Triển khai giải thuật dò điểm công suất cực đại cho hệ thống dùng năng lượng mặt trời trong nuôi trồng thủy sản

- TRIỂN KHAI GIẢI THUẬT DÒ ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ THỐNG DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRONG NUÔI TRỒNG THỦY SẢN.
- Điểm công suất cực đại, năng lượng mặt trời, quạt nước ao tôm.
- Bài báo này nhằm mục tiêu giới thiệu và cung cấp phương pháp triển khai giải thuật dò tìm và bám theo điểm công suất cực đại của tấm pin quang điện (tấm pin năng lượng mặt trời) dựa trên độ điện dẫn của tấm pin (giải thuật Incremental Conductance Maximum Power Point Tracking – Ind.
- Dựa trên cơ sở lý thuyết về mô hình của tấm pin quang điện, giải thuật Incremental Conductance được triển khai trong cấu hình mạch chuyển đổi điện áp DC-DC kiểu boost xen kẽ được điều khiển bởi bộ điều khiển kỹ thuật số khả trình (vi điều khiển STM32F1).
- Kết quả triển khai cho thấy điện áp tại điểm công suất cực đại của hệ pin được duy trì ổn định, công suất trích xuất được điều khiển bám theo công suất khả dụng tối đa của hệ các tấm pin, hệ thống với giải thuật Ind.
- Trong những năm gần đây, với chính sách thúc đẩy phát triển năng lượng sạch, sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp sản xuất tấm pin năng lượng mặt trời cùng với các tiến bộ về công nghệ điện tử công suất đã thúc đẩy quá trình ứng dụng năng lượng mặt trời vào các lĩnh vực đời sống một cách hiệu quả và rộng rãi trên toàn thế giới.
- Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất của các động cơ điện AC là chúng đòi hỏi nguồn điện AC sẵn có, điều này gây trở ngại lớn cho việc triển khai nuôi tôm công nghiệp ở những vùng không sẵn có điện lưới hoặc điện lưới không đủ công suất.
- Có hai vấn đề chủ yếu cần giải quyết trong hệ thống chuyển đổi năng lượng cho động cơ AC trong dàn quạt nước: dò tìm và trích xuất được điểm làm việc của hệ các tấm pin quang điện mà tại đó công suất làm việc của tấm pin là tối đa trong một điều kiện môi trường xác định (MPP – Maximum Power Point).
- các tấm pin quang điện đều nhằm cố gắng đưa điện áp làm việc về một giá trị mà tại đó công suất phát từ hệ là cực đại trên toàn miền điện áp..
- Một số bài báo đề xuất triển khai mô hình dò tìm và bám theo điểm công suất cực đại trong hệ chuyển đổi điện áp DC-DC thông qua việc thay đổi độ rộng xung trực tiếp không thông qua khâu điều chỉnh điện áp như Charais (2010), Nguyễn Ngọc Trung (2012), Nguyễn Văn Tấn và ctv.
- Tại đó, giải thuật trích xuất không thể đưa hệ thống đến điểm công suất cực đại thật sự của hệ quang điện.
- Để khắc phục các khó khăn hiện có, bài báo tập trung giải quyết vấn đề triển khai giải thuật trích xuất công suất khả dụng tối đa của hệ thống quang điện cỡ nhỏ (công suất đỉnh 1 kWp) vào hệ chuyển đổi điện áp DC-DC, bao gồm các nội dung chủ yếu:.
- MPPT, triển khai giải thuật trong hệ thống chuyển đổi điện áp DC-DC, khảo sát đặc tính làm việc thực tế của hệ các tấm pin và một số vấn đề có liên quan..
- Tùy theo quy mô ao nuôi được quy hoạch mà có thể kết hợp sử dụng nhiều hệ quang điện cỡ nhỏ với công suất đỉnh 1 kWp như đã đề cập, với số lượng hệ quang điện chỉ bị giới hạn bởi chi phí, nhu cầu và diện tích lắp đặt.
