Quét đa đỉnh MPPT (Multi-peak MPPT scanning) là gì?

Bám điểm công suất cực đại (MPPT) là gì

Bám điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking, MPPT) là quá trình lấy được công suất lớn nhất có thể từ hệ pin năng lượng mặt trời (PV), đồng thời bám chính xác điểm công suất cực đại toàn cục.[3] Điểm công suất cực đại (maximum power point, MPP) là điểm làm việc tại đó dàn pin cho công suất lớn nhất.[1]

Điểm làm việc của dàn pin do biến tần đặt, thông qua bộ biến đổi điều chỉnh điện áp đầu ra của dàn.[1] Khi bức xạ đồng đều giữa các tấm, dàn chỉ có một điểm làm việc cho công suất cực đại.[1]

Đỉnh toàn cục (GMPP) và đỉnh cục bộ (LMPP)

Điểm công suất cực đại toàn cục (global maximum power point, GMPP) là đỉnh cao nhất trong các đỉnh của đường công suất khi dàn bị che một phần.[1] Điểm cực đại cục bộ (local maximum power point, LMPP) là đỉnh cao hơn các điểm lân cận nhưng thấp hơn GMPP.[3] Khi che một phần, đường cong công suất gồm nhiều LMPP và chỉ một GMPP.[3]

Có thể hình dung đường công suất của dàn bị che như một dãy đồi: các LMPP là những đỉnh đồi thấp, GMPP là đỉnh cao nhất của cả dãy. Quét đa đỉnh MPPT đi qua cả dãy để biết đỉnh nào cao nhất, còn cách bám thông thường dừng ở đỉnh đầu tiên gặp được.[1][4]

Multi-peak MPPT là gì và các tên gọi khác

Multi-peak MPPT scanning là tên tính năng in trong tài liệu biến tần của một số hãng.[5][8] Trong tài liệu khoa học, nhóm phương pháp tìm GMPP được gọi là bám điểm công suất cực đại toàn cục (global MPPT, GMPPT).[4] Cách dò hết đường cong được gọi là phương pháp quét toàn dải (full scanning method).[9] Các hãng biến tần khác đặt nhãn riêng như global MPPT scan hoặc shadow scan, nghĩa là quét bóng che.[7][6]

Vai trò của quét đa đỉnh MPPT trong hệ điện mặt trời

Việc tìm GMPP là không thể thiếu để dàn pin bị che một phần cho sản lượng điện lớn nhất.[1] Trong vận hành thực, tổn thất do MPPT hội tụ về một đỉnh cục bộ thay vì đỉnh toàn cục có thể tới 70%.[1] Cách quét định kỳ đường cong công suất được dùng phổ biến trong các thiết bị biến đổi công suất PV thương mại.[1]

Đường cong P-V của dàn pin

Đường cong P-V (power-voltage characteristic) là đồ thị biểu diễn công suất (P) của dàn pin theo điện áp (V) làm việc.[1] Mỗi điểm trên đường cong ứng với một mức điện áp biến tần đặt cho dàn và công suất dàn phát ra ở mức đó.[1] Khi mọi tấm nhận cùng bức xạ 1.000 W/m², đường cong P-V chỉ có một đỉnh.[3]

Đặc tính dòng điện theo điện áp (I-V) của dàn cũng có nhiều đỉnh khi diode bypass hoạt động.[3] Cách đo đặc tính này thuộc bài Quét đường cong I-V trong cùng loạt thuật ngữ.

