Nghiên cứu giải thuật lai po FUZZY xác định công suất ngõ ra cực đại hệ thống pin mặt trời

Nghiên cứu giải thuật lai po FUZZY xác định công suất ngõ ra cực đại hệ thống pin mặt trời Nghiên cứu giải thuật lai po FUZZY xác định công suất ngõ ra cực đại hệ thống pin mặt trời Nghiên cứu giải thuật lai po FUZZY xác định công suất ngõ ra cực đại hệ thống pin mặt trời

Đặt vấn đề

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về năng lượng quang điện (PV) đã gia tăng, khẳng định PV là nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn, sạch và vô tận Các ứng dụng công nghệ PV như hệ thống điện vệ tinh, trạm sạc pin năng lượng mặt trời và phương tiện mặt trời đã được phát triển Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của PV vẫn thấp hơn so với các nguồn năng lượng thay thế khác Năng lượng PV phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ, do đó, việc theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) hiện đang được sử dụng phổ biến nhờ tính đơn giản và dễ thực hiện.

Mặc dù có nhiều ưu điểm, công nghệ này vẫn gặp phải một số hạn chế như theo dõi không hiệu quả, thiếu tính thông minh và không đáp ứng tốt trong các điều kiện biến đổi nhanh chóng của bức xạ, do không duy trì được điểm điện tối đa thực (MPP).

Không thể xác định liệu sự tăng giá trị công suất đầu ra mới có phải là do lượng chiếu xạ mới hay do giá trị chu kỳ nhiệm vụ mới.

* Dao động liên tục xung quanh điểm vận hành tối ưu làm cho mức công suất trung bình bị lệch khỏi MPP đặc biệt là ở mức chiếu xạ thấp [12, 13]

* Nó đi qua lại xung quanh MPP và không thể chính xác [14]

* Phản ứng chậm thời gian [15]

Một nhược điểm đáng chú ý của thuật toán này là khả năng hoạt động kém trong môi trường có nhiễu Trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV), hệ số nhiễu cần được xem xét kỹ lưỡng không chỉ do tính không tuyến tính của nguồn PV mà còn từ các yếu tố như bộ điều khiển và sai số trong đo lường điện áp và dòng điện Nhiễu trong việc đo dòng điện có ảnh hưởng lớn đến khả năng xác định điểm công suất tối đa (MPP) trong thuật toán MPPT.

Tại điểm MPP, thuật toán HVTH: LÊ VIỆT TIẾN 2 thực hiện số bước nhảy lên và xuống bằng nhau để duy trì điểm hoạt động Tuy nhiên, sai số trong đo lường dòng áp có thể dẫn đến việc tính toán sai giá trị công suất PV, ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất bên phải điểm MPP.

Nhiễu trong đo dòng ảnh hưởng đến toàn bộ đường cong PV, gây ra tổn thất công suất Các giải thuật MPPT mới, bao gồm hệ thần kinh nhân tạo, logic mờ, mạng nơ ron và thuật toán di truyền, mang lại thời gian đáp ứng nhanh và ổn định hơn so với các giải thuật truyền thống như FLC Mặc dù FLC cải thiện hiệu suất và tỉ số công suất cực đại, nó vẫn gặp khó khăn trong việc xác định chính xác MPP do cần tính toán đầu vào và lỗi Các hạn chế này ảnh hưởng đến thời gian đáp ứng và độ chính xác của MPPT trong bộ điều khiển kỹ thuật số, đặc biệt khi không xem xét yếu tố nhiễu và chiếu xạ thấp Luận văn này trình bày cải tiến thuật toán MPPT nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống PV, giới thiệu sự kết hợp giữa P&O và FLC để tạo thành một thuật toán duy nhất, đơn giản và nhanh chóng, với khả năng đáp ứng tốt với nhiễu Thuật toán MPPT đề xuất được đánh giá và so sánh với thuật toán P&O trong các điều kiện chiếu sáng khác nhau.

HVTH: Lê Việt Tiến chỉ ra rằng ba suất của MPPT ở mức độ chiếu xạ thấp có thể tạo ra sự khác biệt đáng kể giữa hai thuật toán Tại Việt Nam, nhiều nghiên cứu về năng lượng mặt trời đã đề xuất phương pháp điều khiển mờ cấu trúc biến đổi để tối ưu hóa điểm công suất cực đại của pin mặt trời, cũng như thiết kế hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới.

Nghiên cứu về việc hòa năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối đã so sánh hai thuật toán INC và P&O trong việc điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời độc lập Đồng thời, cũng đã xem xét các tiêu chuẩn và phương pháp tối ưu công suất cho hệ thống điện mặt trời nối lưới, đặc biệt trong trường hợp lưới điện hạ thế 1 pha.

Hiện nay, có nhiều phương pháp khác nhau để dò tìm MPP của tấm pin PV, mỗi phương pháp đánh giá hiệu suất dựa trên các tiêu chí quan trọng Mặc dù việc đánh giá thành công của mỗi phương pháp qua một chỉ số hiệu suất tổng quát là khó khăn, nhưng sự thảo luận về sự phụ thuộc, hội tụ, điều kiện che bóng một phần và sự phức tạp của thuật toán đã trở nên cần thiết Với sự phát triển nhanh chóng của khả năng tính toán, nhu cầu về MPPT ngày càng tăng để tìm ra phương pháp tối ưu, dễ thi công và phù hợp với thực tế Hơn nữa, các thuật toán MPPT thích nghi rất hiệu quả trong việc xử lý các điều kiện môi trường bất lợi như che bóng từng phần và sự thay đổi nhanh chóng về chiếu xạ.

Hướng nghiên cứu của luận văn

Luận văn này trình bày một phương pháp kiểm soát mờ điểm theo dõi công suất tối đa (MPPT) cho hệ thống quang điện (PV) nhằm thúc đẩy chuyển đổi DC-DC Phương pháp P&O, được biết đến là một thuật toán MPPT đơn giản và phổ biến, kết hợp với logic mờ để cung cấp phản hồi nhanh chóng Kỹ thuật đề xuất này tận dụng cả hai ưu điểm, cải thiện hiệu suất MPPT ngay cả trong điều kiện có nhiễu Để đánh giá và so sánh, các thuật toán P&O và logic mờ đã được phát triển và mô phỏng trong MATLAB-Simulink, kết nối với hệ thống PV để tối ưu hóa quá trình chuyển đổi DC-DC Đánh giá hiệu suất bao gồm các chỉ tiêu như độ vượt qua, thời gian phản hồi và tỷ lệ công suất.