- Giải thuật dò tìm điểm công suất dựa trên độ điện dẫn của tấm pin quang điện a.
- Đặc tính của tấm pin quang điện.
- Dòng điện của tế bào thay đổi gần như tỷ lệ với cường độ bức xạ nhận được nhưng điện áp chỉ thay đổi nhẹ khi cường độ bức xạ thay đổi.
- Ngược lại, điện áp chịu sự chi phối mạnh từ yếu tố nhiệt độ, khi nhiệt độ của tế bào tăng cao thì điện áp bị giảm đáng kể, trong khi đó dòng điện chỉ thay đổi một lượng nhỏ.
- Sự ảnh hưởng của cường độ bức xạ và nhiệt độ lên đặc tính của tấm pin quang điện được mô tả như trong Hình 1..
- Sự thay đổi về cường độ ánh sáng có sức ảnh hưởng tới công suất đầu ra của tế bào đáng kể hơn sự thay đổi về nhiệt độ.
- công suất của tấm pin quang điện sẽ bị suy giảm khi cường độ ánh sáng giảm xuống hoặc nhiệt độ của tấm pin tăng lên..
- Điểm công suất cực đại.
- Một tấm pin quang điện có thể hoạt động trong một dải điện áp và dòng điện rộng.
- Nếu mắc một điện trở vào đầu ra của tấm pin với giá trị tăng từ 0 Ω (xem như điều kiện ngắn mạch – dòng điện là tối đa) lên tới một giá trị rất lớn (tương đương mạch hở – dòng điện tối thiểu), điểm công suất cực đại có thể được xác định dựa vào đặc tuyến công suất theo dòng điện như trong Hình 2b.
- Điểm công suất cực đại là điểm hoạt động của tấm pin mà tại đó tích số giữa dòng điện và điện áp của tấm pin là lớn nhất trong toàn miền điện áp, trong điều kiện các yếu tố môi trường xác định.
- Công suất đầu ra của tấm pin ở điều kiện ngắn mạch (SC – short circuit) hoặc hở mạch (OC – open circuit) được xem như bằng 0 W..
- Đặc tính tải của tấm pin quang điện 36 tế bào: (a) ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng.
- Hình 2 cho thấy dòng điện và công suất đầu ra của một tấm pin quang điện, trong một điều kiện.
- chiếu sáng xác định, như các hàm theo theo điện áp đầu ra (Microchip, 2011)..
- Đặc tính điểm công suất cực đại của một tấm pin quang điện Hệ thống khai thác năng lượng từ các tấm pin.
- quang điện bắt buộc phải đảm bảo rằng tấm pin luôn hoạt động ở điểm công suất cực đại, để hệ chuyển đổi năng lượng và tải tiêu thụ luôn thu được nhiều.
- năng lượng nhất từ hệ quang điện.
- Độ gợn điện áp trong lúc hoạt động của tấm pin phải đủ nhỏ để giải thuật.
- MPPT có thể dò đúng điểm công suất cực đại, nghĩa là tấm pin phải hoạt động với giá trị công suất trung bình tức thời dao động không quá nhiều xung quanh giá trị công suất cực đại thực sự của nó và các tác nhân gây nhiễu phải đủ nhỏ để không ảnh hưởng đến tiến trình MPPT.
- Các tác nhân gây nhiễu tiêu biểu bao gồm: độ gợn dòng điện, điện áp, hiện tượng ground loop, nhiễu điện từ từ mạch chuyển đổi điện áp DC-DC kiểu switching, và thậm chí là sai số lượng tử đến từ quá trình lấy mẫu/tính toán trong bộ điều khiển..
- Giải thuật Inc.
- MPPT dựa vào giả thiết về đặc tuyến công suất theo điện áp của tấm pin.
- Giả thiết được đặt ra và đã được kiểm chứng là: đồ thị đặc tính của tấm pin tồn tại một cực đại trong toàn miền điện áp với điều kiện các tế bào trên tấm pin được chế tạo đồng chất, không có tình trạng hư hỏng đối với bất kỳ tế bào nào và độ rọi của ánh sáng trên mỗi tế bào là như nhau, tại đó công suất làm việc của tấm pin là tối đa.