Che khuất một phần (partial shading)

Che khuất một phần (partial shading) là trạng thái một hoặc vài tấm trong dàn bị che, nên nhận ít ánh sáng hơn các tấm còn lại.[1] Nguyên nhân thường gặp gồm bụi, bóng của nhà xung quanh, cây hoặc cột.[1]

Trong một cấu hình thí nghiệm, bóng che có thể làm giảm công suất hơn 30 lần so với kích thước vật lý của nó.[10] Cũng trong thí nghiệm đó, che nửa một tế bào làm mất toàn bộ công suất của nhóm 18 tế bào cùng diode bypass.[10]

Diode bypass (bypass diode) làm gì trong tấm pin

Diode bypass (bypass diode) là diode mắc song song, ngược cực với một nhóm tế bào pin, để dòng điện đi vòng qua nhóm đó khi nhóm bị che.[11] Hộp đấu dây của tấm pin thường có ba diode bypass, tức tấm được chia thành ba nhóm tế bào.[4]

Nhóm tế bào bị che tạo ít dòng hơn các nhóm khác, nên bị đẩy vào trạng thái phân cực ngược.[11] Lúc đó diode dẫn điện và giữ điện áp ngược của nhóm ở khoảng một lần sụt áp diode.[11] Nhờ vậy, tế bào bị che tránh được hiện tượng nóng cục bộ (hot-spot heating).[11]

Khi diode dẫn, điện áp của tấm giảm một lượng bằng tổng điện áp các tế bào diode đó bảo vệ, cộng sụt áp thuận của diode.[10]

Từ một đỉnh thành nhiều đỉnh: hình dung bằng số

Chuỗi PV (PV string) là nhóm tấm pin nối tiếp nhau thành một mạch, đưa vào một đầu vào bám điểm công suất của biến tần.[10] Với các tế bào nối tiếp, dòng điện của cả dãy bằng dòng của tế bào yếu nhất.[12] Dòng ngắn mạch của tế bào tỷ lệ tuyến tính với cường độ ánh sáng.[13]

Hình dung một chuỗi 10 tấm giống nhau, mỗi tấm khoảng 33,6 V và 15 A tại điểm công suất cực đại.[14] Giả sử một nhóm tế bào của tấm số 1 chỉ nhận nửa ánh sáng. Theo quan hệ tuyến tính ở trên, nhóm này chỉ tạo khoảng 7,5 A (giả định minh họa). Chuỗi khi đó có hai cách làm việc.

1. Diode bypass chưa dẫn: cả chuỗi chạy theo dòng của nhóm yếu, khoảng 7,5 A ở 336 V, tức khoảng 2,5 kW (số tự tính).
2. Diode bypass của nhóm bị che dẫn: chuỗi chạy lại khoảng 15 A, mất khoảng 11 V của nhóm đó, còn khoảng 325 V và 4,9 kW (số tự tính).

Hai cách làm việc này là hai đỉnh trên đường cong P-V của chuỗi: đỉnh 2,5 kW ở điện áp cao và đỉnh 4,9 kW ở điện áp thấp hơn (số tự tính). Đỉnh 4,9 kW là GMPP, đỉnh 2,5 kW là LMPP. Dòng ngắn mạch được giải thích ở bài dòng ngắn mạch Isc.

Số đỉnh và vị trí các đỉnh

Với một tấm pin, số đỉnh tối đa bằng số diode bypass trong tấm.[4] Các vùng đỉnh nằm gần 80% điện áp hở mạch (Voc) của từng nhóm tế bào.[4] Ở cấp chuỗi, các vùng đỉnh nằm gần bội số của 0,8 lần Voc của một tấm.[9] Điện áp hở mạch được giải thích ở bài điện áp hở mạch Voc.

Một chuỗi 4 tấm nhận 400, 400, 600 và 1.000 W/m² cho đường cong P-V có ba đỉnh.[9] Vị trí và độ cao của các đỉnh phụ thuộc diện tích, hình dạng bóng che và cách nối các tấm.[1] Hình dạng bóng che thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, nên vị trí GMPP cũng thay đổi theo.[1]

Thuật toán leo dốc và P&O tìm đỉnh thế nào

Thuật toán leo dốc (hill climbing) là thuật toán MPPT thông thường, cùng nhóm với thuật toán nhiễu loạn và quan sát (perturb and observe, P&O).[3] Thuật toán leo dốc dừng bám khi gặp điểm công suất cực đại đầu tiên, nên có thể không tìm được GMPP.[4] Cách P&O thay đổi điện áp từng bước để dò công suất được giải thích ở bài MPPT.