HVTH: LÊ VIỆT TIẾN 4 cho thấy dao động và độ ổn định vượt trội như được nêu trong luận văn Kết quả phân tích cho thấy, điều khiển P&O mờ mờ thích ứng MPPT đạt hiệu suất tốt nhất với phản hồi thời gian nhanh, ít vọt lố và ổn định khi hoạt động Thuật toán này có tỷ lệ công suất tối đa cao hơn so với hai thuật toán MPPT thông thường khác, đặc biệt trong điều kiện nhiễu và mức độ chiếu xạ thấp.

Mục tiêu của luận văn

Bài luận văn này phân tích định hướng nghiên cứu và các xu hướng chủ yếu liên quan đến năng lượng mặt trời hiện nay, từ đó đề ra các mục tiêu cụ thể nhằm thúc đẩy sự phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Đề xuất một giải thuật tối ưu hóa vận hành hệ thống năng lượng mặt trời nhằm thu nhận tối đa điện năng từ các tấm pin, thích ứng với các điều kiện bức xạ mặt trời khác nhau.

+ Xây dựng mô hình trên matlab điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời được xây dựng để kiểm chứng hiệu quả giải thuật được đề xuất.

Nhiệm vụ của luận văn

Qua việc phân tích các mục tiêu của luận văn, một số nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể cần đạt được đã được xác định.

+ Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV), phương trình toán học tương đương

Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại (MPPT) của pin năng lượng mặt trời tập trung vào các giải thuật điều khiển tiêu biểu, phân tích ưu nhược điểm của từng phương pháp Một trong những giải pháp hiệu quả là thuật toán P&O kết hợp với Fuzzy, giúp tối ưu hóa hiệu suất năng lượng Bên cạnh đó, việc tìm hiểu về bộ chuyển đổi công suất DC/DC cũng đóng vai trò quan trọng trong việc xác định điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời, đảm bảo hiệu quả chuyển đổi năng lượng tối ưu.

+ Lập giải thuật và mô phỏng mô hình MPPT đề xuất bằng phần mềm MATLAB

+ Đánh giá kết quả mô phỏng

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 5 b Giới hạn của đề tài

+ Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau:

Nghiên cứu bộ điều khiển MPPT được thực hiện thông qua mô hình hóa và mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink, tập trung vào việc tối ưu hóa hiệu suất mà không đề cập đến tính toán thiết kế các tấm pin mặt trời.

PV, không thiết kế thi công mô hình thực và chưa có kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác vào chung.

Phương pháp nghiên cứu

+ Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet)

+ Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu + Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink

+ Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng

+ Nghiên cứu lập trình điều khiển cho giải thuật được đề xuất.

Điểm mới của luận văn

Bài viết đề xuất một giải pháp tối ưu để khai thác năng lượng mặt trời hiệu quả cho các khu vực sâu, xa và những vùng có điều kiện địa lý khó khăn.

Việc tối ưu hóa khả năng khai thác nguồn điện năng từ mặt trời sẽ nâng cao hiệu quả sử dụng của các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập hiện nay.

Giá trị thực tiễn của luận văn

Luận văn này mang lại ý nghĩa thực tiễn quan trọng cho xã hội, giới thiệu một giải pháp điều khiển mới nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống năng lượng mặt trời độc lập Hệ thống pin được thiết kế tối ưu hóa hiệu suất mà không làm tăng chi phí đầu tư ban đầu.

Kết quả của luận văn có thể được áp dụng làm mô hình giảng dạy trong các môn học liên quan đến năng lượng tái tạo và năng lượng mới Mô hình này mang đến cho sinh viên và giáo viên một cách tiếp cận trực quan và thực tế hơn về năng lượng mặt trời.

HVTH: LÊ VIỆT TIẾN 6 cung cấp các mạch điện tử được thiết kế cho mô hình, có thể được áp dụng như công cụ mô phỏng trong lĩnh vực điện tử công suất.

Năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, là cơ sở cho các nguồn năng lượng khác như gió và sinh khối Mặc dù năng lượng mặt trời dồi dào và vô tận, việc khai thác nó đòi hỏi hiểu biết về các đặc trưng của nó khi đến bề mặt trái đất Mặt trời chủ yếu chứa khí Hydro (78,4%) và Heli (19,8%), trong khi các nguyên tố kim loại chỉ chiếm 1,8% Mỗi giây, mặt trời phát ra một lượng năng lượng khổng lồ lên tới 3,865 x 10^26 J Hiện nay, năng lượng mặt trời đang thu hút sự quan tâm và đầu tư, mặc dù giá cả nguồn điện mặt trời vẫn là một thách thức lớn Dù chỉ đáp ứng một phần nhỏ nhu cầu điện, nhiều người tin rằng kỷ nguyên năng lượng mặt trời đang bắt đầu và sẽ phát triển mạnh mẽ khi các quốc gia thực hiện các chiến dịch chống biến đổi khí hậu và giảm phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch.

Mặt trời phát ra một dải năng lượng rộng lớn, nhưng không phải tất cả các tia bức xạ đều có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện Chỉ những tia bức xạ có bước sóng tương ứng với năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron của từng loại chất bán dẫn mới có thể kích thích hiện tượng quang điện.

Phân tích phổ năng lượng mặt trời cho thấy rằng 20,2% năng lượng bị tổn hao do không đủ năng lượng để kích hoạt electron trong pin quang điện silicon Điều này liên quan đến mức năng lượng band gap, là năng lượng tối thiểu cần thiết để giải phóng electron khỏi trạng thái tĩnh của chúng.

HVTH: LÊ VIỆT TIẾN 8 cho thấy rằng 30,2% năng lượng bị mất ở các vùng năng lượng (h > Eg), trong khi chỉ có 49,6% năng lượng hữu ích có thể được thu thập bởi pin quang điện.

Hình 2.1 Phổ năng lượng mặt trời [ERDA/NASA-1997] Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt trời và pin quang điện:

Nhiệt mặt trời là năng lượng được tạo ra từ ánh sáng mặt trời, được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ Quá trình này tập trung ánh sáng để tạo ra nhiệt độ cao, làm bốc hơi nước Hơi nước sinh ra sẽ quay tuabin, từ đó sản xuất ra điện năng.

Pin quang điện được chế tạo từ các chất bán dẫn và tạo ra điện năng khi ánh sáng mặt trời chiếu đến Các tế bào quang điện hoạt động bằng cách nhận năng lượng mặt trời, tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn để tạo thành dòng điện Do đó, các tế bào quang điện sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn nhiên liệu Bài viết này sẽ trình bày về pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời và cách xây dựng mô hình tối ưu hóa công suất từ pin quang điện kết nối với lưới điện.

