Luận án Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời

KÝ HIỆU VIẾT TẮT .vii

KÝ HIỆU .ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .xii

DANH MỤC CÁC BẢNG .xv

MỞ ĐẦU .1

CHƯƠNG 1 .5

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU.5

1.1 Khái quát về nguồn pin mặt trời.5

1.2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời.6

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời .7

1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.7

1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước.11

1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết.12

1.4.1 Một số vấn đề còn tồn tại .12

1.4.2 Tiếp cận vấn đề .15

1.4.3 Đề xuất hướng giải quyết .16

1.5 Kết luận chương 1 .17

CHƯƠNG 2 .19

MÔ HÌNH HÓA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC

ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI.19

2.1 Mô hình toán học của nguồn pin mặt trời .19

2.2 Xây dựng giải pháp nhận dạng các thông số ẩn cho nguồn pin mặt trời ở điều kiện

vận hành tiêu chuẩn .23

2.2.1 Nêu vấn đề.23

2.2.2 Thiết lập các phương trình tại các điểm đặc biệt ở điều kiện tiêu chuẩn.24

2.2.3 Phương pháp xác định các thông số ẩn .26

2.2.4 Xây dựng thuật toán xác định các thông số ẩn.27

pdf183 trang | Chia sẻ: honganh20 | Ngày: 28/02/2022 | Lượt xem: 364 | Lượt tải: 1download
Bạn đang xem trước 20 trang tài liệu Luận án Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời, để xem tài liệu hoàn chỉnh bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên
u được xét trong khoảng thời gian 0.1s. Start Đo G, T MPPT (Kỹ thuật IB) Thông số tại MPP (Vmpp, Pmpp) Xác định ueq(t) (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 Đ Gửi xung điều khiển đến SW Đo vpv, ipv Tính ppv=vpvipv S S S -63- Hình 3. 12 Kịch bản biến thiên của G Panel PVg được sử dụng là MF165EB3 với giá trị các thông số được cho trong bảng 2.1 và bảng 2. 2 (chương 2). Thông số BBĐ: Rdc=0.5 Ω, Ldc=0.008 H, Cpv =0.001 F với BBĐ DC/DC buck, 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), Vdc= 48 V (với BBĐ DC/DC boost) Tham số cho bộ điều khiển IB-SMC được cập nhật theo sự biến thiên của G: ứng với BBĐ DC/DC buck là a stc 0.05 GK G × = − và BBĐ DC/DC boost là b stc 0.183 GK G × = − , Kc= -1. Các hệ số Ka, Kb đã được xác định thông qua quá trình mô phỏng trong các điều kiện vận hành hoàn toàn khác nhau khi T biến thiên từ 250C đến 650C, G biến thiên từ 100 W/m2 đến 1000 W/m2 để đảm bảo luôn bám MPP. Đây cũng chính là điểm khác biệt của phương pháp IB-SMC so với các phương pháp điều khiển trước đây. Điện năng thu được từ PVg trong khoảng (0÷t) xác định bởi (3.33): ∫= t 0 pv dt)t(p)t(A (3.33) Điện năng mong muốn thu được trong khoảng (0÷t) được xác định bởi (3.34): 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 800 850 900 950 1000 Thoi gian (s) G (W /m 2) -64- t mpp mpp 0 A (t) P (t)dt= ∫ (3.34) Tiêu chí đánh giá hiệu quả năng lượng là so sánh mức điện năng thu được với mức điện năng mong muốn thu được. Hiệu quả năng lượng trong khoảng thời gian (0÷t) được xác định bởi (3.35): mpp A(t)H% 100% A (t) = (3.35) Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-SMC được mô tả trên hình 3. 13 và hình 3. 14. 65 Hình 3. 