Có thể hình dung thuật toán leo dốc như người leo núi trong sương mù, chỉ thấy dốc dưới chân nên dừng ở đỉnh đồi đầu tiên. Trên dàn nắng đều, đỉnh đầu tiên cũng là đỉnh duy nhất.[1] Trên dàn bị che một phần, đỉnh đầu tiên có thể chỉ là một LMPP.[3]

Điểm xuất phát quyết định đỉnh được chọn

Chọn sai điểm dò ban đầu có thể đưa bộ bám tới đỉnh cục bộ thay vì đỉnh toàn cục.[9] Với một số kiểu bóng che, thuật toán P&O bị kẹt ở các LMPP.[9] Trong hình dung ở mục 2, bộ bám dò từ phía điện áp cao gặp đỉnh 2,5 kW trước đỉnh 4,9 kW (số tự tính).

Năng lượng mất khi đứng ở đỉnh cục bộ

Khi che một phần, các kỹ thuật MPPT thông thường không bảo đảm bám được GMPP.[1] Biến tần làm việc lâu ở đỉnh cục bộ bỏ phí phần năng lượng có sẵn ở đỉnh toàn cục.[2] Trong hình dung ở mục 2, phần bỏ phí là khoảng 2,4 kW, gần một nửa công suất của chuỗi (số tự tính).

Sự khác biệt giữa MPPT truyền thống (single-peak) và multi-peak MPPT

MPPT truyền thống và quét đa đỉnh MPPT dễ bị nhầm vì cả hai đều nằm trong khối MPPT của biến tần.

Quét định kỳ (periodic scanning)

Quét định kỳ (periodic scanning) là việc chạy lại quy trình dò toàn cục sau mỗi khoảng thời gian, ví dụ mỗi 1 đến 15 phút.[1] Chu kỳ quét (scan interval) là khoảng thời gian giữa hai lần quét toàn cục liên tiếp.[1] Tài liệu biến tần cho người dùng đặt chu kỳ quét trong phần cài đặt.[5][15]

Quét toàn dải điện áp

Ở bước quét, bộ biến đổi đưa dàn đi qua dải điện áp làm việc và ghi công suất tương ứng.[1] Phương pháp quét toàn dải tìm GMPP chính xác, đổi lại thời gian hội tụ đáng kể.[9] Quét toàn bộ đường cong P-V làm thời gian hội tụ tăng và giảm chất lượng MPPT.[4]

So sánh dữ liệu công suất

Bước so sánh dựa trên một quy tắc đơn giản: công suất còn tăng nghĩa là chưa tới GMPP, công suất hết tăng nghĩa là bước trước là GMPP.[1] Phương pháp 0,8 Voc trong nghiên cứu chỉ đo và so công suất tại các vùng gần 0,8 Voc thay vì quét mọi điểm.[9] Cách so sánh này vẫn mất nhiều thời gian với chuỗi dài.[9]

Chốt điểm tối ưu

Bước chốt dùng tỷ số đóng cắt của bộ biến đổi DC/DC để đưa điện áp dàn về đúng GMPP.[1] Trong hình dung ở mục 2, bước chốt đưa chuỗi về khoảng 325 V, nơi chuỗi cho khoảng 4,9 kW (số tự tính).

