I. Tổng quan về Giải thuật GMPPT cho hệ thống PV Khái niệm
Năng lượng tái tạo đang ngày càng trở nên quan trọng, và hệ thống pin quang điện (PV) đóng vai trò then chốt. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống pin quang điện (PV system) phụ thuộc lớn vào khả năng dò tìm và duy trì điểm công suất cực đại (MPPT). Bài toán này trở nên phức tạp hơn khi xuất hiện điều kiện bóng râm cục bộ (PSC), tạo ra nhiều điểm cực đại cục bộ (LMPP) trên đường cong công suất, khiến các thuật toán MPPT toàn cục (GMPPT) truyền thống dễ bị mắc kẹt. Do đó, việc phát triển các giải thuật MPPT hiệu quả, đặc biệt là các giải thuật GMPPT có khả năng hoạt động tốt trong điều kiện PSC, là vô cùng quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của các hệ thống PV. Theo một nghiên cứu, PV dự kiến sẽ đáp ứng 25% (8500 GW) nhu cầu sử dụng điện của thế giới vào năm 2050. Các thuật toán MPPT có thể được chia làm hai loại chính: i) Thuật toán MPPT cho các hệ thống lý tưởng hoặc không có bóng che và ii) Các thuật toán MPPT cho các hệ thống có điều kiện che nắng một phần (PSC).
1.1. Tầm quan trọng của MPPT trong hệ thống pin quang điện
Việc tối ưu hóa hiệu suất MPPT là yếu tố then chốt để đảm bảo hệ thống PV hoạt động hiệu quả. Các thuật toán MPPT đảm nhiệm vai trò điều khiển bộ biến tần để hệ thống hoạt động tại điểm công suất tối ưu, qua đó nâng cao hiệu quả tổng thể. Theo nghiên cứu của Kumar và đồng nghiệp, “thuật toán leo đồi” (HC) là một phương pháp giá rẻ và dễ thực hiện cho MPPT. Việc cải thiện hiệu suất MPPT không tốn kém và có thể được thực hiện ngay cả ở các nhà máy đã được sử dụng bằng cách cập nhật thuật toán điều khiển, điều này sẽ dẫn đến tăng công suất quang điện ngay lập tức.
1.2. Thách thức từ bóng râm cục bộ và sự cần thiết của GMPPT
Điều kiện bóng râm cục bộ gây ra sự xuất hiện của nhiều LMPP, khiến các thuật toán MPPT truyền thống bỏ lỡ GMPP. Do đó, các giải thuật MPPT thông minh, có khả năng tìm kiếm GMPPT hiệu quả trong điều kiện PSC, là vô cùng cần thiết. Nghiên cứu này giới thiệu một thuật toán MPPT cải tiến, đặc biệt phù hợp với các hệ thống PV chịu ảnh hưởng của bóng che, nhằm nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng.
II. Vấn đề Sai sót trong dò tìm GMPPT do bóng râm cục bộ gây ra
Các thuật toán MPPT truyền thống thường gặp khó khăn trong việc xác định chính xác GMPPT khi hệ thống PV hoạt động trong điều kiện có bóng râm cục bộ. Điều này dẫn đến việc hệ thống hoạt động tại các điểm LMPP, làm giảm đáng kể hiệu suất và sản lượng điện. Sai sót này không chỉ làm lãng phí nguồn năng lượng mặt trời quý giá mà còn ảnh hưởng đến tính kinh tế của hệ thống PV. Sự xuất hiện của nhiều LMPP trên đường cong P-V là một thách thức lớn. Trong điều kiện PSC, để khắc phục hạn chế này và đảm bảo hiệu suất tối ưu, các giải thuật MPPT truyền thống thường yêu cầu kết hợp với các phương pháp phức tạp khác.
2.1. Ảnh hưởng của bóng râm cục bộ đến đường đặc tính P V của pin
Bóng râm cục bộ làm thay đổi đáng kể đường đặc tính P-V của mảng pin mặt trời, tạo ra nhiều đỉnh cục bộ thay vì một đỉnh duy nhất. Điều này gây khó khăn cho các thuật toán MPPT trong việc tìm kiếm điểm công suất cực đại toàn cục. Theo tài liệu nghiên cứu thì Hiệu ứng bóng râm gây ra nhiều LMPP, dẫn đến các thuật toán MPPT truyền thống bỏ lỡ MPP toàn cục.
2.2. Hậu quả của việc mắc kẹt tại điểm công suất cực đại cục bộ LMPP
Khi thuật toán MPPT bị mắc kẹt tại LMPP, hệ thống PV không thể khai thác tối đa công suất từ năng lượng mặt trời. Điều này dẫn đến giảm sản lượng điện, giảm hiệu suất và làm giảm tính kinh tế của hệ thống. Theo Pham Vo Hong Nghi, việc thuật toán MPPT dễ bị mắc kẹt tại các điểm công suất cực đại cục bộ (LMPP).