Pin quang điện (PV)

2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV

Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng

Kỹ thuật chế tạo pin năng lượng mặt trời (PV) tương tự như quy trình sản xuất các linh kiện bán dẫn như transistor và diode Nguyên liệu chính để sản xuất pin PV chủ yếu là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV, giống như các linh kiện bán dẫn thông thường khác.

Có thể nói PV là sự ngược lại của diode quang Diode quang nhận điện năng tạo thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng

Hình 2.2 Cấu tạo các lớp PV.

Phân tích dòng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đưa đến phương trình diode quen thuộc như sau:

Với: I0 là dòng điện ngược của diode q : điện tích electron = 1.602 x 10 -19 C k : hằng số Boltzman = 1.381 x 10 -23 J/K

2.2.2 Mạch tương đương của PV

Hình 2.3 Mạch tương đương của PV.

Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch I sc và điện áp hở mạch V oc

Điện áp hở mạch (Voc) của pin mặt trời (PV) là giá trị điện thế được đo khi không có tải bên ngoài, dưới điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn 1kW/m2 Hình 2.4 minh họa sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV, cho thấy cách đo Voc trong điều kiện chiếu sáng tối ưu.

Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện đo được trong mạch của pin năng lượng mặt trời (PV) khi mạch ngoài bị ngắt, với điện áp V bằng 0 Trong điều kiện tiêu chuẩn 25°C, công thức tương ứng cho dòng ngắn mạch Isc sẽ được áp dụng.

2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao

Cũng như diode, pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này là các thông số Rs và Rp

Hình 2.5 Sơ đồ mạch cell PV thực tế

Hình 2.6 Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rs Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua Rs:

Hình 2.7 Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng cả Rp và Rs:

Hình 2.8 Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp

Công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rs và Rp:

         (2.4) Để đơn giản hoá trong tính toán và áp dụng luật Kirchhoff trên hình 2.5, dòng điện nút được tính như sau:

Isc = I + Id +Ip (2.5) Áp dụng công thức (2.1) ở điều khiện chuẩn 25 o C, ta suy ra:

Như vậy, khi biết được thông số Vd dòng điện cung cấp cho tải được tính từ công thức (2.6) Và điện áp đặt lên tải tương ứng sẽ là:

Phần mô phỏng PV cell sẽ được căn cứ vào hai công thức (2.6) và (2.7) để thanh lập mô hình tương đương của PV

2.2.4 Cấu tạo và hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới

2.2.4.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)

Pin mặt trời DSC, hay còn gọi là pin Gratzel, là loại pin mới, giá rẻ và dễ chế tạo, được phát minh bởi Michael Gratzel tại trường Bách khoa Lausane, Thụy Sĩ vào năm 1991 Cấu trúc của pin DSC bao gồm ba phần chính: lớp dẫn điện trong suốt SnO2: F làm anốt, lớp oxyt titan TiO2 có diện tích bề mặt lớn được nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium-polypyridin, và lớp điện ly iôt được phủ trên mặt sau cùng với lớp điện cực kim loại, thường là platin Thiết kế này đảm bảo dung dịch bên trong không bị rò rỉ, tạo ra hiệu suất hấp thụ ánh sáng tốt cho quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời.

Hình 2.9 Pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Hình 2.10 Cấu tạo của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Pin DSC hoạt động bằng cách ánh sáng Mặt trời chiếu qua tấm kính và lớp điện cực trong suốt SnO2, kích thích chất màu nhạy quang trên bề mặt hạt TiO2 Photon làm cho electron trong chất màu nhạy quang bị bứt ra và di chuyển vào miền dẫn của TiO2, sau đó chạy về phía điện cực trong suốt Khi mất electron, phân tử chất màu nhạy quang sẽ nhận electron từ iôt trong dung dịch điện phân, biến anion iôt I- thành anion iôt ba I3- Các anion này sẽ lấy lại electron từ điện cực kim loại qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện thông qua cơ chế photon kích thích.

Hình 2.11 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời nhạy cảm chất màu DSC

Hiệu suất của loại pin này chỉ thấp hơn pin Mặt trời silic khoảng 11%, với hiệu suất đạt từ 12 đến 15% Tuy nhiên, loại pin này lại có những ưu điểm rõ rệt.

− Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm sơn trắng rất phổ biến

Kỹ thuật chế tạo pin mặt trời đơn giản và không yêu cầu máy móc cao cấp, đắt tiền như pin mặt trời silic Người dùng có thể dễ dàng sản xuất loại pin này theo phương pháp thủ công.

Công nghệ nano đã giúp cải tiến đáng kể quy trình sản xuất bột TiO2 với diện tích bề mặt lớn, nhưng loại pin này vẫn gặp phải nhược điểm do chứa chất lỏng, đòi hỏi biện pháp chống rò rỉ khi sử dụng lâu dài Tuổi thọ của pin này là 10 năm, chỉ bằng một nửa so với pin mặt trời silic.

Hiện nay, các cải tiến trong chất màu nhạy quang đã giúp hấp thụ ánh sáng từ nhiều bước sóng trong phổ ánh sáng Mặt trời, kích thích thoát điện tử và tạo ra dòng điện hiệu quả Khác với pin Mặt trời silic truyền thống, loại pin Mặt trời mới này vẫn duy trì hiệu suất cao ngay cả trong điều kiện nắng yếu và khi hoạt động trong môi trường ánh sáng trong nhà.

2.2.4.2 Pin mặt trời dạng keo nước (Lá nhân tạo)

Pin mặt trời dạng keo nước, hay còn gọi là Lá nhân tạo, là loại pin có khả năng uốn cong với thành phần chính là keo nước chứa các phân tử nhạy sáng Những phân tử này kết hợp với các điện cực phủ chất liệu cacbon, như ống nano cacbon hoặc than chì, để tạo ra điện năng khi được kích thích bởi ánh sáng mặt trời Cơ chế hoạt động của nó tương tự như quá trình tổng hợp đường trong thực vật Tuy nhiên, hiện tại, việc ứng dụng loại pin này vẫn chưa được công bố do hiệu suất hoạt động còn thấp.

Hình 2.12 Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo

Các yếu tố ảnh hưởng đến PV

Đặc tính của pin mặt trời (PV) bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ môi trường và hiện tượng bóng râm Cường độ chiếu sáng càng cao thì công suất thu được từ PV càng lớn, dẫn đến dòng điện ngắn mạch (Isc) tăng lên Tuy nhiên, nhiệt độ môi trường cao lại có thể làm giảm hiệu suất của pin mặt trời.

Biên độ dòng quang điện đạt tối đa trong điều kiện ánh sáng đầy đủ, nhưng sẽ suy giảm khi gặp ngày nắng không hoàn toàn do tỷ lệ cường độ chiếu sáng giảm Đặc tính I-V sẽ dịch chuyển xuống khi cường độ chiếu sáng thấp hơn, dẫn đến việc dòng ngắn mạch giảm đáng kể trong những ngày có mây, trong khi điện áp hở mạch chỉ giảm một phần nhỏ.

