MPPT tìm công suất cực đại, không phải điện áp cao nhất của pin mặt trời

MPPT là quá trình điều chỉnh điểm làm việc điện của nguồn quang điện để tìm nơi tích điện áp và dòng điện đạt giá trị lớn nhất. Nó không đơn thuần chọn điện áp cao nhất, cũng không phải cơ cấu xoay tấm pin theo Mặt Trời. Hai việc ấy có thể liên quan đến cùng một hệ thống nhưng giải quyết những bài toán khác nhau.

Khái niệm này giúp giải thích vì sao đo được điện áp trên tấm pin chưa đủ để biết hệ thống đang lấy ra bao nhiêu điện. Muốn đánh giá công suất, phải xét cả dòng điện tại chính điều kiện vận hành đó.

Điện áp cao chưa đồng nghĩa công suất lớn

Theo tài liệu MPPT của Microchip, điểm công suất cực đại phụ thuộc ánh sáng, nhiệt độ và điều kiện chiếu sáng lên nguồn quang điện. Khi những điều kiện này thay đổi, điểm tối ưu cũng dịch chuyển.

Về nguyên lý, công suất điện bằng điện áp nhân dòng điện. Ở trạng thái hở mạch, dòng ra bằng không nên điện áp hở mạch không phải điểm khai thác công suất. Ở đầu còn lại, tăng dòng cũng không có ích nếu điện áp đã sụt quá thấp. Điểm cần tìm nằm trên đặc tuyến kết hợp của hai đại lượng.

Sơ đồ minh họa trong bài thể hiện dòng điện bằng đường đỏ và công suất bằng đường xanh theo điện áp U. Đỉnh đường xanh mới là đại lượng MPPT quan tâm. Đây là sơ đồ nguyên lý, không phải đường đo của một mẫu pin thương mại.

Bộ biến đổi làm tấm pin vận hành ở điểm khác

MPPT không sửa đổi lượng ánh sáng đến tấm pin. Nó tác động vào cách mạch điện nhận năng lượng từ nguồn. Trong giải thích của Texas Instruments về nguồn năng lượng mặt trời, điện áp đầu vào biến thiên và đặc tính nguồn có trở kháng cao là những điều phải tính đến khi chọn bộ biến đổi.

Bởi vậy, không thể tách thuật toán khỏi phần cứng. Dải điện áp mà mạch chịu được và cách mạch chuyển đổi năng lượng quyết định những điểm làm việc có thể đạt tới. Nhìn thấy chữ MPPT trên một thiết bị chưa đủ để biết nó phù hợp với mọi cấu hình pin và tải.

Thiết kế tham chiếu TIDA-01556 của TI cho thấy một cách triển khai dùng bộ sạc có phép đo điện áp, dòng điện và điều chỉnh giới hạn điện áp đầu vào qua giao tiếp số. Đó là ví dụ ở quy mô bộ sạc cụ thể, không phải bằng chứng rằng một cấu hình duy nhất dùng được cho toàn bộ hệ điện mặt trời.

Thử một bước nhỏ rồi đo lại

Một thuật toán phổ biến là perturb and observe, thường viết P&O. Trong ví dụ của Microchip, bộ điều khiển thay đổi nhỏ điểm làm việc, chờ hệ ổn định rồi so sánh công suất. Nếu biến đổi có lợi, nó tiếp tục hướng đó; nếu bất lợi, nó đổi hướng.

Cơ chế này dựa vào phản hồi đo được, thay vì luôn biết sẵn một điện áp lý tưởng. Suy ra, câu hỏi cần đặt ra khi so sánh thiết bị là nó đo gì và phản ứng ra sao khi điều kiện nguồn thay đổi. Không có cơ sở để từ tên thuật toán suy ra một tỷ lệ tăng sản lượng cố định cho mọi mái nhà.

Bóng che có thể tạo nhiều đỉnh công suất

Mô hình inverter quang điện của Plexim minh họa trường hợp các phần của chuỗi nhận mức chiếu sáng khác nhau. Kết hợp với diode bypass, điều này có thể tạo nhiều cực đại trên đặc tuyến công suất.

Một phép tìm kiếm cục bộ có thể dừng ở một đỉnh chưa phải cao nhất toàn bộ đường đặc tuyến. Ví dụ mô phỏng của Plexim dùng thêm bước quét điện áp để tìm cực đại toàn cục. Đây là minh họa thuật toán trong mô phỏng, không phải phép đo chứng minh mức tăng điện năng của một inverter bán trên thị trường.

Điểm thực tế là cách xử lý bóng che cần được xem như một năng lực riêng. Có MPPT không tự động đồng nghĩa mọi tình huống che bóng đều được giải quyết tối ưu.

Tìm công suất và bảo vệ hệ thống cùng tồn tại

Trong thiết kế bộ sạc, việc lấy năng lượng còn chịu ràng buộc của tải và trạng thái pin. Tài liệu Microchip cũng mô tả cơ chế phân xử để chế độ sạc và giới hạn an toàn vẫn được tuân thủ. Do đó, không nên coi mọi thời điểm công suất thấp hơn đỉnh lý thuyết là lỗi thuật toán.

MPPT hữu ích khi được hiểu là một vòng điều khiển có phép đo, phần cứng và giới hạn vận hành rõ ràng. Để đánh giá một hệ cụ thể, cần dữ liệu trong điều kiện sử dụng tương ứng; một con số quảng cáo về hiệu quả bám điểm không thay thế được sản lượng điện thực tế.

Nguồn và sơ đồ

Nguồn: Microchip MPPT và P&O; TI TIDA-01556; TI về nguồn quang điện; Plexim.

Sơ đồ: Stündle/Wikimedia Commons, tác giả phát hành vào phạm vi công cộng; dùng đầy đủ sơ đồ, không cắt. MPP là điểm công suất cực đại, I là dòng điện, P là công suất, U là điện áp.