- Vì công suất của tấm pin là hàm khả vi trong mọi điều kiện làm việc, điều này đồng nghĩa với đạo hàm của công suất theo điện áp tại đây bằng 0.
- Đây là điểm MPP của tấm pin quang điện..
- Hơn nữa, đạo hàm của công suất theo điện áp mang giá trị dương khi tấm pin hoạt động tại điểm công suất ở bên trái điểm MPP và mang giá trị âm khi tấm pin hoạt động tại điểm công suất ở bên phải điểm MPP.
- Trong đó, dP là độ dời công suất và dV là độ dời điện áp..
- MPPT dựa vào giá trị đạo hàm công suất theo điện áp làm việc của tấm pin để thay đổi điện áp tham chiếu đưa tới bộ điều khiển điện áp tấm pin.
- lần lượt là điện áp, dòng điện và công suất làm việc tại lần đo gần nhất và V[k-1], I[k-1] và P[k-1] lần lượt là điện áp, dòng điện và công suất làm việc tại lần đo liền kề trước lần đo hiện tại..
- Trong điều kiện này, đồ thị công suất theo điện áp của tấm pin có nhiều hơn một cực đại, điều này có thể làm cho điểm cực đại được giải thuật phát hiện có khả năng không phải là cực đại lớn nhất trên toàn miền (do giả thuyết đồ thị công suất chỉ có một điểm cực đại không còn đúng nữa).
- Tuy nhiên, ưu điểm của giải thuật này so với các phương pháp đơn giản khác (giải thuật Perturb and Observe, phương pháp ước lượng điện áp MPP…) là nó có thể dò điểm công suất cực đại một cách chính xác và ít dao động xung quanh điểm này, góp phần giảm hao phí trong quá trình trích xuất năng lượng cũng như tăng chất lượng điện đầu ra..
- Kiểu cấu hình mạch boost xen kẽ có cấu tạo tương tự như hai mạch boost đấu song song đầu vào và đầu ra, tuy nhiên, tín hiệu điều khiển của các van công suất có pha lệch nhau 180° trong một chu kỳ..
- Do đặc tính nghịch pha của tín hiệu điều khiển nên hai van công suất cũng đóng mở nghịch pha tương ứng, điều này góp phần tạo nên các ưu điểm chính của kiểu mạch này: giảm độ gợn dòng đầu vào và giảm độ gợn áp đầu ra.
- Thêm vào đó, do trong một chu kỳ đóng ngắt có hai xung điều khiển van bán dẫn nên tần số dòng điện nạp tụ Cout bằng gấp đôi tần số điều khiển van công suất.
- Điều này làm cho độ gợn điện áp đầu ra của mạch giảm gấp đôi..
- Trong chế độ này, hàm truyền điện áp theo độ rộng xung của mạch có dạng phức tạp và khó ước lượng.
- Hàm truyền của mạch trong chế độ này chỉ phụ thuộc vào độ rộng xung như trong phương trình (2), trong đó V out , V in và D lần lượt là biên độ điện áp đầu ra, biên độ điện áp đầu vào và độ rộng xung của tín hiệu điều khiển MOSFET.
- Chế độ này còn có ưu điểm là dòng điện đỉnh đi qua các van công suất nhỏ hơn (Kumar, R., Singh, B., Chandra, A.
- and Al-Haddad, K., 2015), nhằm làm giảm chi phí cho linh kiện bán dẫn, dễ dàng ứng dụng cho các bộ chuyển đổi có mật độ công suất/thể tích lớn và tạo ra ít nhiễu điện từ hơn..
- Về bản chất của mạch boost, khi tải có đặc tính thay đổi công suất cùng chiều với sự thay đổi điện áp, dòng điện đầu vào nhìn chung sẽ tăng khi độ rộng xung tăng, tuy nhiên, độ rộng xung.
