Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là công nghệ pin quang điện (PV), đang trở thành giải pháp trọng yếu trong chuyển đổi sang nền kinh tế xanh, sạch. Theo ước tính, PV sẽ đáp ứng khoảng 25% nhu cầu điện toàn cầu vào năm 2050, tương đương 8500 GW, góp phần giảm phát thải carbon khoảng 21% (4,9 Gt CO2). Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống PV chịu ảnh hưởng lớn bởi điều kiện môi trường như nhiệt độ và bức xạ, đặc biệt là hiện tượng bóng râm cục bộ (PSC) gây ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMPP) trên đường đặc tính công suất-điện áp (P-V). Điều này làm cho các thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống dễ bị mắc kẹt tại các LMPP, không đạt được điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP).

Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng một thuật toán MPPT mới có khả năng xác định chính xác GMPP trong điều kiện PSC, nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời. Nghiên cứu tập trung phát triển giải thuật kết hợp giữa dự đoán các điểm cực trị tiềm năng dựa trên đặc tính dòng điện-điện áp (I-V) và thuật toán P&O truyền thống để tăng tốc độ hội tụ và độ chính xác. Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống PV quy mô nhỏ áp mái tại TP. Hồ Chí Minh, với các thử nghiệm mô phỏng và thực nghiệm trong giai đoạn 2023-2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống PV, giảm chi phí vận hành và tăng tính ổn định của nguồn điện tái tạo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Mô hình toán pin mặt trời (PV): Bao gồm mô hình lý tưởng và mô hình thực tế với điện trở nối tiếp (Rs) và điện trở song song (Rsh), mô tả đặc tính I-V và P-V của tấm pin dưới các điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau.
  • Khái niệm MPPT: Theo dõi điểm công suất cực đại để tối ưu hóa công suất đầu ra của hệ thống PV, đặc biệt trong điều kiện bóng râm cục bộ gây ra nhiều điểm cực đại cục bộ.
  • Thuật toán P&O (Perturb and Observe): Phương pháp kinh điển dựa trên việc nhiễu loạn điện áp và quan sát sự thay đổi công suất để tìm điểm MPP.
  • Mô hình bộ chuyển đổi DC-DC Buck-Boost: Giúp điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra, tạo điều kiện cho thuật toán MPPT hoạt động hiệu quả.
  • Khái niệm GMPP và LMPP: GMPP là điểm công suất cực đại toàn cục, trong khi LMPP là các điểm cực đại cục bộ do bóng râm gây ra, làm phức tạp quá trình theo dõi.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu từ mô phỏng trên phần mềm PSIM và thực nghiệm với mô hình hệ thống PV quy mô nhỏ sử dụng bộ nguồn lập trình Chroma giả lập nguồn pin quang điện.
  • Phương pháp phân tích: Xây dựng và kiểm thử thuật toán MPPT mới dựa trên việc xác định chính xác các điểm cực trị tiềm năng từ đặc tính I-V, kết hợp với thuật toán P&O để xác định GMPP. So sánh hiệu suất với các thuật toán hiện có như MInC, Ajaya, Jaya.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống PV gồm nhiều tấm pin nối tiếp và song song, mô phỏng các điều kiện bóng râm cục bộ đa dạng để đánh giá hiệu quả thuật toán.
  • Timeline nghiên cứu: Từ tháng 3/2023 đến 6/2024, bao gồm giai đoạn nghiên cứu lý thuyết, mô phỏng, thực nghiệm và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xác định chính xác GMPP trong điều kiện PSC: Thuật toán đề xuất sử dụng phương pháp xác định dòng điện ngắn mạch (Isc) và điện áp hở mạch (Voc) để dự đoán các điểm cực trị tiềm năng, sau đó áp dụng thuật toán P&O để tìm GMPP chính xác. Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy sai số điện áp tại GMPP giảm đáng kể so với các phương pháp trước, với độ chính xác tăng lên khoảng 99,5%.

  2. Tăng tốc độ hội tụ: Nhờ việc xác định nhanh chóng vùng chứa GMPP và giảm số lần quét toàn bộ đường cong I-V, thời gian tìm kiếm GMPP giảm xuống còn khoảng 0,13 giây, nhanh hơn nhiều so với các thuật toán metaheuristic truyền thống có thời gian từ 0,25 đến 2,6 giây.

  3. Hiệu suất MPPT vượt trội: So sánh với các thuật toán MInC, Ajaya và Jaya, thuật toán mới đạt hiệu suất theo dõi điểm công suất cực đại trên 99%, cao hơn từ 0,5% đến 1,5%, đồng thời giảm thiểu hiện tượng mắc kẹt tại LMPP.

  4. Khả năng ứng dụng thực tế: Thí nghiệm với mạch Buck-Boost và bộ nguồn lập trình cho thấy thuật toán hoạt động ổn định trong các điều kiện bóng râm phức tạp, phù hợp với hệ thống PV áp mái quy mô vừa và nhỏ.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thuật toán đạt hiệu quả cao là việc kết hợp dự đoán các điểm cực trị dựa trên đặc tính I-V với thuật toán P&O truyền thống, giúp giảm thiểu sai số do giả định điện áp hở mạch không đổi trong các nghiên cứu trước. Việc xác định đoạn điện áp thiếu BB' giúp cải thiện độ chính xác trong dự đoán Vmp của các điểm cực trị tiếp theo, từ đó rút ngắn thời gian hội tụ.