Hiệu suất chuyển đổi quang điện của tế bào quang điện rất nhạy với bức xạ mặt trời trong tầm làm việc thực tế

Dòng ngõ ra của tế bào quang điện được xác định bởi công thức I = I0 cos θ, trong đó I0 là dòng điện trong điều kiện ánh sáng mặt trời bình thường và θ là góc chiếu sáng Luật cosin cho thấy rằng góc chiếu sáng có thể dao động từ 0° đến 50° Tuy nhiên, khi góc chiếu sáng vượt quá 50°, ngõ ra điện sẽ lệch đáng kể khỏi luật cosin, dẫn đến hiệu suất hoạt động của tế bào quang điện giảm sút.

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 17 phát ra công suất ngoài 85, mặc dù luật cosin toán cho biết sẽ phát ra 7.5 phần trăm công suất

Hệ thống pin quang điện có thể bao gồm nhiều dãy pin được nối tiếp và mắc song song Trong trường hợp một tế bào trong dãy bị che phủ hoàn toàn, nó sẽ mất điện áp quang điện nhưng vẫn duy trì dòng điện của toàn bộ dãy do cấu trúc nối tiếp Điều này dẫn đến việc không có điện áp sinh ra, khiến cho hệ thống hoạt động như một tải, tạo ra công suất tổn hao và nhiệt Các tế bào còn lại trong dãy phải hoạt động ở điện áp cao hơn để bù đắp cho điện áp bị mất do bóng mờ, điều này làm giảm dòng điện trong dãy Nếu nhiều tế bào bị che mờ vượt quá giới hạn cho phép, điện áp hoạt động của dãy sẽ giảm xuống rất thấp, dẫn đến dòng điện giảm đến giá trị zero và toàn bộ công suất của dãy sẽ không còn.

Hình 2.13 Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện Việc giảm công suất không đáng kể đến khi bóng mờ vượt quá giới hạn cho phép

Hình 2.14 Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều

Phương pháp phổ biến để giảm tổn hao do hiệu ứng bóng mờ trong dãy pin là chia nhỏ chiều dài mạch thành nhiều phần có diode thông (bypass diode) Khi một phần của dãy pin bị che mờ, diode sẽ nối tắt phần đó, giúp hạn chế hao hụt điện áp và dòng điện mà không làm mất toàn bộ công suất của dãy pin Nhiều hệ thống pin quang điện hiện đại hiện nay đã được tích hợp diode thông bên trong.

Khi nhiệt độ tăng, dòng ngắn mạch của tế bào sẽ tăng lên, trong khi điện áp hở mạch giảm xuống Hiệu ứng nhiệt độ đối với công suất được đánh giá bằng cách kiểm tra riêng biệt ảnh hưởng của nó lên dòng và điện áp Tại nhiệt độ tham khảo T, I0 và U0 lần lượt là dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch, với các hệ số nhiệt độ tương ứng là  và  Khi nhiệt độ hoạt động tăng lên khoảng T, dòng và điện áp mới có thể được tính toán theo một phương trình cụ thể.

Công thức Isc=Io(1+α.ΔT) và Voc=Vo(1−β.ΔT) cho thấy rằng dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch có sự thay đổi đáng kể theo nhiệt độ Điều này dẫn đến việc công suất hoạt động cũng thay đổi tương ứng, cho thấy mối liên hệ mật thiết giữa các yếu tố này trong hệ thống năng lượng.

Có thể được rút gọn bằng cách bỏ đi lượng nhỏ không đáng kể

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 19 Đối với những tế bào Si đơn tinh thể điển hình,  là 500u/C và  là 5mu/C

Vì vậy, công suất là:

Nhiệt độ ảnh hưởng đáng kể đến đặc tính P-V của tế bào quang điện, với việc công suất ngõ ra tăng cao hơn ở nhiệt độ thấp Cụ thể, khi nhiệt độ hoạt động tăng 1°C vượt qua mức tham khảo, công suất ngõ ra của tế bào quang điện Si giảm 0.45% Mặc dù việc tăng dòng điện ít ảnh hưởng hơn so với việc giảm điện áp, nhưng tổng công suất ở nhiệt độ cao vẫn không bị giảm đáng kể Hình ảnh minh họa cho thấy công suất cực đại ở nhiệt độ thấp cao hơn so với nhiệt độ cao Do đó, nhiệt độ thấp là điều kiện lý tưởng cho pin quang điện để phát ra nhiều công suất hơn Tuy nhiên, hai điểm công suất cực đại không có cùng giá trị điện áp, vì vậy hệ thống pin quang điện cần được thiết kế để có thể điều chỉnh điện áp ngõ ra lên tới V2 ở nhiệt độ thấp hơn và giảm xuống V1 ở nhiệt độ cao hơn nhằm tối ưu hóa công suất Pmax.

Tổng quan một hệ thống điện năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời hoạt động như một máy phát điện, sử dụng năng lượng mặt trời làm nguồn đầu vào và cung cấp dòng điện DC đầu ra Để sử dụng hiệu quả nguồn điện này, cần có các thiết bị chuyển đổi phù hợp để cung cấp điện cho các thiết bị tiêu thụ Tùy thuộc vào tính chất tải là AC hay DC, sẽ có các bộ chuyển đổi điện tương ứng Hệ thống điện năng lượng mặt trời bao gồm các tấm pin năng lượng mặt trời, thiết bị chuyển đổi năng lượng và các phụ tải tiêu thụ, tạo thành một hệ thống hoàn chỉnh.

Hình 2.16 Tổng quan một hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng thích ứng cao với môi trường làm việc, dẫn đến nhiều cấu hình hoạt động khác nhau Các yếu tố ảnh hưởng đến cấu hình bao gồm chế độ vận hành nối lưới hoặc độc lập, yêu cầu về dự trữ năng lượng, và khả năng cấp nguồn cho các thiết bị DC Dưới đây là một số thành phần cơ bản của hệ thống năng lượng mặt trời.

2.4.1 Bộ pin năng lượng mặt trời

Các tấm pin mặt trời có điện áp thấp tương đương với điện áp phân cực thuận của một diode, khoảng 0.6-0.8 Vdc, nên không thể sử dụng trực tiếp Do đó, các tấm pin này thường cần được mắc nối tiếp hoặc sử dụng bộ điều chỉnh điện áp để tăng cường hiệu suất và khả năng sử dụng.