13 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC buck theo phương pháp IB-SMC -66- Hình 3. 14 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-SMC 67 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink khối PVg, các bộ điều khiển IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck và DC/DC boost được mô tả trên hình 3. 15. a. Sơ đồ mô phỏng khối PVg b. Bộ điều khiển IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck c. Bộ điều khiển IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost Hình 3. 15 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink khối PVg và bộ điều khiển IB-SMC -68- 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. 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 /m 2) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Thoi gian (s) IB -S M C B B D D C /D C b uc k p (t) Pmpp(t) A(t) pv A(t)=3x136 Ws 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Thoi gian (s) IB -S M C B B D D C /D C b oo st p (t) Pmpp(t) A(t) A(t)=3x136 Ws pv -69- Hiệu quả năng lượng tương ứng với hai BBĐ được xác định từ công thức (3.35) với kết quả được xác định bởi (3.36): 3 136H% 100% 99.83% 408.7 × = = (3.36) Kết quả cho thấy phương pháp IB-SMC đã khai thác được gần như hoàn toàn năng lượng của PVg ở mọi thời điểm. Các kết quả trên hình 3. 16 cũng đã cho thấy đường ppv(t) luôn bám đường 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 suốt quá trình vận hành PVg. 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 giá trị điện áp tính toán được của MPPT tại mỗi thời điểm nhờ sử dụng kỹ thuật IB đã trình bày trong chương 2. Điều này có nghĩa là với cấu trúc điều khiển BBĐ DC/DC trên hình 3. 1, đích điều khiển được thiết lập về điện áp ở đầu vào BBĐ tương ứng với mref =Vmpp. Phương pháp này khác biệt với các phương pháp trước đây ở chỗ đích điều khiển là Vmpp chính xác tại MPP được xác định trước và không đổi nếu không có sự biến thiên về các giá trị của (G, T). Với phân tích trên, cấu trúc điều khiển theo phương pháp IB-AVC dù áp dụng cho BBĐ DC/DC buck hay BBĐ DC/DC boost cũng đều có cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện ở vòng trong và mạch vòng điều khiển điện áp ở vòng ngoài như mô tả trên hình 3. 17 [46], [56], [60], [62]. Hình 3. 17 Mạch vòng điều khiển PVg theo phương pháp IB-AVC - 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 -70- Cấu trúc mạch vòng dòng điện, mạch vòng điện áp được mô tả trên hình 3.18. a. Cấu trúc mạch vòng dòng điện b. Cấu trúc mạch vòng điện áp Hình 3.18 Cấu trúc mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp điều khiển BBĐ DC/DC Trong đó: Gcv, Gci là hàm truyền của bộ điều khiển vòng điện áp, dòng điện, Gfv, Gfi là hàm truyền của bộ lọc nhiễu đo điện áp, dòng điện, GPWM là hàm truyền của bộ phát xung, Gk(s) là hàm truyền của mạch vòng kín dòng điện, Gid(s) là hàm truyền thể hiện mối quan hệ giữa Li với d , Gvi là hàm truyền thể hiện mối quan hệ giữa pvv và Li . Hàm truyền của khâu lọc tín hiệu điện áp, dòng điện được xác định bởi (3.37): fv fi S 1G G T1 s 2 = = + (3.37) trong đó: TS=1/fS là chu kỳ phát xung PWM. Đối với kỹ thuật AVC, mô hình tín hiệu nhỏ của các BBĐ DC/DC như đã mô tả trên hình 3.5 và hình 3.8 được sử dụng để xác