2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến độ chính xác của thuật toán MPPT
Độ chính xác của thuật toán MPPT chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm điều kiện thời tiết (bức xạ mặt trời, nhiệt độ), đặc tính của mảng pin mặt trời, và đặc biệt là sự xuất hiện của điều kiện bóng râm cục bộ. Để đảm bảo độ chính xác MPPT, cần có các thuật toán MPPT mạnh mẽ, có khả năng thích ứng với các điều kiện thay đổi.
III. Cách dò tìm GMPPT hiệu quả Giải pháp từ thuật toán mới
Nghiên cứu này giới thiệu một giải thuật mới để dò tìm GMPPT cho hệ thống PV trong điều kiện bóng râm cục bộ. Giải thuật này kết hợp việc ước tính chính xác vị trí của các LMPP với thuật toán P&O truyền thống, tạo ra một giải pháp đơn giản, hiệu quả và dễ thực hiện. Ưu điểm của giải thuật này là khả năng cải thiện hiệu suất MPPT và tăng tốc độ hội tụ, giúp hệ thống PV hoạt động gần với GMPPT hơn. Việc xây dựng giải thuật này dựa trên hành vi của đường cong I-V dưới điều kiện PSC.
3.1. Cơ sở lý thuyết của giải thuật dò tìm GMPPT mới
Cơ sở lý thuyết của giải thuật này dựa trên việc phân tích đặc tính I-V của hệ thống PV trong điều kiện PSC. Giải thuật tận dụng các thông tin về vị trí của các điểm cực trị trên đường cong I-V để ước tính vị trí của GMPPT một cách chính xác hơn. Theo Nghiên cứu, thuật toán dựa trên hành vi của đường cong I-V dưới điều kiện PSC.
3.2. Ưu điểm của việc kết hợp ước tính LMPP và thuật toán P O
Việc kết hợp ước tính LMPP và thuật toán P&O giúp giải thuật này tận dụng ưu điểm của cả hai phương pháp. Ước tính LMPP cung cấp thông tin ban đầu về vị trí của GMPPT, trong khi thuật toán P&O giúp tinh chỉnh vị trí này để đạt được điểm công suất cực đại thực sự. Kết hợp khả năng ước tính chính xác LMPP và các thuật toán “Nhiễu loạn và Quan sát” (P&O) truyền thống tạo nên một giải pháp đơn giản, hiệu quả, dễ thực hiện.
3.3. Các bước thực hiện giải thuật dò tìm GMPPT
Các bước thực hiện giải thuật này bao gồm: (1) Đo đường cong I-V của hệ thống PV. (2) Xác định vị trí của các điểm cực trị trên đường cong I-V. (3) Ước tính vị trí của GMPPT dựa trên vị trí của các điểm cực trị. (4) Sử dụng thuật toán P&O để tinh chỉnh vị trí của GMPPT. (5) Điều khiển bộ biến tần để hệ thống PV hoạt động tại GMPPT. Xem xét xác định dòng điện ISC, xác định độ rộng xung D, và đề xuất giải pháp xác định GMPP.
IV. Kết quả Đánh giá hiệu quả của giải thuật GMPPT mới so với giải pháp cũ
Kết quả thử nghiệm cho thấy giải thuật GMPPT mới có hiệu quả vượt trội so với các thuật toán truyền thống, đặc biệt là trong điều kiện bóng râm cục bộ. Giải thuật mới đạt được hiệu suất MPPT cao hơn và thời gian hội tụ nhanh hơn, giúp hệ thống PV khai thác tối đa năng lượng mặt trời. Kết quả so sánh với các thuật toán thông minh khác cho thấy giải thuật đề xuất đã chứng minh được những ưu điểm vượt trội về hiệu suất MPPT và thời gian tìm kiếm trong cùng điều kiện thử nghiệm.
4.1. So sánh hiệu suất MPPT của giải thuật mới với các thuật toán khác
So sánh với các thuật toán như “Độ dẫn tăng dần cải tiến” (MInC), “Jaya thích nghi” (Ajaya) và Jaya, thuật toán mới cho thấy hiệu suất cao hơn đáng kể. Điều này chứng minh khả năng dò tìm điểm công suất cực đại tốt hơn của giải thuật mới trong điều kiện PSC.
