS. Điều này cho thấy giải pháp điều khiển sử dụng kỹ thuật IB trong MPPT kết hợp với kỹ thuật SMC hoặc AVC sẽ giúp nâng cao khả năng khai thác PVg, trong đó phương pháp IB-SMC và IB-AVC cho hiệu quả năng lượng gần như tương đương nhau. Điều này cho thấy hiệu quả khai thác năng lượng từ PVg chỉ phụ thuộc vào kỹ thuật tìm MPP mà không phụ thuộc vào loại kỹ thuật điều khiển hoặc loại BBĐ được sử dụng.
Kỹ thuật SMC yêu cầu độ chính xác cao đối với các thiết bị đo lường để có được thông tin chính xác về dòng điện tức thời iC và các giá trị của (G, T) trong khi các ứng dụng thực tế luôn gặp phải một số vấn đề bất cập như: sai số và giới hạn của các thiết bị đo lường, độ trễ thời gian thu thập và xử lý thông tin. Các vấn đề trên đều có thể khắc phục được bằng các giải pháp kỹ thuật cao nhưng sẽ khiến cho giá thành toàn hệ thống tăng lên rất nhiều. Khi những vấn đề về kỹ thuật và giá thành được khắc phục, kỹ thuật SMC mới có thể áp dụng rộng rãi trong các hệ thống khai thác PVg. Trong khi đó, việc điều khiển đưa điện áp ở đầu vào BBĐ DC/DC về giá trị đặt đối với kỹ thuật AVC được thực hiện đơn giản hơn, mặc dù có sự dao động xung quanh giá trị đặt với biên độ nhỏ nhưng sự dao động này khá tương đồng với cách thức hoạt động của PVg khi vpv luôn có xu hướng dao động dù chỉ có những tương tác rất nhỏ khi tải thay đổi (do quá trình chuyển mạch SW gây nên). Hơn nữa, giá trị của Vmpp cũng không thay đổi nhiều khi (G, T) khi có sai lệch nhất định nào đó gây ra bởi sai số của các thiết bị đo lường và các tính toán trong MPPT.
Các phân tích trên cho thấy bộ điều khiển phía PVg sử dụng kỹ thuật AVC thường được lựa chọn nhiều hơn so với kỹ thuật SMC trong các ứng dụng thực tế. Trong luận án này, kỹ thuật AVC sẽ được tiếp tục sử dụng để điều khiển PVg cho bài toán ghép nối lưới và thực nghiệm.
3.4 Điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời
3.4.1 Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới
Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới được áp dụng trong luận án này có dạng kinh điển như mô tả trên hình 3.31.
a. Sự biến thiên của G
b. BBĐ DC/DC buck
c. BBĐ DC/DC boost
Hình 3.24 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) khi điều khiển BBĐ
DC/DC theo phương pháp IB-AVC
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
800
850
900
950
1000
Thoi gian (s)
G (W
/m2)
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
20
40
60
80
100
120
140
160
Thoi gian (s)
IB-A
VC
BB
D D
C/D
C b
uck
p (t)Pmpp(t)A(t)
A(t)=3x136.2 Ws
pv
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
20
40
60
80
100
120
140
160
Thoi gian (s)
IB-A
VC
BB
D D
C/D
C b
oost
p (t)Pmpp(t)A(t)
pv
A(t)=3x136.2 Ws
-16-
Hình 3.31 Cấu trúc điều khiển phía lưới
3.4.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời
PVg có cấu trúc ghép nối tiếp 15 panel MF165EB3 thành array và ghép song song 16 array. Thông số BBĐ DC/DC boost: Rdc=0.1Ω, Ldc=0.02H, Cpv=10-3 F. Thông số DCbus: Cdc=5x10-3 F, Vdc=804 V. Tần số đóng cắt: fS=50 kHz. Thông số MBA: SđmBA= 40 kVA, RBA = 0.00019 Ω, LBA = 8.84x10-4 H. Bộ lọc: Rlọc= 0.0001 Ω, Llọc= 4.5x10-4 H. Thông số G và T đã được xét trong mục 3.3. Thông số điều khiển BBĐ DC/AC: Kii=1.825, Kip=0.83 với bộ điều khiển dòng điện; Kui=66.1, Kup=2.68 với bộ điều khiển điện áp. Kết quả mô phỏng các đường đặc tính công suất được biểu diễn trên hình 3.35 và hình 3.38.