định thông số của các bộ điều khiển. Gci(s) GPWM(s) Gid(s) + - iLref iL d Gfi(s) Gcv(s) Gk(s) Gvi(s) + - Vmpp vpv Gfv(s) -71- 3.3.2.2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck Mạch vòng dòng điện Thay (3.9) vào (3.10) ta có (3.38) [46], [56], [60], [62]: L Ldc L L dc pv pv dc d(I i )R (I i ) L (V v )(D d) V dt − − + = + − −     ⇔ Ldc L dc pv dc L pv pv pv dc diR i L V D R I V d v D v d V dt − − = − − + − −       (3.38) Viết lại (3.38) với điều kiện V0=DVpv - RdcIL lược bớt thành phần vô cùng bé pvv d và sử dụng biến đổi Laplace, có (3.39): dc dc L pv pv(R sL )i V d v D+ = −   (3.39) Với vòng điều khiển dòng điện, coi rằng vpv biến thiên không nhanh so với sự biến thiên của dòng điện (coi 0v~pv = với mạch vòng dòng điện) ta có hàm truyền quan hệ giữa Li với d được xác định theo (3.40): pvLid dc dc ViG R sLd = = +   (3.40) Hàm truyền xung PWM được xác định gần đúng theo (3.41) [96]: PWM S 1G T1 s 2 = + (3.41) Hàm truyền hệ hở của mạch vòng dòng điện được xác định bởi (3.42): mpp dc ih ci id PWM fi ci dc S dc V RG G G G G G L(1 s )(1 sT ) R = = + + (3.42) Bộ điều khiển Gci cho mạch vòng dòng điện được xác định bởi (3.43) [9]: iici ip KG K s = + (3.43) -72- trong đó: dcip mpp S LK , 2V T = dcii mpp S RK 2V T = Với thông số bộ điều khiển dòng điện Gci đã lựa chọn như (3.43), hàm truyền Gk cho mạch vòng kín của dòng điện được xác định bởi (3.44): ihk ih G (s)G (s) 1 G (s) = + k 2 2 S S 1G (s) 1 2T s 2T s ⇔ = + + (3.44) Mạch vòng điện áp Trong bài toán xây dựng bộ điều khiển, mô hình Thevenin mạch điện tương đương của PVg có dạng như hình 3. 19, trong đó nguồn áp tương đương Veq thay thế cho nguồn dòng, điện trở tương đương Req thay cho Rp và RS thông qua phương trình (3.45) và (3.46) [56], [61]: eq ph D pV (I I )R= − (3.45) eq p SR R R= + (3.46) Hình 3. 19 Mô hình Thevenin mạch điện tương đương của PVg Thế hệ phương trình (3.9) vào phương trình (3.13) và sử dụng toán tử hóa Laplace ta có phương trình (3.47): pv pv L dv i C i d dt = + eq pv pv pv pv L L L L eq V V v C v s I D I d i D i d R − − ⇔ = + − − +       (3.47) + Req - Veq ipv vpv + - vpv ipv RS Rp Iph-ID -73- Viết lại phương trình (3.47) với điều kiện L pvI D I= , eq pv eq pvV I R V= + , bỏ qua thành phần vô cùng nhỏ Li d  , coi rằng iL biến thiên không nhanh so với sự biến thiên của độ rộng xung (coi 0d~ = với mạch vòng điện áp) ta có quan hệ hàm truyền ta có hàm truyền quan hệ giữa pvv và Li được xác định theo (3.48): pv pv L eq 1v C s i D R   + =       pv eq vi pv eqL v DR G (s) 1 C R si ⇔ = = +   (3.48) Từ kết quả tổng hợp mạch vòng kín của mạch vòng dòng điện ta được hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện gần đúng như sau (bỏ qua thành phần vô cùng bé bậc cao): k S 1G (s) 1 2T s = + (3.49) Sử dụng (3.48), (3.49) và bỏ qua thành phần vô cùng bé bậc cao, hàm truyền hệ hở cho mạch vòng điện áp được xác định theo (3.50): vh cv vi k fvG G G (s)G (s)G= ( ) eq vh cv pv eq S DR 1G G 51 C R s 1 T s 2 ⇔ = + + (3.50) Bộ điều khiển Gcv cho mạch vòng điện áp được xác định bởi (3.51) [9]: vicv vp KG K s = + (3.51) trong đó: pv mppvp dc S C V K , 5V T = mppvi dc S eq V K 5V T R = 3.3.2.3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost Mạch vòng dòng điện Thay (3.14) vào phương trình (3.15) ta có (3.52) [46], [56], [60], [62]: -74- L Ldc L L dc pv pv dc d(I i )R (I i ) L V v (1 D d)V dt − − + = + − − +     (3.52) Viết lại phương trình (3.52) với điều kiện pv dc dc LV (1 D)V R I= − + , coi rằng vpv biến thiên không nhanh so với sự biến thiên của dòng điện (coi 0v~pv = với mạch vòng dòng điện) và sử dụng biến đổi Laplace, ta có hàm truyền ta có hàm truyền quan hệ giữa Li với d được xác định theo (3.53): dc dc L pv dc(R sL )i v V d+ + =  dcL id dc dc ViG R sLd ⇔ = = +   (3.53) Hàm truyền hệ hở của mạch vòng dòng điện được xác định bởi (3.54): dc dc ih ci id PWM fi ci dc S dc V R 1G G G G G G L 1 T s1 s R = = ++ (3.54) Bộ điều khiển Gci cho mạch vòng dòng điện được xác định bởi (3.55) [9]: iici ip KG K s = + (3.55) trong đó: dcip dc S LK , 2V T = dcii dc S RK 2V T = Với thông số bộ điều khiển dòng điện Gci đã lựa chọn như (3.55), hàm truyền Gk cho mạch vòng kín của dòng điện được xác định bởi (3.56): ihk ih G (s)G (s) 1 G (s) = + k 2 2 S S 1G (s) 1 2T s 2T s ⇔ = + + (3.56) Mạch vòng điện áp Thế (3.14) vào (3.13) và sử dụng toán tử hóa Laplace có (3.57): -75- pv pv pv L dv i C i dt = + eq pv pv pv pv L L eq V V v sC v I i R − − ⇔ = + −    (3.57) Viết lại (3.57) với điều kiện L pvI I= , eq pv eq pvV I R V= + có quan hệ hàm truyền điện áp với dòng điện trên cuộn cảm: pv pv L eq 1v ( C s) i R + =  pv eq vi pv eqL v R G 1 C R si ⇔ = = +   (3.58) Từ kết quả tổng hợp mạch vòng kín của mạch vòng dòng điện ta được hàm truyền hệ kín của mạch vòng dòng điện gần đúng như sau (bỏ qua thành phần vô cùng bé bậc cao): k S 1G (s) 1 2T s = + (3.59) Sử dụng (3.58) và (3.59), ta có hàm truyền hệ hở cho mạch vòng điện áp: vh cv vi k fvG G G (s)G (s)G= eq vh cv pv eq S R 1G G 51 C R s 1 T s 2 ⇔ = + + (3.60) Bộ điều khiển Gcv cho mạch vòng điện áp được xác định bởi (3.61) [9]: vicv vp KG K s = + (3.61) trong đó: pvvp S C K , 5T = vi S eq 1K 5T R = 3.3.2.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC Như đã phân tích trong những nội dung trên, kỹ thuật AVC được sử dụng để đưa điện áp ở đầu vào BBĐ DC/DC về giá trị mong muốn do kỹ thuật IB cung cấp. -76- Thông qua việc sử dụng mô hình tín hiệu nhỏ, các thông số của bộ điều khiển cho mạch vòng điện áp đã được xác định và đều phải thay đổi theo trạng thái vận hành hiện thời (Vmpp, Req) nên sẽ là bộ điều khiển thích nghi thông số. Với bộ thông số điều khiển đã xác định cho mạch vòng dòng điện và điện áp, hằng số thời gian của các bộ điều khiển được xác định theo (3.62) và (3.63). Hằng số thời gian của mạch vòng dòng điện: dci dc LT R = (3.62) Hằng số thời gian của mạch vòng điện áp: v pv eqT C R= (3.63) Trong đó, Req của PVg từ cỡ panel trở lên luôn nhận giá trị cỡ 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 lựa chọn các thông số BBĐ để giá trị của Ti luôn đảm bảo nhỏ hơn Tv trong mọi điều kiện vận hành. 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. -77- Hình 3.20 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC 3.3.2.5 Kết quả mô phỏng phương pháp IB-AVC Sử dụng PVg loại MF165EB3 và thông số BBĐ đã cho trong mục 3.3.1.4, các thông số của các bộ điều khiển dòng điện, bộ điều khiển điện áp được xác định theo theo các biểu thức (3.43), (3.51), (3.55), (3.61). Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển IB-AVC được biểu diễn trên hình 3. 21. Hình 3. 21 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển IB-AVC Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/boost được mô tả trên hình 3. 22 và hình 3. 23. 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 Đ Bộ điều khiển IB-AVC Đo vpv S S |Vmpp-vpv|>ε Đ 78 Hình 3. 22 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC buck theo phương pháp IB-AVC -79- Hình 3. 23 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC boost theo phương pháp IB-AVC 80 Kết quả mô phỏng đáp ứng của PVg khi áp dụng phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck và DC/DC boost được mô tả trên hình 3. 24. 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 /m 2) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Thoi gian (s) IB -A V C B B D D C /D C b uc k p (t) Pmpp(t) A(t) A(t)=3x136.2 Ws pv 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 0 20 40 60 80 100 120 140 160 Thoi gian (s) IB -A V C B B D D C /D C b oo st p (t) Pmpp(t) A(t) pv A(t)=3x136.2 Ws -81- Các kết quả trên hình 3. 24 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%). 3.3.3 So sánh hiệu quả năng lượng và khả năng ứng dụng Để so sánh hiệu quả khai thác năng lượng giữa các kỹ thuật tìm MPP, luận án sẽ thực hiện đối chiếu kỹ thuật IB với một số kỹ thuật sau: Nhóm offline không sử dụng thông tin về (G, T): Kỹ thuật CV (Vmpp=Vmppstc) Nhóm offline sử dụng thông tin về T: Kỹ thuật Temp. (Vmpp=Vmppstc(1+CTV(T-Tstc)) Nhóm online tạo dao động có tính chất giống nhau (P&O, INC, trọng lượng 3 điểm): Kỹ thuật P&O với bước nhảy ∆d=0.2%. Nhóm online can thiệp trực tiếp vào mạch: Kỹ thuật OV. Để thực hiện kỹ thuật OV, cần sử dụng một SW mắc nối tiếp vào mạch để tìm VOC với chu kỳ đóng mở 0.4s (Thời gian đóng mạch: 0.3 s, thời gian hở mạch: 0.1 s và Vmpp=0.8VOC|G,T). Do các kỹ thuật CV, Temp, OV đều cung cấp giá trị Vmpp nên các kỹ thuật này đều được kết hợp với kỹ thuật AVC. Điều kiện vận hành PVg là 3 mức giá trị của G: 1000 W/m2, 600 W/m2 và 200 W/m2 khi T có giá trị 25 0C, 35 0C, 45 0C, 55 0C, 65 0C. Thời gian vận hành với mỗi mức giá trị của G là 3s. Kết quả so sánh được biểu diễn trên các hình từ hình 3. 25 đến hình 3. 30. -82- Hình 3. 25 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=1000 W/m2 Hình 3. 26 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=600 W/m2 25 30 35 40 45 50 55 60 65 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Nhiet do ( C) H % B B D D C /D C b oo st G =1 00 0 W /m 2 IB-SMC IB-AVC P&O OV-AVC CV-AVC Temp-AVC 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Nhiet do ( C) H % B B D D C /D C b uc k G =6 00 W /m 2 IB-SMC IB-AVC P&O OV-AVC CV-AVC Temp-AVC 0 -83- Hình 3. 27 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=200 W/m2 Hình 3. 28 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=1000 W/m2 25 30 35 40 45 50 55 60 65 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Nhiet do ( C) H % B B D D C /D C b uc k G =2 00 W /m 2 IB-SMC IB-AVC P&O OV-AVC CV-AVC Temp-AVC 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Nhiet do ( C) H % B B D D C /D C b oo st G =1 00 0 W /m 2 IB-SMC IB-AVC P&O OV-AVC CV-AVC Temp-AVC 0 -84- Hình 3. 