4.2. Đánh giá tốc độ hội tụ và thời gian tìm kiếm của giải thuật GMPPT
Thời gian hội tụ và thời gian tìm kiếm của giải thuật mới nhanh hơn so với các thuật toán khác, giúp hệ thống PV nhanh chóng đạt được GMPPT. Điều này đặc biệt quan trọng trong các hệ thống PV hoạt động trong điều kiện thời tiết thay đổi liên tục. Theo kết quả nghiên cứu, các thuật toán thông minh có ưu điểm bao gồm hiệu suất MPPT cao và khả năng tránh các bẫy LMPP tuyệt vời.
4.3. Tính ổn định của thuật toán trong điều kiện thời tiết thay đổi
Kết quả thử nghiệm cũng cho thấy giải thuật mới có tính ổn định cao trong điều kiện thời tiết thay đổi. Giải thuật có khả năng thích ứng với các thay đổi về bức xạ mặt trời và nhiệt độ, giúp hệ thống PV duy trì hoạt động tại GMPPT một cách liên tục. Subudhi và đồng nghiệp đã nghiên cứu một bộ điều khiển MPPT PID tăng dần cho các hệ thống PV có khả năng duy trì sự ổn định dưới các thay đổi thời tiết.
V. Ứng dụng thực tế Hướng phát triển của Giải thuật GMPPT mới
Giải thuật mới này có thể được ứng dụng trong nhiều hệ thống PV khác nhau, từ các hệ thống nhỏ trên mái nhà đến các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn. Việc triển khai giải thuật này có thể giúp tăng sản lượng điện, giảm chi phí và nâng cao tính bền vững của các hệ thống PV. Hơn nữa, giải thuật này có thể được cải tiến và phát triển hơn nữa để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp năng lượng mặt trời. Nghiên cứu cho thấy, Một trong những công bố gần đây trong nhóm này dựa trên việc cải thiện thuật toán PSO được giới thiệu trong tài liệu [29] là một kỹ thuật MPPT metaheuristic mới dựa trên PSO Nhóm Tự Trị Nâng Cao.
5.1. Ứng dụng của giải thuật trong hệ thống PV dân dụng và công nghiệp
Trong hệ thống PV dân dụng, giải thuật này có thể giúp các hộ gia đình giảm chi phí điện và tăng tính độc lập về năng lượng. Trong hệ thống PV công nghiệp, giải thuật này có thể giúp các doanh nghiệp giảm chi phí vận hành và nâng cao hình ảnh xanh. Các ứng dụng MPPT này mang lại lợi ích cho người dùng.
5.2. Các hướng nghiên cứu tiếp theo để cải tiến giải thuật GMPPT
Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc cải thiện khả năng thích ứng của giải thuật với các điều kiện thời tiết khắc nghiệt, giảm độ phức tạp tính toán và tích hợp giải thuật với các hệ thống điều khiển thông minh. Có thể kể đến việc phát triển thuật toán lai (Hybrid algorithms) và thuật toán thích nghi (Adaptive algorithms).
5.3. Tích hợp trí tuệ nhân tạo vào giải thuật GMPPT
Việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào giải thuật GMPPT có thể giúp nâng cao khả năng dự đoán và thích ứng của giải thuật, giúp hệ thống PV hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện phức tạp. Các thuật toán MPPT dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI-based MPPT) là một hướng đi đầy tiềm năng.
VI. Kết luận GMPPT Giải pháp quan trọng cho hiệu suất hệ thống PV
Việc phát triển các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại (GMPPT) hiệu quả là vô cùng quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin quang điện (PV). Giải thuật mới được giới thiệu trong nghiên cứu này mang lại nhiều ưu điểm so với các thuật toán truyền thống, bao gồm hiệu suất MPPT cao hơn, thời gian hội tụ nhanh hơn và khả năng thích ứng tốt với các điều kiện thời tiết thay đổi. Ứng dụng rộng rãi của giải thuật này có thể góp phần quan trọng vào việc thúc đẩy phát triển năng lượng mặt trời bền vững.
6.1. Tóm tắt những đóng góp chính của nghiên cứu
Nghiên cứu này đã đóng góp vào việc phát triển một giải thuật GMPPT mới, có khả năng hoạt động hiệu quả trong điều kiện bóng râm cục bộ. Giải thuật này có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống PV, giúp tăng sản lượng điện và giảm chi phí.
6.2. Tầm quan trọng của GMPPT đối với tương lai của năng lượng mặt trời
GMPPT đóng vai trò quan trọng trong việc khai thác tối đa tiềm năng của năng lượng mặt trời. Các giải thuật GMPPT hiệu quả sẽ giúp hệ thống PV hoạt động với hiệu suất cao nhất, góp phần giảm thiểu sự phụ thuộc vào các nguồn năng lượng hóa thạch. Năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong năng lượng tái tạo