Hình 3.35 Đặc tính ppv(t), Pmpp(t), A(t) Hình 3.38 Đặc tính ppv(t) và công suất phát vào lưới
Kết quả mô phỏng trên hình 3.35 cho thấy đường ppv(t) đã bám đường Pmpp(t) gần như tức thời khi có sự biến động về G (đảm bảo khả năng ổn định động) và duy trì vận hành tại MPP khi không có sự biến thiên về G (đảm bảo khả năng ổn định tĩnh). Quá trình vận hành trong kịch bản đang xét đã thu được 99.9% năng lượng từ PVg chứng tỏ sự kết hợp rất tốt giữa quá trình điều khiển giữa BBĐ DC/DC và DC/AC để hấp thụ được hết công suất từ PVg và phát vào lưới. Trong 0.13s đầu tiên trên hình 3.38, BBĐ DC/AC có vai trò hấp thụ công suất từ lưới để nạp cho Cdc và đưa Vdc ở giá trị đặt. Vì vậy, khi Vdc chưa đạt giá trị đặt thì cuộn cảm trong BBĐ DC/DC có vai trò tích trữ toàn bộ năng lượng từ PVg. Sau khi Vdc đã đi vào ổn định, cuộn cảm giải phóng năng lượng khiến đường Pinv(t) cao hơn ppv(t) trong khoảng thời gian 0.1s, đồng thời Cdc cũng giải phóng năng lượng tích lũy khiến đường Qinv(t) phải sau 1s mới đi vào ổn định. Kết quả mô phỏng dòng điện iinv và điện áp uinv pha A ở đầu ra BBĐ DC/AC ở thời điểm 1s và 2s được biểu diễn trên hình 3.39 và hình 3.40. Các kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện và điện áp phát ra có dạng sin chuẩn, dòng điện luôn chậm pha hơn điện áp và có biên độ tăng khi G tăng (thời điểm 1s) hoặc biên độ giảm khi G giảm (thời điểm 2s).
Hình 3.39 Dòng điện iinv và điện áp uinv Hình 3.40 Dòng điện iinv và điện áp uinv
ở đầu ra BBĐ DC/AC thời điểm 1s ở đầu ra BBĐ DC/AC thời điểm 2s
Các kết quả mô phỏng cho thấy THD của iinv chỉ chiếm 0.31% và uinv chỉ chiếm 0.37%. Đối chiếu với tiêu chuẩn IEEE1547 quy định cho việc ghép nối PVg vào mạng điện phân tán, hàm lượng THD của iinv và uinv nhỏ hơn rất nhiều so với quy định (5% và 3%). Điều này cho thấy việc xây dựng các bộ điều khiển đã đáp ứng được các yêu cầu về khai thác năng lượng từ PVg và các yêu cầu ghép nối lưới.
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
25
30
35
40
Thoi gian (s)
Con
g su
at (k
W) v
a di
en n
ang
A(t)
(kW
s)
p (t)Pmpp(t)A(t)
A(t)=3x32.54 kWs
pv
0 0.5 1 1.5 2 2.5 30
5
10
15
20
25
30
35
40
45
Thoi gian (s)
Con
g su
at
Pinv (kW)Qinv (kVAr)p (kW)pv
0.9 0.92 0.94 0.96 0.98 1 1.02 1.04 1.06 1.08 1.1-400
-300
-200
-60
0
60
200
300
400
Thoi gian (s)
Don
g di
en v
a di
en a
p da
u ra
BB
D D
C/A
C
Dien ap pha A (V)Dong dien pha A (A)
1.9 1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.04 2.06 2.08 2.1-400
-300
-200
-60
0
60
200
300
400
Thoi gian (s)
Don
g di
en v
a di
en a
p da
u ra
BB
D D
C/A
C
Dien ap pha A (V)Dong dien pha A (A)
Vdc
Bộ điều khiển điện áp
Bộ điều khiển dòng điện
Bộ điều chế xung điều khiển
igref Vdcref CS2 +
-
ig
+
- uref
-17-
3.5 Kết luận chương 3
Dựa trên mô hình đầy đủ và nhận dạng chính xác thông số tại MPP của PVg đã xây dựng được trong chương 2, kết quả nghiên cứu của chương 3 đã đạt được các mục tiêu đề ra:
• Xây dựng được cấu trúc điều khiển kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật SMC hoặc AVC để điều khiển chế độ làm việc cho PVg, được gọi là phương pháp IB-SMC hoặc phương pháp IB-AVC. Các phương pháp IB-SMC và IB-AVC đã đem lại một góc nhìn khác và cách giải quyết vấn đề khác biệt so với các phương pháp trước đây trong vấn đề điều khiển và thiết kế bộ điều khiển khi muốn thực hiện mục tiêu khai thác tối đa khả năng phát công suất của PVg ở mọi điều kiện vận hành. Việc thực hiện mô phỏng cho 1 panel MF165EB3 sử dụng kỹ thuật IB trong MPPT đã cho thấy rõ hiệu quả năng lượng cao hơn hơn hẳn cho với các các kỹ thuật tìm MPP trước đây. Đồng thời, kết quả mô phỏng đã chỉ ra phương pháp IB-SMC và phương pháp IB-AVC cho hiệu quả năng lượng tương đồng và gần như tuyệt đối, luôn duy trì được công suất tại MPP tại mọi thời điểm (khả năng đáp ứng tĩnh và động rất tốt). Điều này cho thấy hiệu quả năng lượng có được phụ thuộc chủ yếu vào kỹ thuật tìm MPP và không phụ thuộc nhiều vào kỹ thuật điều khiển hay loại BBĐ DC/DC được sử dụng. Điều này cho phép được lựa chọn phương pháp điều khiển dễ thực hiện hơn, giá thành thấp hơn cho những đối tượng như PVg. Phân tích kỹ hơn cho thấy phương pháp IB-SMC yêu cầu rất cao về độ chính xác của các thiết bị đo lường, giá thành cao khiến cho khả năng đưa vào những ứng dụng thực tế bị hạn chế hơn so với phương pháp IB-AVC.
• Với việc kết hợp với phương pháp điều khiển IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost, bộ điều khiển ghép nối lưới áp dụng cho BBĐ DC/AC được xây dựng với vai trò giữ ổn định điện áp trên DCbus, liên kết giữa DCbus với lưới điện và phát công suất từ PVg phát vào lưới. Nghiên cứu này được áp dụng để xây dựng cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh cho hệ thống khai thác năng lượng từ PVg kết nối lưới 3 pha. Thực hiện mô phỏng cho một cấu trúc PVg ghép, các kết quả mô phỏng đã cho thấy hiệu quả năng lượng và khả năng ứng dụng vào thực tế theo mô hình chính xác khi kết hợp phương pháp IB-AVC để điều khiển phía PVg và cấu trúc điều khiển phía lưới trong các bài toán kết nối lưới.
CHƯƠNG 4 KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH THIẾT BỊ THỰC
4.1 Xây dựng mô hình cấu trúc thiết bị thực
Mô hình thiết bị thực được xây dựng để đánh giá một số kết quả chọn lọc đã đạt được trong luận án bao gồm hai hệ thống riêng biệt với cấu trúc như mô tả trên hình 4.1, trong đó hệ thống 1 sử dụng kỹ thuật tìm MPP truyền thống là CV, Temp hoặc P&O trong MPPT và hệ thống 2 sử dụng kỹ thuật IB trong MPPT.
Hình 4.1 Mô hình thiết bị thực
4.2 Các thiết bị chính Cách thức lắp đặt, đấu nối và cài đặt các thiết bị trên mô hình thực được mô tả trên hình 4.6.
ipv
Mặt trời
PYR TempS
G
+
-
Vdc
it
iaq
Ắc quy
SWt2
Rt
CSt
+ DCbus
-
Hệ thống 1: CV, Temp hoặc P&O Hệ thống 2: Kỹ thuật IB
T
vpv
BBĐ
DC/DC
SV-55
-18-
a. Đấu nối các thiết bị và cài đặt b. Chi tiết mạch lực, mạch điều khiển, ắc quy, tải, máy tính
c. Panel SV-55, TempS, PYR
Hình 4.6 Các thiết bị trên mô hình thực
4.3 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực được mô tả trên hình 4.10.