29 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=600 W/m2 Hình 3. 30 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=200 W/m2 25 30 35 40 45 50 55 60 65 60 65 70 75 80 85 90 95 100 Nhiet do ( C) H % B B D D C /D C b oo st G =6 00 W /m 2 IB-SMC IB-AVC P&O OV-AVC CV-AVC Temp-AVC 0 25 30 35 40 45 50 55 60 65 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Nhiet do ( C) H % B B D D C /D C b oo st G =2 00 W /m 2 IB-SMC IB-AVC P&O OV-AVC CV-AVC Temp-AVC 0 -85- Các đồ thị trên cho thấy MPPT sử dụng các kỹ thuật tìm MPP trước đây 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 đem lại 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 đầy đủ 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 cũng 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 năng lượng từ PVg, trong đó phương pháp IB-SMC và IB-AVC cho hiệu quả năng lượng gần như tương đương nhau. Những phân tích trên đã 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 được sử dụng. Mặt khác, các kết quả mô phỏng cho thấy dòng điện iC có thể được xem như một dạng dòng điện xoay chiều xung vuông (với BBĐ DC/DC buck) hoặc xung tam giác biên độ rất nhỏ (với BBĐ DC/DC boost) và có cùng tần số với tần số cắt của bộ điều khiển (biểu diễn trên hình PL. 3). 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 của bản thân các thiết bị đo lường, độ trễ thời gian thu thập và xử lý thông tin cũng như các hạn chế của thiết bị. 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 làm việc 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) có sai lệch nhất định nào đó gây ra bởi sai số của các thiết bị đo lường và các tính toán trong MPPT. -86- Các phân tích trên cho thấy bộ điều khiển phía PVg sử dụng kỹ thuật AVC có thể được sử dụng 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 Đối với các nguồn phát kết nối lưới, kỹ thuật hòa đồng bộ và khóa pha đã được nghiên cứu khá hoàn thiện [37], [45], [96]. Do mục tiêu chính của luận án là khai thác được tối đa công suất từ PVg nên hệ thống có kết nối lưới là cần thiết. Thực ra, lưới điện đóng vai trò như một nguồn thu công suất không hạn chế, điều này khác hẳn với các tải thụ động hay ắc quy. Tuy nhiên, một số vấn đề cần được giới hạn để tập trung cho mục tiêu chính, đó là: - Luôn coi tần số lưới ổn định, kể cả khi có sai lệch so với tần số chuẩn trong phạm vi cho phép thì trạng thái làm việc vẫn luôn là xác lập; - Lượng công suất từ PVg đẩy vào lưới hoàn toàn do bộ điều khiển dòng điện quyết định; - Trường hợp nếu lưới có sự cố làm mất đồng bộ tạm thời trong thời gian ngắn thì hệ thống khai thác PVg sẽ được đảm bảo an toàn bằng các bảo vệ tự động cắt và kết nối lại sau khi chắc chắn sự cố trên lưới đã được giải trừ nhưng các vấn đề này không nằm trong mục tiêu nghiên cứu của luận án. Mục 3.3 đã giải quyết được vấn đề khai thác công suất tại MPP của PVg, trong đó lượng công suất phát ra từ PVg đã được đưa đến DCbus thông qua BBĐ DC/DC. BBĐ DC/AC thực hiện hai nhiệm vụ đồng thời: thực hiện vai trò của một bộ nghịch lưu (truyền công suất từ phía DC sang phía AC) và thực hiện vai trò của một bộ chỉnh lưu tích cực (ổn định điện áp điện áp Vdc trên DCbus). Với những phân tích trên, cấu trúc điều khiển ghép nối lưới được thực hiện bởi 2 mạch vòng điều khiển (mạch điều khiển điện áp ở vòng ngoài, mạch điều khiển dòng điện ở vòng trong) như mô tả trên hình 3. 