So với các nghiên cứu trước, thuật toán mới khắc phục được nhược điểm về tốc độ và độ chính xác khi áp dụng trong điều kiện PSC đa dạng. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh thời gian hội tụ và hiệu suất MPPT giữa các thuật toán, cũng như bảng số liệu sai số điện áp tại GMPP trong các trường hợp thử nghiệm khác nhau.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp một giải pháp MPPT đơn giản, dễ triển khai, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo trong thực tế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Triển khai thuật toán MPPT mới trong các hệ thống PV áp mái: Động viên các nhà sản xuất và lắp đặt tích hợp giải thuật vào bộ điều khiển biến tần để nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng, giảm thời gian hội tụ xuống dưới 0,2 giây, áp dụng trong vòng 12 tháng tới.

  2. Phát triển phần mềm mô phỏng và công cụ hỗ trợ: Xây dựng công cụ mô phỏng thuật toán MPPT mới để hỗ trợ nghiên cứu và đào tạo, giúp các kỹ sư dễ dàng áp dụng và tùy chỉnh theo đặc điểm hệ thống, hoàn thành trong 6 tháng.

  3. Nâng cấp hệ thống đo lường và cảm biến: Cải tiến hệ thống đo điện áp và dòng điện chính xác, giảm sai số đo lường để thuật toán hoạt động hiệu quả hơn, đặc biệt trong điều kiện bóng râm phức tạp, thực hiện trong 9 tháng.

  4. Mở rộng nghiên cứu ứng dụng cho các hệ thống PV quy mô lớn: Thử nghiệm và điều chỉnh thuật toán cho các nhà máy điện mặt trời quy mô công nghiệp, nhằm tối ưu hóa hiệu suất toàn hệ thống, dự kiến trong 18 tháng tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về thuật toán MPPT, mô hình pin mặt trời và bộ chuyển đổi DC-DC, hỗ trợ phát triển các đề tài nghiên cứu liên quan.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống PV: Giúp hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống và áp dụng thuật toán MPPT mới để tối ưu hóa công suất, giảm thiểu tổn thất do bóng râm.

  3. Các công ty sản xuất biến tần và thiết bị điều khiển năng lượng: Cung cấp giải pháp thuật toán đơn giản, hiệu quả, dễ tích hợp vào sản phẩm, nâng cao giá trị cạnh tranh trên thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để xây dựng các tiêu chuẩn kỹ thuật và khuyến khích áp dụng công nghệ MPPT tiên tiến, thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo bền vững.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán MPPT mới có ưu điểm gì so với các thuật toán truyền thống?
    Thuật toán kết hợp dự đoán điểm cực trị dựa trên đặc tính I-V và thuật toán P&O giúp tăng độ chính xác và tốc độ hội tụ, giảm thiểu mắc kẹt tại các điểm cực đại cục bộ, đạt hiệu suất trên 99%.

  2. Làm thế nào để xác định dòng điện ngắn mạch (Isc) trong điều kiện bóng râm?
    Thuật toán xác định Isc nhanh chóng tại chu kỳ làm việc D=0.8 mà không cần ngắt nguồn, dựa trên vùng kiểm tra đặc trưng của tấm pin, giúp giảm thời gian quét toàn bộ đường cong I-V.

  3. Thuật toán có thể áp dụng cho hệ thống PV quy mô lớn không?
    Có thể, tuy nhiên cần điều chỉnh và thử nghiệm thêm để đảm bảo hiệu quả trong các hệ thống phức tạp hơn, đặc biệt khi số lượng tấm pin và chuỗi tăng lên.

  4. Thời gian hội tụ của thuật toán là bao lâu?
    Thời gian tìm kiếm GMPP trung bình khoảng 0,13 giây, nhanh hơn nhiều so với các thuật toán metaheuristic truyền thống có thể mất từ 0,25 đến vài giây.

  5. Thuật toán có yêu cầu phần cứng đặc biệt nào không?
    Thuật toán sử dụng cảm biến điện áp và dòng điện tiêu chuẩn, không cần phần cứng phức tạp, dễ dàng tích hợp vào các bộ điều khiển biến tần hiện có.

Kết luận

  • Thuật toán MPPT mới được phát triển dựa trên việc dự đoán các điểm cực trị tiềm năng từ đặc tính I-V và kết hợp với thuật toán P&O truyền thống, giúp xác định chính xác GMPP trong điều kiện bóng râm cục bộ.
  • Hiệu suất theo dõi điểm công suất cực đại đạt trên 99%, vượt trội so với các thuật toán hiện có, đồng thời giảm thời gian hội tụ xuống còn khoảng 0,13 giây.
  • Giải pháp đơn giản, dễ triển khai, phù hợp với các hệ thống PV áp mái quy mô vừa và nhỏ, có khả năng mở rộng cho các hệ thống lớn hơn.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, giảm chi phí vận hành và thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo bền vững.
  • Các bước tiếp theo bao gồm phát triển công cụ hỗ trợ, nâng cấp phần cứng đo lường và mở rộng thử nghiệm trong thực tế để hoàn thiện giải pháp.

Khuyến khích các nhà nghiên cứu, kỹ sư và doanh nghiệp trong lĩnh vực năng lượng tái tạo áp dụng và phát triển thêm thuật toán nhằm tối ưu hóa hiệu suất hệ thống PV.