HVTH: LÊ VIỆT TIẾN 21 có thể được kết nối theo các kiểu nối tiếp, song song hoặc kết hợp cả hai để hoạt động hiệu quả Các tấm pin sau khi được ghép lại sẽ tạo thành một panel hoàn chỉnh.

Các nhà sản xuất pin năng lượng mặt trời cung cấp các tấm panel với công suất khác nhau cho khách hàng Tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng, khách hàng có thể mua một hoặc nhiều tấm panel để lắp ghép thành bộ pin năng lượng mặt trời hoàn chỉnh Hình 2.10 minh họa một bộ pin năng lượng mặt trời sau khi được lắp đặt.

Hình 2.17 Hình ảnh một bộ pin năng lượng mặt trời

2.4.2 Bộ chuyển đổi năng lượng điện Điện áp hoạt động của thiết bị và điện áp hoạt động của bộ pin năng lượng mặt trời là khác nhau nên để có thể phối hợp hoạt động thì chúng phải có các bộ chuyển đổi năng lượng phù hợp Nếu tải AC thì bộ chuyển đổi là bộ DC/AC, còn ngược lại, nếu tải là tải DC thì bộ chuyển đổi sẽ là bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hiện đại ngày nay được thiết kế với chất lượng cao và tích hợp nhiều tính năng mới, như khả năng xác định điểm công suất cực đại và nhận biết lỗi pin năng lượng mặt trời Những tính năng này không chỉ giúp người dùng dễ dàng sử dụng mà còn nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.

Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời hiện nay

Pin năng lượng mặt trời ngày càng được ưu tiên phát triển nhờ vào những ưu điểm như thân thiện với môi trường, dễ lắp đặt và vận hành, cùng khả năng hoạt động linh hoạt Nhu cầu toàn cầu về pin năng lượng mặt trời đang gia tăng, dẫn đến sự ra đời của nhiều nhà sản xuất mới Ngoài các nhà máy, nhiều dự án điện mặt trời cũng được triển khai và đưa vào hoạt động cả trong và ngoài nước.

2.5.1 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ngoài nước

Trên toàn cầu, nhiều nhà máy năng lượng mặt trời có công suất lớn đã được xây dựng, trong đó nổi bật là các dự án năng lượng mặt trời đáng chú ý.

2.5.1.1 Dự án Solar Star 579MW, California

Dự án Solar Star 579MW, nằm ở Kern và Los Angeles, California, hiện đang là nhà máy năng lượng mặt trời lớn nhất thế giới Với công suất 579MW, nhà máy này có khả năng cung cấp điện cho 255.000 hộ dân trong khu vực Công trình xây dựng bắt đầu vào năm 2013 và đã hoàn thành, chính thức đi vào hoạt động vào tháng 6 năm 2015.

Nhà máy năng lượng mặt trời được xây dựng vào năm 2015, chiếm diện tích 13 km vuông gần Rosamond, California Để đạt được công suất lớn, nhà máy đã sử dụng 1.7 triệu module pin năng lượng mặt trời được chế tạo từ bán dẫn đơn tinh thể.

Nhà máy điện mặt trời Solar Star đã giảm thiểu 570,000 tấn khí thải CO2 mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 108.000 xe hơi Sử dụng công nghệ Oasis Power Plant từ Sun Power, các tấm pin năng lượng mặt trời của nhà máy có khả năng theo dõi ánh sáng mặt trời suốt cả ngày, giúp nâng cao hiệu suất thu năng lượng lên đến 25% Công ty BHE sở hữu nhà máy này và bán điện năng thu được cho Southern California Edison thông qua hợp đồng dài hạn.

2.5.1.2 Desert Sunlight Solar Farm 550MW, California

Trang trại năng lượng mặt trời Desert Sunlight, có công suất 550 MW, tọa lạc tại hạt Riverside và vùng Carrizo Plain, California Đây là sản phẩm hợp tác giữa tập đoàn GE và tập đoàn Sumitomo, cung cấp năng lượng cho khoảng 160.000 hộ dân trong khu vực Việc xây dựng nhà máy này đã giúp giảm thiểu gần 300.000 tấn khí CO2 thải ra môi trường mỗi năm, tương đương với lượng khí thải của 60.000 xe hơi.

Dự án do First Solar xây dựng và vận hành, cung cấp 8 triệu module pin năng lượng mặt trời sử dụng công nghệ cadmium telluride Nhà máy có diện tích 15,4 km vuông và giai đoạn 1 đã được khởi công vào tháng 9 năm trước.

2011 có công suất 300 MW Giai đoạn 2 hoàn thành năm 2015 với công suất 250

2.5.1.3 Topaz Solar Farms 550 MW, California

Hình 2.21 Topaz Solar Farms 550 MW, California

Topaz Solar Farms là nhà máy điện mặt trời 550 MW tại San Luis Obispo County, California, cung cấp năng lượng cho 160.000 hộ gia đình Dự án trị giá 2,5 tỷ USD, thuộc sở hữu của BHE Renewables, giúp giảm thiểu 377.000 tấn khí thải.

CO2 mỗi năm Nó tương đương với khí thải của 73.000 chiếc xe hơi Dự án tiêu tốn

Nhà máy năng lượng mặt trời, với 9 triệu panel pin được lắp đặt nghiêng 25 độ nhằm tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng mặt trời, được xây dựng từ năm 2011 và hoàn thành vào năm 2014 trên diện tích 24,6 km vuông Điện năng sản xuất từ nhà máy này được bán cho công ty Pacific Gas and Electric thông qua một hợp đồng kéo dài 25 năm.

2.5.1.4 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai

Hình 2.22 Longyangxia Dam Solar Park 530 MW, Qinghai

Longyangxia Dam Solar Park được đặt gần nhà máy thủy điện Longyangxia Dam trên lưu vực sông Hoàng Hà của Trung Quốc Con đập được hoàn thành năm 1992

Dự án pin năng lượng mặt trời trải dài trên diện tích 9,6 km², thuộc nhà máy thủy điện - pin mặt trời lớn nhất thế giới Công ty China Power Investment khởi công xây dựng vào tháng 3 năm 2013 và hoàn thành sau 9 tháng với công suất thiết kế đạt 320 MW.

Giai đoạn 2 của dự án được khởi công vào tháng 8 năm 2015 và hoàn thành trong năm 2015, với công suất thiết kế đạt 530 MW Dự án này đã góp phần giảm thiểu 795.000 tấn khí CO2 phát thải ra môi trường hàng năm.

Nhiều dự án năng lượng mặt trời quy mô lớn trên thế giới đã được khảo sát, cho thấy chúng đã được xây dựng và vận hành với hiệu quả cao.

Quy mô các nhà máy năng lượng mặt trời đang ngày càng mở rộng, đi kèm với sự phát triển nhanh chóng của các phương pháp điều khiển tối ưu được nghiên cứu và áp dụng.