31. -87- Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển phía lưới Trong đó: Nhiệm vụ của bộ điều khiển điện áp là đánh giá sai lệch giữa giá trị điện áp đặt Vdcref với giá trị Vdc phản hồi đo được trên DCbus để cung cấp thông tin về igref cho mạch vòng điều khiển dòng điện ở vòng trong. Nhiệm vụ của bộ điều khiển dòng điện là đánh giá sai lệch giữa giá trị dòng điện đặt igref với dòng điện ig phản hồi đo được để cung cấp tín hiệu điện áp đặt uref cho bộ điều chế xung điều khiển của BBĐ DC/AC. Với cách thực hiện cấu trúc điều khiển trên, lượng công suất khai thác được từ PVg (thông qua BBĐ DC/DC) sẽ luôn được hấp thụ hoàn toàn bởi lưới điện nhờ việc bộ điều khiển dòng điện trong cấu trúc điều khiển phía lưới. BBĐ DC/AC đã được trình bày chi tiết trong các tài liệu [33], [66], [69], [96]. Đồng thời, cấu trúc điều khiển ghép nối lưới cho đến nay trở thành kinh điển và đã được nhiều tài liệu đề cập đến. Vì vậy, mô tả chi tiết BBĐ DC/AC và việc thiết kế bộ điều khiển ghép nối lưới được trình bày trong phần phụ lục của luận án. 3.4.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời Để đạt được công suất và điện áp theo yêu cầu cho những ứng dụng thực tế như bài toán ghép nối lưới, những phân tích trong chương 2 đã cho thấy cần phải thực hiện ghép nối song song, nối tiếp các panel của PVg. Mặt khác, BBĐ DC/DC boost thường được sử dụng trong bài toán ghép nối lưới cho PVg để hạn chế sự không đồng nhất về chế độ làm việc của các panel PVg. Sử dụng nội dung đã xây dựng trong mục 3.3 khi thiết kế bộ điều khiển IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost, việc tính toán bộ điều khiển được trình bày trong phần phụ lục của luận án với một cấu trúc ghép như sau: ghép nối tiếp 15 panel MF165EB3 thành array và ghép song song 16 array (các panel hoàn toàn giống nhau) như trên hình 3.32. Vdc Bộ điều khiển điện áp Bộ điều khiển dòng điện Bộ điều chế xung điều khiển igref Vdcref CS2 + - ig + - uref -88- Hình 3.32 Cấu trúc ghép nối PVg từ các panel MF165EB3 Giá trị các thông số của cấu trúc ghép được cho trong bảng 3. 1. Bảng 3. 1 Giá trị các thông số mô phỏng của cấu trúc PVg ghép Loại thông số Ký hiệu Giá trị Các thông số đã biết ISC 117.76 A VOC 456 V Vmpp 363 V Impp 109.28 A Pmpp 39.6 kW CTI 0.057 %/0C CTV -0.346 %/0C CTP -0.478 %/0C Các thông số được xác định bởi thuật toán Newton- Raphson Iph 117.79 A I0 1.65x10-6 A Vt 25.215 V RS 0.2354 Ω Rp 1098.84 Ω Đồ thị vpv-ipv và vpv-ppv của cấu trúc PVg ghép được biểu diễn trên hình 3.33. Panel 15 vpv ipv + - Array 1 Array 2 Array 15 Array 16 Panel 2 Panel 1 Panel 15 Panel 2 Panel 1 Panel 15 Panel 2 Panel 1 Panel 15 Panel 2 Panel 1 -89- a. G biến thiên b. T biến thiên Hình 3.33 Đặc tính vpv-ipv và vpv-ppv của cấu trúc PVg ghép Hàm số n(T) được xác định theo (3.64) (đã được xác định trong chương 2): 2stc stc 9n(T) 1 0.008017 (T T ) (T T ) 400000 = − − + − (3.64) Thông

Các file đính kèm theo tài liệu này:

  • pdfluan_an_nghien_cuu_mot_so_phuong_phap_nang_cao_hieu_qua_khai.pdf
Tài liệu liên quan