Cách tìm đỉnh nhanh hơn trong nghiên cứu (scanning-based MPPT)

Một thuật toán dựa trên đặc tính PV tìm GMPP trong khoảng 250 ms trong thí nghiệm.[4] Phương pháp quét thích nghi được so sánh cần khoảng một giây, chậm hơn khoảng 5 lần.[4]

Quy trình dò toàn cục ở đầu mục tốn ít thời gian hơn phương pháp quét đường cong P-V.[1] Một đề xuất khác chỉ chạy tìm kiếm toàn cục khi một diode bypass bắt đầu dẫn, thay cho quét toàn đường cong theo chu kỳ.[2]

Thời gian một lần quét

Một lần quét toàn cục trên biến tần mất dưới 1 phút cho một đầu vào PV, tùy model và điều kiện làm việc.[7] Một số biến tần nhiều MPPT quét lần lượt từng đầu vào thay vì quét mọi đầu vào cùng lúc.[7] Khi quét lần lượt, tổng thời gian một vòng quét bằng số MPPT nhân với khoảng cách quét giữa hai MPPT.[6] Trong ví dụ của một hãng, biến tần 3 MPPT cách nhau 30 phút có vòng quét 90 phút.[6]

Mức hao khi dàn không bị che

Ở dàn không bị che, đường cong P-V chỉ có một đỉnh.[3] Một thử nghiệm biến tần cho thấy quét đường cong P-V 15 phút một lần làm dàn không bị che mất tối đa dưới 0,06% năng lượng.[1]

Chu kỳ quét ngắn và chu kỳ quét dài

Chu kỳ quét quyết định số lần quét mỗi giờ: chu kỳ 15 phút cho 4 lần quét, chu kỳ 60 phút cho 1 lần (số tự tính). Chu kỳ quét trong nghiên cứu được lấy ví dụ trong khoảng 1 đến 15 phút.[1] Vị trí GMPP phụ thuộc hình dạng bóng che, vốn thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian.[1]

Giá trị chu kỳ quét trong tài liệu biến tần

Bảng dưới chép chu kỳ quét và trạng thái khi xuất xưởng đúng như năm tài liệu biến tần in. Ô "không in" nghĩa là tài liệu đó không ghi giá trị.

Bốn trong năm tài liệu để chức năng ở trạng thái tắt khi xuất xưởng.[16][6] Tài liệu kỹ thuật của một số hãng hướng dẫn chỉ bật chức năng khi dàn bị che.[16][5]

Bóng che cố định trên một phần chuỗi

Bóng che cố định từ cửa mái, ống khói và cây là trường hợp chức năng quét toàn cục được phát triển để xử lý.[17] Bóng của nhà xung quanh, cột và bụi cũng gây che khuất một phần.[1] Các bóng này tạo đường cong P-V nhiều LMPP và một GMPP, đúng kiểu đường cong quét đa đỉnh MPPT nhắm tới.[3]

Dàn đồng đều, mây trôi và bóng che thoáng qua

Khi bức xạ đồng đều giữa các tấm, đặc tính P-V chỉ có một điểm làm việc cho công suất cực đại.[1] Quét toàn cục không giúp tối ưu bóng che thoáng qua như mây trôi chậm.[7]

Dàn pin quá cỡ so với biến tần

Khi dàn pin quá cỡ so với biến tần, lần quét dừng tại điểm công suất bị giới hạn.[7] Tỷ lệ công suất dàn pin trên công suất biến tần được giải thích ở bài công suất PV.

Hệ dùng bộ tối ưu công suất

Bám điểm công suất cực đại phân tán (distributed MPPT, DMPPT) là cách bám điểm công suất riêng cho từng tấm, ví dụ bằng bộ tối ưu công suất.[18] DMPPT chỉ lấy lại được phần tổn thất do lệch giữa các tấm (mismatch).[18] Các nghiên cứu ghi bộ tối ưu và biến tần vi mô lấy lại 30% đến 40% công suất mất do che một phần.[18]

Quét đa đỉnh MPPT nằm trong biến tần chuỗi và làm việc trên cả chuỗi, còn DMPPT làm việc ở cấp từng tấm.[10][18] Cách bộ tối ưu làm việc được giải thích ở bài bộ tối ưu công suất.

Trích datasheet của một biến tần hai MPPT

Datasheet của biến tần dùng trong ví dụ ở mục 8 ghi các thông số đầu vào DC sau.[19]

• Điện áp đầu vào tối đa: 600 V.
• Dải điện áp MPPT: 40 V đến 560 V.
• Điện áp khởi động: 50 V.
• Dòng đầu vào tối đa mỗi MPPT: 16 A.
• Dòng ngắn mạch tối đa mỗi MPPT: 23 A.
• Số MPPT: 2, số chuỗi mỗi MPPT: 1.

Datasheet này không có dòng nào về quét đa đỉnh hay quét bóng che.[19] Ý nghĩa của các dòng trên được giải thích ở bài điện áp DC đầu vào tối đa và bài điện áp khởi động.

Tìm chức năng trong hướng dẫn sử dụng

Hướng dẫn sử dụng cùng dòng máy có tham số Pv1ShadowMPPT và PV2ShadowMPPT cho hai đầu vào PV.[15] Hướng dẫn ghi bật chức năng quét bóng che khi tấm pin bị che, và đặt thời gian quét bằng tham số PvTimeInterval theo nhu cầu thực tế.[15]

Cách bật quét đa đỉnh MPPT trên biến tần

Các tài liệu ở bảng mục 5 ghi đường dẫn cài đặt theo cùng một trình tự gồm bốn bước.

1. Vào menu cài đặt nâng cao trên màn hình biến tần hoặc trong ứng dụng giám sát.[8][7]
2. Nhập mật khẩu cấp cài đặt khi biến tần yêu cầu.[7][15]
3. Chọn chức năng quét theo tên của hãng và bật cho từng đầu vào PV cần quét.[7][15]
4. Đặt chu kỳ quét trong dải tài liệu cho phép.[5][6]

Chức năng không có trên mọi dòng máy. Một hãng ghi dòng biến tần ET 5 đến 10 kW của mình chưa có chức năng quét bóng che.[6] Một số hãng đưa danh sách model áp dụng vào tài liệu riêng về chức năng.[8]

Bước 1: đọc thông số và kiểm chuỗi khi chưa có bóng che

Tấm CS6.2-54TM-505 có Pmax 505 W, Vmp 33,6 V, Imp 15,04 A, Voc 39,8 V và Isc 16,05 A ở điều kiện STC.[14] Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (standard test conditions, STC) là điều kiện đo thông số tấm pin với bức xạ 1.000 W/m² và nhiệt độ 25 °C.[20] Hộp đấu dây của tấm có 3 diode bypass.[14]

1. Điện áp chuỗi tại điểm công suất cực đại: 10 × 33,6 V = 336 V (số tự tính).
2. Điện áp hở mạch chuỗi ở STC: 10 × 39,8 V = 398 V, thấp hơn 600 V (số tự tính).
3. Công suất chuỗi: 10 × 505 W = 5.050 W, tức khoảng 5,05 kW (số tự tính).
4. Điện áp 336 V nằm trong dải MPPT 40 V đến 560 V, Imp 15,04 A thấp hơn 16 A, Isc 16,05 A thấp hơn 23 A.[19]
5. Chuỗi có 30 nhóm tế bào, mỗi nhóm khoảng 33,6 / 3 = 11,2 V tại Vmp (số tự tính).

Bước 2: giả định bóng che và mô hình đơn giản hóa

Ví dụ giả định một nhóm tế bào của tấm số 1 chỉ nhận 50% bức xạ, các nhóm còn lại nhận đủ bức xạ STC. Dòng của nhóm bị che được giả định giảm theo tỷ lệ bức xạ, dựa trên quan hệ tuyến tính giữa dòng ngắn mạch và cường độ sáng.[13] Mô hình dùng quy tắc dòng tổng của các tế bào nối tiếp bằng dòng thấp nhất.[12] Mô hình bỏ qua sụt áp của diode bypass và thay đổi nhỏ của điện áp theo bức xạ.