- không nên được thay đổi trực tiếp trong tiến trình dò tìm điểm công suất.
- Trong lưu đồ ở Hình 3, nếu chỉ đơn thuần thay đổi độ rộng xung thay vì thay đổi điện áp tham chiếu trong quá trình dò tìm MPP, hệ thống có nguy cơ rơi vào vùng chuyển giao giữa hai chế độ làm việc của mạch boost.
- Tại điểm này, điện áp đầu ra thay đổi đột ngột theo hàm truyền, trong trường hợp tải đầu ra là điện trở có giá trị không thay đổi đủ nhanh, dòng điện đầu ra cũng thay đổi theo, kéo theo sự thay đổi đột ngột của dòng điện đầu vào (lúc này độ rộng xung không kịp thay đổi, do tốc độ dò của MPPT tương đối thấp so với những sự thay đổi đã nêu) làm cho giải thuật MPPT hiểu nhầm điểm này là điểm công suất cực đại và bị kẹt tại đó..
- Vì lý do nêu trên, hệ thống cần có thêm một tiến trình điều khiển có tốc độ đủ nhanh để đưa điện áp làm việc của hệ quang điện về đúng điện áp tham chiếu cho ra bởi tiến trình MPPT.
- Trong bài báo này, mô hình điều khiển trích xuất công suất khả dụng tối đa của hệ quang điện bao gồm một bộ điều khiển PI kết hợp với giải thuật Inc.
- Trong đó, Vpv, Ipv, Ppv lần lượt là điện áp, dòng điện và công suất của hệ quang điện và D là tín hiệu điều khiển (độ rộng xung) cho bộ boost.
- Trong mô hình nêu trên, Vpv,ref là tín hiệu điện áp MPP tham chiếu được dò bởi giải thuật MPPT..
- khiển PI và tín hiệu điện áp đọc về từ hệ quang điện là đầu vào không đảo (tín hiệu hồi tiếp) của bộ PI, sở dĩ điểm đặt và tín hiệu hồi tiếp hoán đổi vị trí cho nhau so với một hệ điều khiển thông thường là vì khi độ rộng xung của mạch càng tăng thì điện áp đầu ra càng giảm, và ngược lại.
- Để điều khiển điện áp trên hệ quang điện một cách hiệu quả, băng thông của khâu bù PI cần thỏa mãn các yêu cầu sau: cao hơn băng thông của bộ dò MPPT ít nhất 30 lần và đủ nhanh để đáp ứng với đặc tính nạp xả của các linh kiện tích trữ năng lượng trong mạch boost..
- MPPT là khi hệ thống DC-DC kiểu boost làm việc ở miền điện áp cao hơn điện áp hở mạch của hệ quang điện, giải thuật có thể ngưng dò điểm công suất (bị treo).
- Nguyên nhân là khi ở vùng này, độ dời điện áp, độ dời dòng điện và độ dời công suất đều bằng 0, lúc này động rộng xung đầu ra của khâu bù PI hiển nhiên bằng 0.
- Vì vậy, triển khai vào hệ khả trình, điện áp hở mạch của hệ quang điện cần được nhận dạng trước khi giải thuật bắt đầu dò điểm MPP..
- Trong đó, tải đầu ra của bộ boost là bóng đèn sợi đốt có độ thay đổi điện trở không đáng kể so với độ thay đổi điện áp nguồn, có thể xem như điện trở thuần..
- Từ các đặc tính của tấm pin quang điện trong Hình 7, có thể ước lượng điện áp, dòng điện và công suất của hệ quang điện qua các phương trình từ (3) đến (7).
- Tổ hợp tải bóng đèn sợi đốt được đấu nối để tiêu thụ công suất tương đương 1115 W tại 340 V, đảm bảo có thể chịu đựng được công suất khả dụng tối đa của hệ quang điện..
- Đặc tính kỹ thuật của tấm pin quang điện.