Hình 4.10 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực
PYR
Panel SV-55
TempS đo nhiệt độ panel SV-55
Hai mạch lực và mạch điều khiển
Ắc quy
Máy tính để giám sát/thu thập các thông số tức thời để vẽ đồ thị
Tải động
Chuyển đổi giao thức truyền thông
A/D
Chip xử lý MCP 3008
MPPT (kỹ thuật IB)
Vmpp
Pmpp Bộ điều khiển giữ vpv=Vmpp và điều
khiển tải động
BBĐ DC/DC 2
Chip xử lý chính ATMega328P
A/D
Chuyển đổi giao thức truyền thông Chip xử lý MAX 232
CS2
Tải động CSt2
MPPT (kỹ thuật CV, Temp, P&O)
Vmpp Bộ điều khiển giữ vpv=Vmpp và điều
khiển tải động
BBĐ DC/DC 1
Chip xử lý chính ATMega328P
A/D CS1
Tải động CSt1
Đo vpv, ipv, idc, it Vdc
Chip xử lý MAX 232
Tính Ampp Tính Apv
G
T
vpv ipv
Đo vpv, ipv, idc, it Vdc vpv ipv
Tính Apv
- Hiển thị tất cả các thông số đo được thời gian thực. - Vẽ đồ thị G, T, Pmpp, Vmpp, ppv, vpv, ipv.
Máy tính điều khiển /giám sát
Mainboard hệ thống 1
Mainboard hệ thống 2
- Gửi thông tin khởi chạy mainboard, chọn kỹ thuật tìm MPP để vận hành. - Bắt đầu hay kết thúc tính Apv, Ampp đến 2 chip xử lý ATMega328P. - Thiết lập giá trị điện áp trên DCbus và kích hoạt tải động
Cáp nối máy tính với mainboard 1
Cáp nối máy tính với mainboard 2
-19-
4.4 Kết quả thực nghiệm
4.4.1 Kiểm chứng tính chính xác của giải pháp đã đề xuất
Để kiểm chứng tính chính xác của giải pháp đã đề xuất thông qua biện pháp điều khiển giữ vpv ở giá trị Vmpp do MPPT sử dụng kỹ thuật IB cung cấp, thực hiện lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm A1 trong khoảng thời gian từ 12h40’30” đến 12h43’30 ngày 22/04/2017 và A2 trong khoảng thời gian từ 13h24’10” đến 13h27’10” ngày 22/04/2017. Kết quả thực nghiệm được biểu diễn trên hình 4.11.
Đồ thị G, T
Đồ thị Pmpp, ppv
Đồ thị Vmpp, vpv, ipv
a. Lần lấy mẫu A1 b. Lần lấy mẫu A2
Hình 4.11 Kiểm chứng tính chính xác của các điểm mới trong luận án
Hai lần lấy mẫu A1 và A2 cho thấy G có thể có những thời điểm G chỉ tăng, giảm đơn thuần hoặc biến thiên khá mạnh. Kết quả trên hình 4.11 đã cho thấy đường ppv, vpv vận hành thực tế gần như trùng khớp với Pmpp(t), Vmpp(t) do MPPT tính toán được (chỉ có đôi chút dao động với độ lệch rất nhỏ do ảnh hưởng của
-20-
trễ, sai số đo lường và tính toán). Sự trùng khớp giữa các đại lượng tính toán với các đại lượng vận hành phát ra từ PVg đã chứng minh bằng thực nghiệm sự đúng đắn của thuật toán Newton-Raphson tìm thông số ẩn của PVg, thuật toán IB tìm MPP, hàm số n(T) các hệ phương trình quy đổi thông số từ STC về điều kiện vận hành bất kỳ và kỹ thuật AVC và có khả năng giúp khai thác tối đa công suất thực sự của PVg.
4.4.2 Đánh giá hiệu quả năng lượng của giải pháp đã đề xuất
Để đánh giá hiệu quả năng lượng của giải pháp đã đề xuất, hiệu suất H% sẽ được xác định thông qua các lần lấy mẫu tương ứng với từng cặp giữa kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O (∆d=0.2%), kỹ thuật CV với kỹ thuật Temp. Thời gian của mỗi lần lấy mẫu là 3 phút. Điện áp trên DCbus luôn được giữ ở giá trị 12V.
• So sánh kỹ thuật IB và kỹ thuật P&O (∆d=0.2%): Thực hiện lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm B1 trong khoảng thời gian từ 10h07’20” đến 10h10’20” ngày 14/04/2017 và B2 trong khoảng thời gian từ 11h25’30” đến 11h28’30” ngày 22/04/2017. Kết quả thực nghiệm được biểu diễn trên hình 4.12.
Đồ thị G, T
Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật IB
Đồ thị Pmpp , ppv tương ứng với kỹ thuật P&O
a. Lần lấy mẫu B1 b. Lần lấy mẫu B2 Hình 4.12 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O
-21-
Hiệu quả năng lượng (đánh giá điện năng thu được từ PVg) tương ứng với hai lần lấy mẫu B1 và B2 được biểu diễn trong bảng 4.1.