Nhà máy năng lượng mặt trời đang dần thay thế một phần nguồn điện truyền thống, cho thấy tỷ lệ sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng tăng cao.

2.5.2 Tình hình sử dụng pin năng lượng mặt trời ở trong nước

Sự phát triển nhanh chóng của năng lượng mặt trời trên toàn cầu đã thúc đẩy việc sử dụng điện năng lượng mặt trời tại Việt Nam, nhờ vào sự hỗ trợ về giá cả và cơ chế từ chính phủ cho năng lượng tái tạo Nhiều hệ thống năng lượng mặt trời đã được lắp đặt và vận hành, bao gồm cả những hệ thống cho hộ gia đình, góp phần vào sự phát triển rộng rãi của nguồn năng lượng này trên khắp cả nước Dưới đây là một số công trình tiêu biểu trong lĩnh vực năng lượng mặt trời.

2.5.2.1 Nhà máy điện mặt trời Thiên Tân

Hướng tiếp cận của luận văn về sử dụng pin mặt trời

Nghiên cứu tình hình phát triển năng lượng mặt trời trong và ngoài nước cho thấy, để đáp ứng nhu cầu điện tại các vùng sâu, vùng xa, biên giới và hải đảo, cần phát triển hệ thống năng lượng mặt trời độc lập với công suất vừa và nhỏ Hiện nay, các khu vực này chủ yếu phụ thuộc vào máy phát điện diesel do chi phí kéo điện quá cao và không hiệu quả kinh tế Để tối ưu hóa hiệu suất, hệ thống pin năng lượng mặt trời cần thu được công suất cực đại, điều này không chỉ nâng cao hiệu quả vận hành mà còn giảm chi phí đầu tư ban đầu cho việc mua sắm.

Luận văn đề xuất nghiên cứu thiết kế mô hình pin năng lượng mặt trời có khả năng dò tìm điểm công suất cực đại, nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng pin trong tương lai Mô hình này sẽ được áp dụng vào các sản phẩm trong các nghiên cứu tiếp theo.

Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT

3.1.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) Điểm công suất cực đại MPP (Maximun Power Point), tức là điểm làm việc hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được Do sự thay đổi theo nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP Xét một đường cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện trở thuần

R, thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và có độ dốc với trục 0V với tgα =1/R; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và R là điểm làm việc Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho tải, nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của PV được cung cấp cho tải Như vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất

Mỗi vị trí làm việc sẽ có công suất khác nhau, vì vậy cần xác định vị trí tối ưu để đạt được công suất cao nhất.

Hình 3.1 Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ Để đơn giản vấn đề xét tải là một điện trở, có công thức Ohm mô tả như sau:

Khi kết nối tải với nguồn PV, ta sẽ có điểm làm việc là giao điểm của 2 đường đặc tính như hình vẽ sau:

Hình 3.2 Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R

Hình 3.3 Điểm MPP của PV

Khi sử dụng một pin năng lượng mặt trời (PV) dưới các điều kiện nhất định, việc thay đổi tải sẽ dẫn đến các điểm làm việc khác nhau, từ đó tạo ra các công suất khác nhau được tính theo công thức P = U x I.

Trong số nhiều điểm làm việc, điểm MPP là nơi công suất đạt cực đại, với các thông số tương ứng là Vm, Im và Pm.

Khi giữ điện trở cố định và thay đổi cường độ bức xạ mặt trời, chúng ta sẽ thu được một tập hợp các đường đặc tính PV, đồng thời có nhiều điểm làm việc khác nhau.

HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 34 nhau Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực đại

Hình 3.4 Các điểm làm việc của tải thuần trở

3.1.2 Bộ điều khiển MPPT Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều này người ta dùng bộ dò tìm MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều khiển bộ DC/DC để đạt được điểm làm việc này

Bộ MPPT là thiết bị nhận tín hiệu từ pin PV (dòng và áp) và sử dụng các thuật toán để xác định điểm làm việc MPP, từ đó truyền tín hiệu điều khiển đến bộ biến đổi điện áp DC/DC nhằm tối ưu hóa công suất Điểm MPP thường nằm ở khúc cua của đường cong (I,V) của pin PV, và sau khi xác định được điểm MPP, hệ thống MPPT sẽ gửi tín hiệu điều khiển để điều chỉnh hoạt động của bộ DC/DC.

Hình 3.5 Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter

3.1.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter)

Có nhiều loại bộ chuyển đổi DC/DC được sử dụng cho hệ thống năng lượng mặt trời (PV) và tải khác nhau Trong trường hợp hệ thống PV có điện áp cao và tải yêu cầu điện áp thấp, bộ chuyển đổi Buck sẽ được áp dụng Ngược lại, nếu hệ thống PV có điện áp thấp và tải cần điện áp cao, bộ chuyển đổi Boost sẽ được sử dụng Để điều khiển cả việc tăng và giảm điện áp, bộ chuyển đổi Buck-Boost là lựa chọn lý tưởng Dưới đây là tóm tắt về bộ chuyển đổi Buck-Boost.

Hình 3.6 Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter)

Ta phân tích hai trạng thái đóng ngắt của bộ Buck_Boost Converter:

Hình 3.7 Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter

Khi khóa Mosfet đóng, điện áp Vi sẽ qua cuộn dây, dẫn toàn bộ dòng nguồn IL chạy qua đó Trong thời gian này, năng lượng tích tụ trên cuộn dây Nếu khóa vẫn đóng, cuộn dây sẽ dẫn dòng ngắn mạch, khiến pin quang điện phát ra dòng ngắn mạch và điện áp bằng zero.

Khi khóa mở, dòng điện vẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây, nhưng năng lượng tích lũy trong cuộn dây bắt đầu giảm dần Dòng điện chạy qua cuộn dây không thể thay đổi ngay lập tức.

Khi khóa đóng lại, dòng điện sẽ chạy qua diode, tụ điện và tải, giúp nạp cho tụ điện một điện áp phân cực ngược Điều này cho phép duy trì năng lượng trên tải, đảm bảo hoạt động liên tục của hệ thống.

Nếu khóa đóng cắt hoạt động nhanh chóng, dòng điện trên cuộn dây sẽ không giảm đáng kể Khi khóa được thiết kế để đóng cắt nhanh và cuộn dây có kích thước lớn, mạch điện có thể được thiết kế sao cho dòng điện trong cuộn dây gần như duy trì ở mức hằng số.

Nếu khóa đóng cắt hoạt động nhanh chóng, điện áp trên tụ sẽ không thay đổi nhiều, cho phép thiết kế mạch với điện áp tụ gần như ổn định.