- Hệ thống quang điện được triển khai 2.3.2.
- khiển điện áp PI.
- Giải thuật MPPT và bộ điều khiển điện áp PI được triển khai trong hệ điều khiển kỹ thuật số khả trình, sử dụng vi điều khiển STM32F103C8.
- MPPT được chọn bằng 281,25 s -1 và của tiến trình điều khiển điện áp tấm pin được chọn bằng 36.000 s -1.
- Lưu đồ còn lại là của tiến trình dò tìm điện áp tại MPP, trong đó, tiến trình con TÍNH TOÁN INC.
- Độ ổn định công suất và điện áp của hệ pin.
- Tại giây thứ 180, hệ thống bắt đầu hoạt động, điện áp tham chiếu được cài trước bằng 98% điện áp hở mạch của hệ quang điện, bộ dò MPPT và bộ điều khiển PI được cho phép hoạt động, mạch boost bắt đầu bám theo điểm công suất cực đại của hệ quang điện.
- Công suất trích xuất xác lập sau thời gian 1,5 giây.
- Từ điểm này đến 200 giây, điện áp hoạt động của hệ quang điện được ổn định tại điểm xấp xỉ 110,3 V.
- công suất đầu ra của hệ quang điện được ổn định tại điểm xấp xỉ 300 W..
- Công suất trích xuất xác lập sau thời gian 4 giây.
- công suất đầu ra của hệ quang điện được ổn định tại điểm xấp xỉ 248 W..
- Điều này chứng tỏ giải thuật MPPT hoạt động ổn định nhiễu và điện áp đầu ra của hệ quang điện được khống chế tại MPP..
- Đáp ứng của khâu bù điện áp PI Đáp ứng của khâu bù điện áp PI tại các điểm làm việc 300 W và 248 W lần lượt được minh họa trong Hình 14 và Hình 15.
- Độ ổn định điện áp và công suất tại 300 W.
- Độ ổn định điện áp và công suất tại 248 W 4.
- Bài báo đã đề xuất, phân tích và triển khai thành một mô hình dò tìm điểm công suất cực đại dựa trên giải thuật Inc.
- Cond MPPT và bộ chuyển đổi điện áp DC-DC kiểu boost xen kẽ, sử dụng vi điều khiển STM32F103C8.
- Mô hình hoạt động ổn định trong dải công suất dưới 300 W.
- Trong hai trường hợp công suất bức xạ bằng 300 W và 250 W, độ bám của giải thuật Inc.
- Đặc biệt, đặc tính bám điểm đặt của khâu bù điện áp có thể được đánh giá là rất tốt..
- Trong kịch bản này, bộ chuyển đổi DC- DC với giải thuật MPPT sẽ có vai trò trích xuất nguồn năng lượng tối đa từ các tấm pin mặt trời và bộ inverter với giải thuật cân bằng công suất vào/ra sẽ có vai trò điều chế dòng điện AC làm quay động cơ kéo cánh quạt với công suất tối đa được trích xuất từ các tấm pin..
- Đáp ứng của bộ điều khiển điện áp tại 300 W.
- Đáp ứng của bộ điều khiển điện áp tại 248 W Trong tương lai, hướng mở rộng chủ yếu của mô.
- Hệ thống tích trữ năng lượng: có thể được triển khai dễ dàng dựa trên mô hình này, mô hình tích trữ này chỉ đòi hỏi thêm các tiến trình bảo vệ và khống chế công suất tối đa nạp vào thiết bị lưu trữ..
- Hệ thống chuyển đổi năng lượng cho phụ tải có khả năng thay đổi: đòi hỏi phải có tiến trình cân bằng công suất vào ra của hệ thống (công suất làm.
- việc tối đa của hệ pin và công suất tác dụng của tải) và tiến trình khống chế công suất..
- Tìm điểm công suất cực đại của pin mặt trời (Luận văn cao học)..
- So sánh các thuật toán bắt điểm công suất cực đại bằng phương pháp mô phỏng và thực nghiệm