Bảng 4.1 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O Lần lấy mẫu B1 Lần lấy mẫu B2
Cặp so sánh IB P&O IB P&O A(t) (Wphút) 67.7 59.4 80.9 76.3 Ampp (Wphút) 68 81.6
H% 99.56 87.36 99.14 93.5
• So sánh kỹ thuật IB và kỹ thuật CV: Thực hiện lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm C1 trong khoảng thời gian từ 10h15’40” đến 10h18’40” ngày 14/04/2017 và C2 trong khoảng thời gian từ 13h33’ đến 13h36’ ngày 22/04/2017. Kết quả thực nghiệm được biểu diễn trên hình 4.13.
Đồ thị G, T
Đồ thị ppv, Pmpp tương ứng với kỹ thuật IB
Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật CV
a. Lần lấy mẫu C1 b. Lần lấy mẫu C2
Hình 4.13 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật CV
-22-
Hiệu quả năng lượng tương ứng với hai lần lấy mẫu khi C1 và C2 được biểu diễn trong bảng 4.2. Bảng 4.2 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật CV
Lần lấy mẫu C1 Lần lấy mẫu C2 Cặp so sánh IB CV IB CV A(t) (Wphút) 45.7 39.8 109.7 103.7 Ampp (Wphút) 46.2 110.4
H% 98.92 86.15 99.36 93.93
• So sánh kỹ thuật IB và kỹ thuật Temp: Thực hiện lần lấy mẫu kiểm chứng thực nghiệm D1 trong khoảng thời gian từ 11h09’00” đến 11h12’00” ngày 21/04/2017 và D2 trong khoảng thời gian từ 10h53’40” đến 10h56’40” ngày 22/04/2017. Kết quả thực nghiệm được biểu diễn trên hình 4.14.
Đồ thị G, T
Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật IB
Đồ thị Pmpp, ppv tương ứng với kỹ thuật Temp
a. Lần lấy mẫu D1 b. Lần lấy mẫu D2
Hình 4.14 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp
-23-
Hiệu quả năng lượng tương ứng với hai lần lấy mẫu khi D1 và D2 được biểu diễn trong bảng 4.3.
Bảng 4.3 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp
Lần lấy mẫu D1 Lần lấy mẫu D2
Cặp so sánh IB Temp IB Temp
A(t) (Wphút) 55.8 46.6 111.3 110
Ampp (Wphút) 56.1 111.4
H% 99.46 83.06 99.91 98.74
Nhận xét chung về kết quả thực nghiệm đánh giá hiệu quả năng lượng: các lần lấy mẫu thực nghiệm đều cho thấy MPPT sử dụng kỹ thuật IB luôn giúp đường ppv bám sát đường Pmpp tại mọi thời điểm với mọi thông số vận hành (G, T). Đối với MPPT sử dụng các kỹ thuật P&O, CV, Temp, đường ppv chỉ bám đường Pmpp ở một số thời điểm nhất định hoặc luôn nằm dưới đường Pmpp tùy thuộc vào thông số của (G, T). Kết quả so sánh hiệu quả năng lượng từ bảng 4.1 đến bảng 4.3 đều cho thấy kỹ thuật IB đã giúp khai thác được hầu hết năng lượng khả dụng lớn nhất có thể phát ra từ PVg (hiệu quả xấp xỉ 100%) trong khi hiệu quả năng lượng của các kỹ thuật còn lại tùy thuộc rất nhiều vào điều kiện vận hành thực tế ở gần hay xa STC luôn thấp hơn nhiều so với kỹ thuật IB. Các kết quả thực nghiệm trên đã phản ánh đúng những nhận định, mô phỏng kiểm chứng trong chương 1 và chương 3.
4.5 Kết luận chương 4
Kết quả thực nghiệm đã đạt được các mục tiêu sau:
- Mô hình thực nghiệm đảm bảo cho việc kiểm chứng một số kết quả đã nghiên cứu được.