Chu kỳ đóng cắt của switch (D) là yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp vào và ra của bộ chuyển đổi Đối với bộ chuyển đổi buck-boost, chu kỳ này đóng vai trò quyết định trong việc điều chỉnh hiệu suất và tính ổn định của hệ thống.

Hình 3.8 Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter

- Khi switch đóng trong khoảng thời gian từ t = 0 đến t = DT , điện áp trên L là Vi

Khi đó công suất trên L là:

(3.2) Với điều kiện dòng qua L là một hằng số, ta có công suất qua L như sau:

- Khi switch mở năng lượng trên L bắt đầu xả ra Diode bắt đầu dẫn điện áp trên L cung cấp cho tải V0

Khi đó ta có công suất trên tải:

(3.4) Với điều kiện lý tưởng thì V0 và IL là hằng số lúc đó Pout là:

Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT)

3.2.1 Xáo trộn và theo dõi P&O Đây là thuật toán thường được dùng nhất để tìm điểm công suất cực đại, nó dựa vào việc làm thay đổi điện áp và theo dõi tỷ số dP/dt Dấu của đạo hàm điện áp cho biết điện áp tăng hay giảm và điện áp có thể giảm hoặc tăng tới khi đạt được điểm công suất cực đại và lúc đó đạo hàm bằng 0 Bởi vì thuật toán này dựa trên việc thay đổi, nên sẽ có sự dao động thậm chí khi đạt được điểm công suất cực đại

Thuyết minh thuật toán P&O (hình 3.10):

- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp

- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp

Hình 3.10 Lưu đồ thuật toán P&O

* Nhược điểm của thuật toán P&O:

Thuật toán P&O rất nhạy cảm với thời gian lấy mẫu so sánh, như thể hiện trong hình 3.10 Khi cường độ chiếu sáng ổn định, thuật toán này hoạt động hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi, P&O có thể dẫn đến sai sót vì hệ thống MPPT không phân biệt được sự tăng công suất do biến đổi cường độ chiếu sáng hay do dao động điện áp Hệ quả là thuật toán liên tục điều chỉnh điện áp, có thể giảm hoặc tăng, do nhận diện công suất đo sau lớn hơn công suất đo ban đầu.

Giải thuật P&O dựa vào mối quan hệ V-P của pin mặt trời (PV), trong đó bên trái điểm cực đại (MPP) có dP/dV > 0 và bên phải MPP có dP/dV < 0 Khi điện áp của PV được điều chỉnh theo hướng dP/dV > 0, điều này cho thấy PV đang tiến gần đến MPP; ngược lại, nếu dP/dV < 0, điểm làm việc đã vượt qua MPP, dẫn đến việc giải thuật P&O sẽ đảo chiều Tuy nhiên, giải thuật này có nhiều hạn chế, bao gồm việc luôn dao động quanh MPP, phản ứng chậm và có thể phản ứng sai khi điều kiện môi trường thay đổi Khi bức xạ thay đổi, PV có thể chuyển từ đường đặc tuyến thấp lên đặc tuyến cao, gây ra ΔP = (Pk+1 - Pk) > 0 và ΔV > 0, khiến giải thuật tiếp tục tăng Vref, làm cho điểm làm việc ngày càng xa MPP.

Ta xét một hệ PV phát năng lượng về lưới điện:

Khi độ chiếu sáng tăng lên, đường cong công suất sẽ chuyển từ P1 sang P2 Tại thời điểm k, hệ MPPT điều khiển PV hoạt động ở điểm A, và tại thời điểm k+1, khi độ chiếu sáng tăng nhanh, công suất P[k+1] sẽ lớn hơn P[k], trong khi điện áp tại thời điểm đó là V[k+1].

> V[k] , thì theo thuật toán P&O hệ MPPT sẽ tăng điện áp lên và lúc đó điểm làm việc sẽ là điểm C (không phải điểm cực đại)

Hình 3.12 Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O

Nguyên nhân chính dẫn đến sự hoạt động sai của thuật toán P&O là do không phân biệt được sự thay đổi công suất do biến động điện áp và sự thay đổi công suất do thay đổi cường độ chiếu sáng.

Yêu cầu đề ra để giải quyết sự hoạt động sai này là:

1 Thuật toán MPPT chỉ hoạt động hiệu quả khi không có sự thay đổi chiếu độ (trên cùng một đường cong công suất)

2 Khi có sự thay đổi chiếu xạ thay đổi thì giữ nguyên điện áp đang hoạt động ở điểm MPP cũ đến khi chiếu xạ ổn định thì mới tiếp tục truy tìm MPP theo điện áp

3.2.2 Thuật toán điều khiển điều khiển logic mờ (FLC):

Khi cường độ bức xạ mặt trời thay đổi, các đường đặc tính PV sẽ xuất hiện, mỗi đường có một điểm MPP tương ứng với công suất cực đại Để đạt được công suất này, cần xác định điểm MPP thông qua bộ MPPT, giúp tính toán và điều khiển bộ dc/dc để duy trì điểm làm việc tối ưu Bộ MPPT theo dõi dòng điện và điện áp hiện tại nhằm đảm bảo công suất cung cấp cho tải luôn lớn nhất, bất kể sự biến đổi của nhiệt độ và cường độ bức xạ Bộ điều khiển MPPT cần đáp ứng một số yêu cầu nhất định để hoạt động hiệu quả.

- Điểm vận hành của PV càng gần điểm MPP càng tốt, không phân biệt sự thay đổi của khí quyển

- Chi phí thấp và hiệu suất cao

- Cung cấp công suất đầu ra phù hợp với yêu cầu tải

Hình 3.13 Sơ đồ khối của bộ MPPT

Trong nghiên cứu này, bộ điều khiển logic mờ (FLC) được áp dụng để theo dõi điểm công suất tối đa (MPP) của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) FLC hoạt động với hiệu suất cao, độ tin cậy tốt và thiết kế đơn giản, mang lại nhiều lợi ích cho việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

Fuzzy Logic Controller (FLC) hoạt động hiệu quả với các đầu vào không chính xác, không yêu cầu một mô hình toán học chính xác và có khả năng xử lý các vấn đề phi tuyến FLC dựa vào kiến thức và kinh nghiệm của người dùng thay vì yêu cầu hiểu biết kỹ thuật sâu về hệ thống Các thành phần chính của FLC bao gồm các quy tắc mờ và bộ suy diễn, giúp cải thiện khả năng điều khiển trong các tình huống không chắc chắn.

Bài viết này trình bày quy trình xử lý sai số đầu vào E và sự thay đổi của sai số CE trong k lần lấy mẫu, được xác định theo các biểu thức (4.1) và (4.2) Quy trình bao gồm các bước mờ hóa (Fuzzification), áp dụng các qui tắc điều khiển mờ (rules), thực hiện suy diễn mờ (inference) và cuối cùng là giải mờ (defuzzification), với biến ra là tỷ số độ rộng xung D.