Bước 3: tính hai đỉnh của đường cong P-V

1. Đỉnh thứ nhất, diode bypass chưa dẫn: dòng chuỗi 15,04 × 0,5 = 7,52 A, điện áp 336 V, công suất khoảng 2,53 kW (số tự tính).
2. Đỉnh thứ hai, diode bypass của nhóm bị che dẫn: dòng chuỗi trở lại 15,04 A.[11]
3. Điện áp chuỗi ở đỉnh thứ hai: 336 − 11,2 = 324,8 V, công suất khoảng 4,88 kW (số tự tính).
4. Đỉnh thứ hai bằng khoảng 96,7% công suất khi không che và là GMPP (số tự tính).

Bước 4: so lợi ích với năng lượng hao khi quét

1. Chênh giữa hai đỉnh: 4,88 kW trừ 2,53 kW, khoảng 2,36 kW (số tự tính).
2. Chức năng Smart Shadow Scan của dòng máy này có chu kỳ mặc định 60 phút.[6]
3. Mỗi lần quét kéo dài khoảng 35 giây và hao khoảng 8 Wh trong thử nghiệm của hãng.[21]
4. Nếu bóng che giữ nguyên một giờ, lần quét lấy lại khoảng 2,36 kWh và hao 8 Wh, tức khoảng 0,34% (số tự tính).

Trong thử nghiệm đó, biến tần chạy ở 300 V, 4.300 W, lưới 220 V 50 Hz trong 142 phút.[21] Sản lượng khi bật quét là 9.785,57 Wh, khi tắt quét là 9.802,30 Wh.[21] Phần chênh 16,73 Wh bằng khoảng 0,17% sản lượng của lần thử (số tự tính).

Bước 5: khi bóng che nhẹ hơn

Khi nhóm bị che nhận 97% bức xạ, đỉnh thứ nhất đạt 14,59 A × 336 V, khoảng 4,90 kW, cao hơn đỉnh thứ hai 4,88 kW (số tự tính). Ngưỡng đổi chỗ giữa hai đỉnh nằm quanh 96,7% bức xạ của nhóm bị che (số tự tính).

Quét đa đỉnh MPPT tìm đúng đỉnh trong cả hai trường hợp, vì chức năng so mọi đỉnh trên đường cong.[1]

Tiêu chuẩn đo hiệu suất MPPT chưa xét quét đa đỉnh

IEC 62891:2020 và EN 50530 là hai tiêu chuẩn đo hiệu suất MPPT tĩnh và động của biến tần nối lưới.[22][23] IEC 62891 ấn bản 1.0 phát hành ngày 15/07/2020, do ban kỹ thuật TC 82 biên soạn.[22] Phạm vi công bố của hai tiêu chuẩn không nhắc tới bóng che hay quét đa đỉnh MPPT.[22][23] Hiệu suất chuyển đổi của biến tần được giải thích ở bài hiệu suất tối đa.

Khảo sát bóng che trước khi thiết kế

Ở hệ điện mặt trời hộ gia đình, che khuất một phần có thể làm mất 10% đến 20% sản lượng năm hoặc hơn.[18] Dữ liệu giám sát cấp tấm của 542 hệ thực cho tổn thất công suất trung bình 8,3% do che một phần.[18] Muốn dự báo tổn thất do bóng che, cần xác định vị trí diode bypass trong tấm pin.[10]

Bố trí chuỗi khi mái có bóng che

Tài liệu kỹ thuật của một hãng biến tần khuyên không ghép tấm không bị che chung một chuỗi với tấm bị che.[24] Cùng tài liệu ghi phần lớn trường hợp tránh được việc ghép đó bằng thiết kế hệ đúng.[24] Cách chia chuỗi theo đầu vào thuộc bài Số chuỗi PV trên mỗi MPPT và bài Số bộ MPPT trong cùng loạt thuật ngữ.

Kiểm tra trạng thái chức năng khi nghiệm thu

Bảng mục 5 cho thấy phần lớn tài liệu để chức năng tắt khi xuất xưởng. Một hướng dẫn khác của cùng hãng ở dòng thứ hai của bảng lại ghi chức năng bật sẵn mặc định.[25]