- Kiểm chứng tính đúng đắn của đề xuất mới thông qua đường đặc tính ppv(t) luôn trùng với đường Pmpp(t). Trong đó, đường đồ thị Pmpp(t) là kết quả của thuật toán IB do chip xử lý tính toán được và đường đồ thị ppv(t) là kết quả của việc sử dụng kỹ thuật AVC để đưa điện áp trung bình ở hai cực của PVg (đo được bằng thiết bị đo điện áp) về giá trị tính toán được của thuật toán IB (Vmpp). Sự trùng khớp của kết quả thực nghiệm thu được thông qua mô hình thiết bị thực đã minh chứng tính đúng đắn của sự kết hợp giữa hệ phương trình quy đổi giá trị các thông số của PVg từ STC về điều kiện vận hành bất kỳ, thuật toán Newton-Raphson khi xác định giá trị các thông số ẩn, thuật toán IB trong quá trình tìm MPP, cách xây dựng hàm n(T) theo phương pháp bình phương cực tiểu với kỹ thuật AVC. Đồng thời, các kết quả này cũng cho thấy chủng loại PYR và TempS được sử dụng là phù hợp với PVg sản xuất từ chất bán dẫn.
- Chứng tỏ được phương pháp điều khiển kết hợp kỹ thuật IB với kỹ thuật AVC đã giúp khả năng bám sát MPP, đảm bảo khả năng khai thác tối đa năng lượng từ PVg tốt hơn so với những phương pháp trước đây.
Các kết quả thực nghiệm thu được củng cố độ tin cậy của các nghiên cứu lý thuyết. Hiện tại, TempS và PYR có độ chính xác cao phù hợp với PVg đã phổ biến rộng rãi trên thị trường góp phần hiện thực hóa phương pháp điều khiển này cho các ứng dụng trong thực tế.
-24-
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 1. Kết luận
Kết quả nghiên cứu của luận án có đóng góp mới đảm bảo tính khoa học và thực tiễn:
• Xây dựng thành công được một giải pháp mới giúp xác định chính xác thông số tại MPP ở thời điểm bất kỳ tương ứng với cặp giá trị (G, T). Giải pháp này được xây dựng dựa trên các yếu tố: phương pháp Newton-Raphson xác định giá trị các tham số ẩn ở STC, kỹ thuật IB (dò và chia đôi) xác định thông số tại MPP, hàm số n(T) dựa trên việc kết hợp kỹ thuật IB với phương pháp bình phương cực tiểu.
• Xây dựng thành công cấu trúc điều khiển sử dụng giải pháp đã đề xuất với kỹ thuật SMC hoặc kỹ thuật AVC cho BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost - một khâu thiết yếu trong hệ thống khai thác PVg. Sự kết hợp này đã đem lại những phương pháp điều khiển khác biệt so với các phương pháp điều khiển trước đây, giúp nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng của PVg.
Ngoài ra, luận án còn đóng góp thêm:
• Xây dựng cấu trúc điều khiển cho BBĐ DC/AC ghép nối lưới khai thác năng lượng từ PVg. Với cấu trúc điều khiển này, chính cấu trúc điều khiển phía PVg đã xác định được lượng đặt chính xác về MPP làm lượng đặt cho BBĐ DC/AC, đảm bảo đẩy được tối đa công suất từ PVg thu được vào lưới. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng bằng kết quả mô phỏng trong Matlab.
• Xây dựng thành công mô hình thiết bị thực kiểm chứng một số kết quả nghiên cứu. Mô hình này sử dụng panel SV-55, BBĐ DC/DC buck, DCbus giữ điện áp cố định, PYR đo G, TempS đo T trong điều kiện vận hành thực tế tại Việt Nam. Các kết quả thực nghiệm đã cho thấy việc sử dụng giải pháp MPPT đã đề xuất đã giúp khai thác gần như hoàn toàn năng lượng lớn nhất có thể phát ra từ PVg trong mọi điều kiện vận hành và khắc phục được các nhược điểm của các kỹ thuật tìm MPP trước đây. Điều này đã cho thấy tính đúng đắn của giải pháp đã đề xuất với đối tượng là PVg sản xuất từ các chất bán dẫn và phương pháp điều khiển là phù hợp giúp nâng cao khả năng khai thác loại nguồn này trong hệ thống điện, qua đó thấy được khả năng ứng dụng vào thực tế của các nội dung lý thuyết đã xây dựng.
2. Kiến nghị
Phát triển các kết quả nghiên cứu của luận án cho các hướng nghiên cứu cùng lĩnh vực:
• Hệ thống có sự tham gia của nhiều nguồn phân tán sử dụng năng lượng tái tạo.
• Điều khiển các BBĐ đa mức khai thác PVg.