Hình 3.14 Sơ đồ khối của bộ FLC

Bộ chuyển đổi DC-DC

- Pph(k): Công suất tức thời của PV

Điện áp của PV tại thời điểm k, được ký hiệu là Vph(k), cho thấy vị trí của điểm làm việc so với điểm MPP, trong khi đầu vào CE(k) chỉ ra hướng di chuyển tại thời điểm này.

Hình 3.15 Lưu đồ giải thuật thuật toán FLC

3.3.5.3 Qui tắc điều khiển mờ:

Mục tiêu của hệ thống điều khiển là xác định điểm làm việc MPP bất chấp sự thay đổi của nhiệt độ và cường độ bức xạ Phương pháp suy luận mờ Mamdani, dựa trên luật hợp thành mờ, cho phép xây dựng lên đến 25 quy tắc điều khiển một cách dễ dàng.

Ngõ vào hàm thành viên (Input membership functions)

Danh sách quy tắc (Rule list)

Ngõ ra hàm thành viên (Input membership functions)

Mờ hóa ( Fuzzification) Đánh giá quy tắc

Bảng 3.1 Bảng chọn tỷ số D của FLC

Mỗi quy tắc điều khiển từ bảng 3.1 có thể được mô tả thông qua các biến đầu vào, bao gồm sai số E, thay đổi sai số CE và biến đầu ra D Từ đó, chúng ta có thể xây dựng ma trận quan hệ mờ R theo biểu thức 3.34.

Ri: nếu E là Ai và CE là Bi thì D là Di (3.9) Trong đó: Ai, Bi, là các giá trị đầu vào biến mờ E, CE thứ i của bảng 4.1

Di là giá trị đầu ra rõ tương ứng với đầu vào thứ i

Theo bảng 4.1 và biểu thức (3.34) ta có 25 qui tắc điều khiển như sau:

Phép suy diễn mờ trong ứng dụng này sử dụng quy tắc Mamdani dựa trên luật hợp thành min-max Các giá trị A, B và D phụ thuộc vào các hàm thành viên àA(E), àB(CE) và àD(D) tương ứng Các giá trị của các hàm thành viên Hi tại vị trí thứ i được xác định theo quy tắc hợp thành min.

Gọi Hi là độ phụ thuộc của E và CE vào các giá trị ngôn ngữ đầu vào ta có:

Độ phụ thuộc Hi được xác định bằng công thức Hi = min(àAi(E), àBi(CE)), thể hiện mối quan hệ giữa E và CE với các giá trị ngôn ngữ đầu vào Đồng thời, Ri là ma trận đầu ra theo luật điều khiển, phản ánh các quy tắc trong quá trình điều khiển.

Nguyên tắc điều khiển thiết bị theo bức xạ mặt trời

Hệ thống pin năng lượng mặt trời hoạt động dựa trên nguyên lý phối hợp giữa hai thành phần chính: thành phần công suất và thành phần điều khiển Thành phần công suất bao gồm tấm pin năng lượng mặt trời, mạch chuyển đổi điện áp một chiều (DC/DC) và điện trở phụ tải Trong khi đó, bộ điều khiển trung tâm đảm nhận vai trò điều phối hoạt động của các thành phần, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

Khối xử lý trung tâm nhận tín hiệu điện áp và dòng điện từ các tấm pin mặt trời để điều khiển hệ thống Bộ dò MPPT xác định điện áp tại điểm MPP của hệ thống pin mặt trời (V PV ref) thông qua thuật toán P&O nhằm tìm ra điểm công suất cực đại Mạch điều chỉnh điểm làm việc của pin mặt trời về vị trí này để tối ưu hóa công suất Việc điều chỉnh điện áp thực tế trên pin mặt trời đến điện áp tham chiếu dựa trên đặc tuyến V-I, cho thấy khi điện áp tăng, dòng điện giảm và ngược lại Nguyên tắc hoạt động được trình bày cụ thể trong các trường hợp khác nhau.

Khi điện áp tham chiếu vượt quá điện áp thực tế của pin mặt trời, cần giảm dòng điện để nâng cao điện áp thực tế đạt đến mức mong muốn.

Khi tấm pin HVTH Lê Việt Tiến 47 đi qua bộ trừ như hình 3.14, giá trị sai số sẽ là số âm Điều này dẫn đến việc giá trị sai số thu được sau bộ trừ cũng mang dấu âm Sau đó, khi qua bộ điều chỉnh điện áp (PI V_), nó sẽ cung cấp giá trị dòng điện cần bơm vào lưới.

Việc điều khiển dòng điện thực tế theo giá trị dòng điện tham chiếu trong hệ thống năng lượng mặt trời được thực hiện thông qua việc điều chỉnh hệ số D, dựa trên sai số giữa dòng điện thực tế và dòng điện mong muốn Khi dòng điện thực tế lớn hơn dòng điện mong muốn, sai số ngõ vào bộ điều chỉnh sẽ âm, dẫn đến việc giảm hệ số D, từ đó giảm giá trị dòng điện bơm ra từ pin mặt trời Hệ số D này được sử dụng để tạo ra xung vuông với tỉ số D qua bộ tạo xung PWM, nhằm cung cấp tín hiệu cho mạch kích trong bộ DC/DC.

Khi điện áp tham chiếu thấp hơn điện áp thực tế trên pin mặt trời, cần tăng dòng điện để giảm điện áp thực tế về mức mong muốn Qua bộ trừ, giá trị sai số sẽ dương, và sau khi qua bộ điều chỉnh điện áp (PI V _), giá trị dòng điện cần bơm vào lưới (I * pv) sẽ tăng lên Việc điều khiển dòng điện thực tế theo dòng điện tham chiếu được thực hiện thông qua điều chỉnh hệ số D sau khi đưa sai số vào bộ điều chỉnh dòng điện (PI I _) Nếu dòng điện thực tế nhỏ hơn dòng điện mong muốn, sai số ngõ vào bộ điều chỉnh sẽ dương, làm tăng hệ số D và dòng điện bơm ra từ pin mặt trời Một xung vuông với tỉ số D được tạo ra qua bộ tạo xung (PWM) để cung cấp cho mạch kích trong bộ DC/DC.

Hình 3.18 Nguyên lý làm việc khối MPPT trong điều khiển bộ DC/DC

Điều chỉnh điện áp đầu ra của tấm pin mặt trời được thực hiện thông qua việc tăng hoặc giảm dòng điện bơm ra Cách này giúp đảm bảo rằng tấm pin luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại.