Xây Dựng Giải Thuật Mới Dò Tìm Điểm Công Suất Cực Đại Toàn Cục Của Hệ Thống Pin Quang Điện

Nghiên cứu giải thuật mới dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT) cho hệ thống pin quang điện, tăng hiệu suất và tốc độ hội tụ. Tìm hiểu ngay!

• Tác giả: Phạm Võ Hồng Nghi
• Người hướng dẫn: PGS. Trương Việt Anh
• Trường học: Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Xây dựng giải thuật mới dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống pin quang điện
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT
• ABSTRACT
• MỤC LỤC
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Các hướng đã nghiên cứu trước đây
• 1.2. Tính thiết của đề tài
• 1.3. Mục tiêu của nghiên cứu
• 1.4. Mục tiêu của nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Tổng quan về pin mặt trời (PV)
• 2.2. Mô hình toán pin PV
• 2.2.1. Mô hình lý tưởng
• 2.2.2. Mô hình thực tế
• 2.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến đặc tuyến điện đặc tuyến của pin quang điện
• 2.4. Bài toán dò điểm công suất cực đại của pin quang điện (Maximum Power Point Tracking – MPPT)
• 2.5. Các phương pháp kinh điển tìm điểm công suất cực đại pin quang điện
• 2.5.1. Phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch
• 2.5.2. Phương pháp tỷ lệ dòng điện ngắn mạch
• 2.5.3. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturb and Observe)
• 2.5.4. Các thuật toán theo nguyên lý leo đồi khác (Other hill climbing)
• 2.6. Các bộ chuyển đổi DC – DC
• 2.6.1. Mạch tăng-giảm áp (Buck-Boost converter)
• 3. CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG GIẢI THUẬT
• 3.1. Cơ sở đề xuất giải thuật mới
• 3.2. Phương pháp tiếp cận
• 3.2.1. Xác định dòng điện ISC
• 3.2.2. Xác định độ rộng xung D
• 3.3. Đề xuất giải pháp xác định GMPP
• 3.3.1. Xác định các thông số tại các trả đầu tiên
• 3.3.2. Xác định điện áp Vmp tại các các trả còn lại
• 3.3.3. Xác định dòng điện Imp tại các các trả còn lại
• 3.3.4. Đề xuất giải thuật
• 4. CHƯƠNG 4: ĐẶT XUẤT MÔ HÌNH THỰC NGHIỆM
• 4.1. Mô hình thí nghiệm với mạch Buck-Boost
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM
• 5.1. Thông số tấm pin quang điện được sử dụng
• 5.2. Các trường hợp thí nghiệm
• 5.3. Kết quả thí nghiệm
• 5.3.1. Kết quả mô phỏng
• 5.3.2. Kết quả thực nghiệm
• 6. CHƯƠNG 6: SO SÁNH VÀI GIẢI THUẬT TRƯỚC ĐÂY
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan Giới thiệu Giải thuật MPPT và ứng dụng

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là pin quang điện, đóng vai trò quan trọng trong quá trình chuyển đổi sang nền kinh tế xanh. Hệ thống điện mặt trời với thuật toán MPPT tiên tiến, linh hoạt thích ứng với điều kiện thời tiết, đảm bảo hiệu suất cao và cung cấp điện sạch, ổn định. Bộ chuyển đổi điện áp và thuật toán MPPT tối ưu hóa công suất, khai thác hiệu quả năng lượng mặt trời, kể cả trong điều kiện ánh sáng yếu. Tích hợp bộ chuyển đổi và MPPT, hệ thống không chỉ tạo ra điện năng sạch mà còn tối ưu hóa hiệu suất, mang đến giải pháp năng lượng bền vững cho tương lai. Để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động trong môi trường ánh sáng và nhiệt độ biến đổi, hệ thống cần áp dụng thuật toán MPPT điều khiển bộ biến tần hoạt động ở điểm làm việc tối ưu, nâng cao hiệu quả tổng thể. Các giải thuật MPPT cải tiến được nghiên cứu và phát triển liên tục nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống.

1.1. Tầm quan trọng của Maximum Power Point Tracking MPPT

Trong bối cảnh năng lượng tái tạo ngày càng được chú trọng, việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống pin quang điện là vô cùng quan trọng. MPPT (Maximum Power Point Tracking) đóng vai trò then chốt trong việc trích xuất công suất tối đa từ tấm pin mặt trời, giúp tăng hiệu quả sử dụng năng lượng và giảm chi phí đầu tư. Việc nghiên cứu và phát triển các giải thuật MPPT mới, đặc biệt trong điều kiện khắc nghiệt, là một yêu cầu cấp thiết. Theo tài liệu [1], PV được dự kiến đáp ứng 25% nhu cầu điện của thế giới vào năm 2050, nhấn mạnh vai trò của công nghệ này.

1.2. Thách thức từ Bóng râm cục bộ trong hệ thống PV

Bóng râm cục bộ là một trong những yếu tố chính làm giảm hiệu suất của hệ thống pin quang điện. Khi một phần của tấm pin mặt trời bị che khuất, nó sẽ tạo ra nhiều điểm công suất cực đại, khiến các thuật toán MPPT thông thường dễ bị mắc kẹt tại các điểm công suất cực đại cục bộ (LMPP) thay vì điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP). Do đó, việc phát triển các giải thuật MPPT có khả năng vượt qua thách thức này là vô cùng quan trọng để đảm bảo hiệu suất tối ưu cho hệ thống. Các thuật toán MPPT cần tìm kiếm điểm Pmax toàn cục.

II. Vì sao Bóng râm cục bộ ảnh hưởng hệ Pin quang điện

Bóng râm cục bộ gây ra những ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của hệ thống pin quang điện. Sự che phủ không đồng đều trên bề mặt tấm pin mặt trời tạo ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMPP), làm sai lệch đường cong P-V và khiến các thuật toán MPPT truyền thống gặp khó khăn trong việc xác định điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP). Điều này dẫn đến việc hệ thống không thể khai thác tối đa năng lượng từ mặt trời, gây lãng phí và giảm hiệu quả đầu tư. Ngoài ra, bóng râm cục bộ còn có thể gây ra hiện tượng điểm nóng (hotspot), làm giảm tuổi thọ của pin quang điện.

2.1. Ảnh hưởng đến Đường cong P V và Đường cong I V

Bóng râm cục bộ làm thay đổi đáng kể đường cong P-V và đường cong I-V của hệ thống pin quang điện. Thay vì một đỉnh duy nhất, đường cong P-V xuất hiện nhiều đỉnh cục bộ, tương ứng với các điểm LMPP. Điều này khiến các thuật toán MPPT truyền thống, như Perturb and Observe (P&O) hoặc Incremental Conductance (IncCond), dễ dàng bị mắc kẹt tại các đỉnh cục bộ này, bỏ lỡ GMPP. Việc phân tích kỹ lưỡng đường cong P-V và đường cong I-V trong điều kiện bóng râm cục bộ là rất quan trọng để phát triển các giải thuật MPPT hiệu quả.

2.2. Nguy cơ gây ra hiện tượng Điểm nóng Hotspot

Bóng râm cục bộ không chỉ làm giảm hiệu suất mà còn có thể gây ra hiện tượng điểm nóng (hotspot) trên tấm pin mặt trời. Khi một phần của tấm pin bị che khuất, nó sẽ trở thành tải và tiêu thụ năng lượng từ các phần còn lại. Điều này dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ cục bộ, gây hư hỏng và giảm tuổi thọ của tấm pin. Các giải thuật MPPT tiên tiến cần tích hợp khả năng phát hiện và giảm thiểu nguy cơ điểm nóng để bảo vệ hệ thống pin quang điện.

2.3. Giảm hiệu suất pin mặt trời do bóng râm cục bộ

Một phần nhỏ của tấm pin bị che bóng cũng có thể làm giảm đáng kể hiệu suất toàn hệ thống. Hiệu suất pin mặt trời giảm do sự chênh lệch dòng điện và điện áp giữa các cell. Giải thuật MPPT cần phải tìm ra điểm hoạt động tối ưu để bù đắp sự suy giảm này. Theo [9-12], nhiệt độ pin và bức xạ mặt trời ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất, càng làm vấn đề trở nên phức tạp hơn.

III. Giải pháp MPPT mới Cách tiếp cận và cơ sở lý thuyết

Để giải quyết các vấn đề do bóng râm cục bộ gây ra, các giải thuật MPPT mới đã được phát triển dựa trên nhiều cách tiếp cận khác nhau. Một số giải thuật MPPT cải tiến sử dụng các phương pháp thông minh, như thuật toán di truyền, giải thuật PSO, mạng nơ-ron, để tìm kiếm GMPP một cách hiệu quả. Các phương pháp khác tập trung vào việc phân tích đường cong P-V và đường cong I-V để xác định các đặc điểm quan trọng và đưa ra các quyết định điều khiển phù hợp. Ngoài ra, cũng có những giải thuật MPPT kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau để đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao nhất. Các phương pháp MPPT có thể chia làm hai loại chính: i) cho hệ thống lý tưởng và ii) cho hệ thống có bóng che (PSC).

3.1. Các Thuật toán MPPT thông minh AI PSO Genetic

Các thuật toán MPPT thông minh, như thuật toán di truyền, giải thuật PSO (Particle Swarm Optimization), và mạng nơ-ron, có khả năng học hỏi và thích nghi với các điều kiện khác nhau, giúp chúng tìm kiếm GMPP một cách hiệu quả hơn trong môi trường bóng râm cục bộ. Tuy nhiên, các thuật toán này thường đòi hỏi chi phí tính toán cao và thời gian hội tụ lâu hơn so với các phương pháp truyền thống. Do đó, việc lựa chọn thuật toán phù hợp cần cân nhắc kỹ lưỡng giữa hiệu suất và độ phức tạp. Cần nghiên cứu thuật toán MPPT thông minh.

3.2. Phân tích Đường cong P V Xác định đặc điểm quan trọng

Phân tích đường cong P-V là một cách tiếp cận quan trọng để phát triển các giải thuật MPPT hiệu quả trong điều kiện bóng râm cục bộ. Bằng cách xác định các đặc điểm quan trọng của đường cong P-V, như số lượng và vị trí của các đỉnh cục bộ, thuật toán có thể đưa ra các quyết định điều khiển thông minh để tìm kiếm GMPP. Việc sử dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và học máy có thể giúp tự động hóa quá trình phân tích và tăng độ chính xác. Cần xác định vị trí điểm Pmax cục bộ.

3.3. Kết hợp kỹ thuật Giải pháp hiệu quả và tin cậy

Nhiều giải thuật MPPT tiên tiến kết hợp nhiều kỹ thuật khác nhau để đạt được hiệu suất và độ tin cậy cao nhất trong điều kiện bóng râm cục bộ. Ví dụ, một số thuật toán kết hợp phương pháp tìm kiếm toàn cục (global search) với phương pháp tìm kiếm cục bộ (local search) để vừa đảm bảo tìm được GMPP vừa tăng tốc độ hội tụ. Việc kết hợp các kỹ thuật khác nhau giúp tận dụng ưu điểm của từng phương pháp và giảm thiểu các hạn chế. Điều này có thể kể đến điều khiển thích nghi MPPT.

IV. Phương pháp Giải thuật MPPT Cải tiến

Bài viết này giới thiệu một phương pháp GMPPT dựa trên hành vi của đường cong I-V dưới điều kiện PSC. Kết hợp ước tính chính xác LMPP và các thuật toán Perturb and Observe (P&O) truyền thống, giải pháp đơn giản, hiệu quả, dễ thực hiện, cải thiện hiệu suất và tăng tốc độ hội tụ. So sánh kết quả với thuật toán thông minh khác như Modified Incremental Conductance (MInC), Adaptive Jaya (Ajaya), chứng minh ưu điểm vượt trội về hiệu suất MPPT và thời gian tìm kiếm.

4.1. Tiếp cận theo đường cong I V

Phương pháp tiếp cận dựa trên đường cong I-V tập trung vào việc phân tích hình dạng và đặc điểm của đường cong này để xác định vị trí của GMPP. Dưới điều kiện bóng râm cục bộ, đường cong I-V thường có nhiều điểm uốn và thay đổi độ dốc, cung cấp thông tin quan trọng về vị trí của GMPP. Bằng cách phân tích các điểm này, thuật toán có thể đưa ra các quyết định điều khiển chính xác hơn để tìm kiếm GMPP. Việc này giúp tăng độ chính xác của điểm công suất cực đại.

4.2. Kết hợp ước tính LMPP và thuật toán P O

Phương pháp đề xuất kết hợp khả năng ước tính chính xác LMPP với các thuật toán P&O truyền thống. Đầu tiên, thuật toán ước tính vị trí của các LMPP bằng cách phân tích đường cong I-V. Sau đó, thuật toán P&O được sử dụng để tìm kiếm GMPP trong vùng lân cận của các LMPP này. Sự kết hợp này giúp tăng tốc độ hội tụ và giảm nguy cơ mắc kẹt tại các LMPP không mong muốn. Có thể sử dụng giải thuật leo đồi để tối ưu.

V. Ứng dụng thực tiễn và kết quả nghiên cứu Giải thuật MPPT

Các giải thuật MPPT mới đã được ứng dụng trong nhiều hệ thống thực tế, từ các hệ thống nhỏ trên mái nhà đến các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các thuật toán này có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống trong điều kiện bóng râm cục bộ. Tuy nhiên, việc triển khai các thuật toán này cũng đòi hỏi sự điều chỉnh và tối ưu hóa cho từng ứng dụng cụ thể để đạt được hiệu quả tốt nhất. Có thể sử dụng mô phỏng hệ thống PV.

5.1. Thí nghiệm trên hệ thống điện mặt trời thực tế

Để đánh giá hiệu quả của các giải thuật MPPT mới, các nhà nghiên cứu đã thực hiện nhiều thí nghiệm trên hệ thống điện mặt trời thực tế. Các thí nghiệm này thường được tiến hành trong các điều kiện bóng râm cục bộ khác nhau để mô phỏng các tình huống thực tế. Kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các thuật toán mới có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống, đặc biệt là trong các điều kiện khắc nghiệt. Cần đánh giá độ tin cậy hệ thống PV.

5.2. So sánh với các phương pháp MPPT truyền thống

Để chứng minh tính ưu việt của các giải thuật MPPT mới, các nhà nghiên cứu thường so sánh chúng với các phương pháp MPPT truyền thống, như P&O hoặc IncCond. Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng các thuật toán mới có thể đạt được hiệu suất cao hơn, tốc độ hội tụ nhanh hơn và độ tin cậy tốt hơn so với các phương pháp truyền thống. Cần đánh giá kỹ thuật MPPT.

5.3. Mô phỏng và kiểm chứng kết quả

Để đánh giá hiệu quả của các giải thuật MPPT một cách toàn diện, việc mô phỏng hệ thống PV là rất quan trọng. Mô phỏng hệ thống PV cho phép chúng ta kiểm tra hiệu suất của thuật toán trong các điều kiện khác nhau và so sánh với các thuật toán khác. Các phần mềm mô phỏng hệ thống PV, như Matlab/Simulink và PVsyst, cung cấp công cụ mạnh mẽ để phân tích và đánh giá hiệu quả của các giải thuật MPPT mới.

VI. Kết luận và hướng phát triển Giải thuật MPPT Tương lai

Các giải thuật MPPT mới mang lại tiềm năng lớn để cải thiện hiệu suất của hệ thống pin quang điện trong điều kiện bóng râm cục bộ. Tuy nhiên, việc phát triển các thuật toán này vẫn còn nhiều thách thức, đặc biệt là trong việc giảm chi phí tính toán và tăng độ tin cậy. Các hướng nghiên cứu tương lai tập trung vào việc phát triển các thuật toán thông minh hơn, có khả năng thích nghi với các điều kiện khác nhau và giảm thiểu tác động của bóng râm cục bộ. Ngoài ra, việc tích hợp các thuật toán MPPT với các hệ thống giám sát và điều khiển thông minh cũng là một hướng đi tiềm năng. Việc ứng dụng năng lượng tái tạo là xu thế tất yếu.

6.1. Thách thức và cơ hội phát triển MPPT thích nghi

Việc phát triển các giải thuật MPPT thích nghi là một thách thức lớn, nhưng cũng mang lại nhiều cơ hội. Các thuật toán thích nghi có khả năng tự động điều chỉnh các tham số điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất trong các điều kiện khác nhau. Việc sử dụng các kỹ thuật học máy và trí tuệ nhân tạo có thể giúp phát triển các thuật toán thích nghi hiệu quả hơn. Có thể sử dụng mạng nơ-ron.

6.2. Tích hợp với hệ thống giám sát và điều khiển thông minh

Việc tích hợp các giải thuật MPPT với các hệ thống giám sát và điều khiển thông minh có thể mang lại nhiều lợi ích, như khả năng giám sát hiệu suất hệ thống từ xa, phát hiện sớm các vấn đề và tự động điều chỉnh các tham số điều khiển. Việc sử dụng Internet of Things (IoT) và các công nghệ đám mây có thể giúp xây dựng các hệ thống giám sát và điều khiển thông minh hiệu quả. Đây là hướng đi của năng lượng mặt trời.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, đang trở thành nguồn năng lượng chủ đạo trong xu hướng phát triển bền vững toàn cầu. Theo ước tính, đến năm 2050, năng lượng mặt trời sẽ đáp ứng khoảng 25% nhu cầu điện toàn cầu, tương đương 8500 GW, đồng thời góp phần giảm phát thải carbon lên đến 21% (4,9 Gt CO2). Hệ thống pin quang điện (PV) với các bộ biến đổi và thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) tiên tiến đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và cung cấp nguồn điện sạch, ổn định.

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với các thuật toán MPPT là xác định được điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT) trong điều kiện bóng râm cục bộ (PSC). Khi đó, đặc tính công suất-điện áp (P-V) và dòng điện-điện áp (I-V) của hệ thống PV xuất hiện nhiều điểm công suất cực đại cục bộ (LMPP), khiến các thuật toán truyền thống dễ bị mắc kẹt và không đạt hiệu suất tối ưu. Nghiên cứu này nhằm phát triển một thuật toán MPPT cải tiến, kết hợp giữa phương pháp dự đoán điểm công suất cực đại tiềm năng và thuật toán Perturb and Observe (P&O), nhằm nâng cao độ chính xác và tốc độ hội tụ trong điều kiện PSC.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống pin quang điện áp mái quy mô nhỏ và vừa tại Việt Nam, với thời gian thực hiện từ tháng 3/2023 đến tháng 6/2024. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời, giảm chi phí vận hành và tăng tính ổn định cho các hệ thống PV trong điều kiện thực tế có bóng râm.

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 mạch điện lý tưởng của pin quang điện: Mô hình mạch tương đương gồm nguồn dòng điện, đi-ốt, điện trở nối tiếp và điện trở song song, mô tả đặc tính I-V và P-V của tấm pin dưới các điều kiện ánh sáng và nhiệt độ khác nhau.

• Thuật toán MPPT truyền thống: Phương pháp Perturb and Observe (P&O) và các thuật toán leo đồi khác như Incremental Conductance (InCond), được sử dụng để theo dõi điểm công suất cực đại trong điều kiện ánh sáng đồng nhất.

• Phân tích đặc tính I-V và P-V trong điều kiện bóng râm cục bộ (PSC): Hiện tượng PSC tạo ra nhiều điểm công suất cực đại cục bộ trên đặc tính P-V, gây khó khăn cho việc xác định GMPPT.

• Mạch biến đổi DC-DC Buck-Boost: Được sử dụng để điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra của hệ thống PV, hỗ trợ thuật toán MPPT trong việc điều khiển điểm làm việc của tấm pin.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT), điểm công suất cực đại cục bộ (LMPP), dòng điện ngắn mạch (Isc), điện áp hở mạch (Voc), chu kỳ làm việc (Duty cycle) của bộ biến đổi.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu được thu thập từ mô hình mô phỏng trên phần mềm PSIM và thí nghiệm thực tế với hệ thống pin quang điện áp mái quy mô nhỏ tại phòng thí nghiệm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Hệ thống PV gồm nhiều chuỗi tấm pin song song, được khảo sát dưới các điều kiện ánh sáng và bóng râm khác nhau để đánh giá hiệu quả thuật toán.

• Phương pháp phân tích: Thuật toán MPPT hai giai đoạn được xây dựng dựa trên việc xác định các điểm công suất cực đại tiềm năng thông qua phân tích đặc tính I-V và P-V, sau đó sử dụng thuật toán P&O để xác định chính xác GMPPT. Các tham số như Voc, Isc, Vmp, Imp được xác định bằng phương pháp CC (Constant Current) và CV (Constant Voltage) không làm gián đoạn nguồn cung cấp điện.

• Timeline nghiên cứu:

  • 03/2023 – 03/2023: Xác định đề tài và liên hệ hướng dẫn
  • 04/2023 – 07/2023: Nghiên cứu lý thuyết và tổng quan tài liệu
  • 08/2023 – 12/2023: Mô phỏng và kiểm tra thuật toán trên phần mềm
  • 12/2023 – 04/2024: Thí nghiệm thực tế và thu thập dữ liệu
  • 05/2024 – 06/2024: Phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Xác định chính xác các điểm công suất cực đại tiềm năng (MPP) trong điều kiện PSC:
   Thuật toán dự đoán dựa trên việc xác định điện áp hở mạch (Voc) và dòng điện ngắn mạch (Isc) của từng tấm pin trong chuỗi, kết hợp với việc chia nhỏ vùng tìm kiếm giúp xác định nhanh các điểm MPP tiềm năng. Kết quả mô phỏng cho thấy sai số điện áp tại các điểm MPP giảm xuống dưới 2%, tăng độ chính xác so với các phương pháp truyền thống.

2. Tăng tốc độ hội tụ và giảm thời gian tìm kiếm GMPPT:
   So sánh với các thuật toán thông minh như Modified Incremental Conductance (MInC), Adaptive Jaya (Ajaya) và Jaya, thuật toán đề xuất đạt hiệu suất MPPT trên 99% với thời gian tìm kiếm GMPPT trung bình chỉ khoảng 0,13 giây, nhanh hơn từ 30% đến 50% so với các thuật toán so sánh.

3. Giảm thiểu ảnh hưởng của bóng râm lên hiệu suất hệ thống:
   Thuật toán kết hợp đo lường dòng Isc và điện áp Voc liên tục giúp phát hiện nhanh hiện tượng bóng râm và điều chỉnh điểm làm việc phù hợp, qua đó duy trì hiệu suất khai thác năng lượng trên 98% trong các điều kiện ánh sáng không đồng nhất.

4. Tính ổn định và linh hoạt cao:
   Thuật toán hoạt động hiệu quả trên các hệ thống PV có công suất vừa và nhỏ, phù hợp với các ứng dụng áp mái dân dụng và thương mại. Kết quả thí nghiệm thực tế cho thấy độ lệch công suất so với giá trị lý thuyết dưới 1,5%, đảm bảo tính ổn định trong vận hành.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thuật toán đạt hiệu quả cao là do việc kết hợp giữa dự đoán điểm MPP tiềm năng dựa trên đặc tính I-V và P-V với thuật toán P&O truyền thống, giúp tránh được việc mắc kẹt tại các điểm LMPP. Việc xác định chính xác các tham số Voc và Isc không làm gián đoạn nguồn điện, giúp duy trì hoạt động liên tục của hệ thống.

So với các nghiên cứu trước đây, thuật toán này giảm đáng kể thời gian tìm kiếm GMPPT và tăng độ chính xác, đồng thời đơn giản hơn trong triển khai do không yêu cầu các cảm biến phức tạp hay tính toán quá tải. Kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh hiệu suất MPPT và thời gian hội tụ giữa các thuật toán, cũng như bảng số liệu chi tiết về sai số điện áp và dòng điện tại các điểm MPP.

Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp giải pháp MPPT hiệu quả, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng mặt trời, giảm chi phí vận hành và tăng tính bền vững cho các hệ thống PV.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán MPPT hai giai đoạn trên các hệ thống PV áp mái quy mô nhỏ và vừa:
   Động từ hành động: Áp dụng; Target metric: Tăng hiệu suất khai thác năng lượng trên 98%; Timeline: Trong vòng 12 tháng; Chủ thể thực hiện: Các nhà đầu tư và đơn vị lắp đặt hệ thống PV.

2. Phát triển phần mềm điều khiển tích hợp thuật toán MPPT cải tiến:
   Động từ hành động: Phát triển; Target metric: Giảm thời gian tìm kiếm GMPPT xuống dưới 0,15 giây; Timeline: 6 tháng; Chủ thể thực hiện: Các công ty công nghệ và nghiên cứu.

3. Nâng cao đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ thuật viên vận hành hệ thống PV:
   Động từ hành động: Đào tạo; Target metric: Tăng tỷ lệ vận hành ổn định và giảm sự cố do bóng râm; Timeline: 1 năm; Chủ thể thực hiện: Các trường đại học, trung tâm đào tạo kỹ thuật.

4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục cải tiến thuật toán MPPT kết hợp trí tuệ nhân tạo và học máy:
   Động từ hành động: Khuyến khích; Target metric: Tăng độ chính xác và khả năng thích ứng với điều kiện môi trường phức tạp; Timeline: 2-3 năm; Chủ thể thực hiện: Các viện nghiên cứu và trường đại học.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo:
   Lợi ích: Hiểu sâu về thuật toán MPPT và mô hình hệ thống PV trong điều kiện bóng râm; Use case: Phát triển đề tài nghiên cứu, luận văn thạc sĩ, tiến sĩ.

2. Các kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống PV:
   Lợi ích: Áp dụng thuật toán MPPT cải tiến để nâng cao hiệu suất hệ thống; Use case: Tối ưu hóa vận hành hệ thống PV áp mái dân dụng và thương mại.

3. Các nhà sản xuất và cung cấp thiết bị biến đổi điện DC-DC:
   Lợi ích: Tích hợp thuật toán MPPT vào bộ điều khiển biến đổi điện; Use case: Phát triển sản phẩm biến đổi điện hiệu suất cao, linh hoạt.

4. Các nhà hoạch định chính sách và doanh nghiệp năng lượng tái tạo:
   Lợi ích: Đánh giá hiệu quả công nghệ MPPT trong phát triển năng lượng mặt trời; Use case: Lập kế hoạch đầu tư, chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng sạch.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán MPPT cải tiến này có ưu điểm gì so với các thuật toán truyền thống?
   Thuật toán kết hợp dự đoán điểm MPP tiềm năng và P&O giúp xác định chính xác GMPPT trong điều kiện bóng râm, giảm thời gian tìm kiếm xuống khoảng 0,13 giây, nhanh hơn 30-50% so với các thuật toán truyền thống như MInC hay Jaya.

2. Việc xác định điện áp hở mạch (Voc) và dòng ngắn mạch (Isc) có làm gián đoạn nguồn điện không?
   Phương pháp xác định Voc và Isc trong nghiên cứu sử dụng kỹ thuật CC và CV không ngắt nguồn điện, giúp duy trì hoạt động liên tục của hệ thống, tránh giảm hiệu suất phát điện trong quá trình đo.

3. Thuật toán có phù hợp với các hệ thống PV quy mô lớn không?
   Thuật toán được thiết kế chủ yếu cho hệ thống quy mô nhỏ và vừa, tuy nhiên có thể mở rộng với điều chỉnh phù hợp. Đối với hệ thống lớn, cần nghiên cứu thêm về khả năng mở rộng và tối ưu hóa thuật toán.

4. Làm thế nào để phát hiện và xử lý hiện tượng bóng râm cục bộ trong hệ thống PV?
   Thuật toán sử dụng việc so sánh dòng điện tại các điểm MPP tiềm năng và phân tích đặc tính I-V để phát hiện bóng râm, từ đó điều chỉnh điểm làm việc nhằm duy trì hiệu suất tối ưu.

5. Thuật toán có yêu cầu phần cứng đặc biệt nào không?
   Thuật toán không yêu cầu cảm biến phức tạp mà chủ yếu dựa trên các thông số điện áp và dòng điện có thể đo bằng các cảm biến tiêu chuẩn, giúp giảm chi phí và dễ dàng triển khai trên các bộ điều khiển hiện có.

Kết luận

• Đã phát triển thành công thuật toán MPPT hai giai đoạn kết hợp dự đoán điểm MPP tiềm năng và thuật toán P&O, nâng cao độ chính xác và tốc độ hội tụ trong điều kiện bóng râm cục bộ.
• Thuật toán đạt hiệu suất MPPT trên 99% với thời gian tìm kiếm GMPPT trung bình khoảng 0,13 giây, vượt trội so với các thuật toán thông minh hiện có.
• Phương pháp xác định Voc và Isc không làm gián đoạn nguồn điện, đảm bảo vận hành liên tục và ổn định cho hệ thống PV.
• Kết quả mô phỏng và thí nghiệm thực tế chứng minh tính khả thi và hiệu quả của thuật toán trên các hệ thống PV quy mô nhỏ và vừa.
• Đề xuất triển khai ứng dụng thuật toán trong thực tế, đồng thời khuyến khích nghiên cứu tiếp tục cải tiến và mở rộng cho các hệ thống quy mô lớn hơn.

Áp dụng thuật toán trong các dự án PV thực tế, phát triển phần mềm điều khiển tích hợp, và đào tạo kỹ thuật viên vận hành để nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

B GI O D C V OT O TR NG IH CS PH M K THU T TH NH PH H CH MINH LU N V N TH C S PH M V H NG NGHI X Y D NG GI I THU T M I D T M I M C NG SU T C C I TO N C C C A H TH NG PIN QUANG I N luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat NG NH K THU T I N TP. H Ch Minh, th ng 7/2024 Bà GIÁO DĀC VÀ ĐÀO T¾O TR¯âNG Đ¾I HàC S¯ PH¾M KĀ THU¾T THÀNH PHà HÞ CHÍ MINH LU¾N VN TH¾C SĨ PH¾M VÕ HÞNG NGHI XÂY DþNG GIÀI THU¾T MàI DÒ TÌM ĐIÞM CÔNG SUÂT CþC Đ¾I TOÀN CþC CĀA Hà THàNG PIN QUANG ĐIàN luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat NGÀNH: KĀ THU¾T ĐIàN - 2230604 H°ßng d¿n khoa học: PGS. TR¯¡NG VIëT ANH LâI CÀM ¡N Xin chân thành c¿m ¢n PGS.TS Tr°¢ng Vißt Anh đã hß trÿ vÁ mÁt cá vÁn khoa học và phòng thí nghißm C201 (Hß tháng đißn và năng l°ÿng tái t¿o) đã giúp đỡ và hß trÿ đà nghiên cÿu này đ°ÿc hoàn thành và chánh chu vÁ mÁt khoa học l¿n hình thÿc. Ngoài ra, tôi xin c¿m ¢n gia đình, b¿n bè và quý thầy cô trong bá môn Đißn công nghißp, khoa Đißn-Đißn Tử và phòng đào t¿o sau đ¿i học đã hß trÿ trong suát thái gian nghiên cÿu và học tÁp t¿i tr°áng đ¿i học S° Ph¿m Kỹ ThuÁt Thành Phá Hồ Chí Minh.

luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat i LâI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nhÿng gì đ°ÿc tôi trình bày trong luÁn văn này là k¿t qu¿ căa tôi nghiên cÿu. Các sá lißu và k¿t qu¿ đ°ÿc công bá trong nghiên cÿu này ch°a đ°ÿc công bá và không trùng lÁp vßi nhÿng công bá tr°ßc đó. Hồ Chí Minh, ngày 22 tháng 08 năm 2024 (Ký tên và ghi rõ họ tên) Ph¿m Võ Hồng Nghi luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat ii TOM TT Thách thÿc lßn nhÁt mà các thuÁt toán theo dõi điÃm công suÁt cāc đ¿i (MPPT) ph¿i đái mÁt là đ¿t đ°ÿc điÃm công suÁt cāc đ¿i toàn cāc (GMPPT) trong điÁu kißn bóng râm cāc bá (PSC). Trong tình huáng này, các đ°áng đÁc tính công suÁt-đißn áp (P- V) và dòng đißn-đißn áp (I-V) căa hß tháng quang đißn (PV) t¿o ra nhiÁu điÃm công suÁt cāc đ¿i, khi¿n các thuÁt toán th°áng bã m¿c kẹt t¿i các điÃm công suÁt cāc đ¿i cāc bá (LMPP).

Bài vi¿t này gißi thißu mát ph°¢ng pháp GMPPT dāa trên hành vi căa đ°áng cong I-V d°ßi điÁu kißn PSC. Sā k¿t hÿp giÿa kh¿ năng °ßc tính chính xác LMPP và các thuÁt toán <NhiÅu loan và Quan sát= (P&O) truyÁn tháng t¿o nên mát gi¿i pháp đ¢n gi¿n, hißu qu¿, dÅ thāc hißn, c¿i thißn hißu suÁt và tăng tác đá hái tā. Khi so sánh k¿t qu¿ vßi các thuÁt toán thông minh khác nh° thuÁt toán <Đá d¿n tăng dần c¿i ti¿n= (MInC), <Jaya thích nghi= (Ajaya) và Jaya, thuÁt toán đÁ xuÁt đã chÿng minh đ°ÿc nhÿng °u điÃm v°ÿt trái vÁ hißu suÁt MPPT và thái gian tìm ki¿m luan van trong cùngthac sithửBảo điÁu kißn mật luan an tien si hay nhat nghißm iii ABSTRACT The most significant challenge faced by maximum power point tracking (MPPT) algorithms is achieving the global maximum power point (GMPPT) under partial shading conditions (PSC). In such situations, the power-voltage (P-V) and current- voltage (I-V) characteristic curves of photovoltaic (PV) systems produce multiple maximum power points, often causing the algorithms to become stuck at local maximum power points (LMPP).

This paper introduces a GMPPT method based on the behavior of the I-V curve under PSC. Combining the accurate estimation of LMPP with traditional Perturb and Observe (P&O) algorithms results in a solution that is simple, effective, and easy to implement, enhancing performance and increasing convergence speed. When comparing the results with other intelligent algorithms such as the Modified Incremental Conductance (MInC), Adaptive Jaya (Ajaya), and Jaya, the proposed algorithm has demonstrated superior advantages in MPPT luan van thac performance si Bảo and search mật time under the luan same testan tien si hay nhat conditions. iv MĀC LĀC LàI CKM ¡N.

i LàI CAM ĐOAN. viii DANH S䄃ĀCH C䄃ĀC HKNH. ix DANH S䄃ĀCH C䄃ĀC BKNG .x CH¯¡NG 1: TàNG QUAN .2 Các h°ßng đã nghiên cÿu tr°ßc đây .3 vanTính thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat cÁp thi¿t căa đÁ tài.4 Māc tiêu căa nghiên cÿu .5 Đái t°ÿng và ph¿m vi nghiên cÿu .7 Ph°¢ng pháp nghiên cÿu .8 Đóng góp chính căa luÁn văn .9 K¿ ho¿ch thāc hißn .8 CH¯¡NG 2: C¡ S« L[ THUYËT .1 Tổng quan vÁ pin mÁt trái (PV) .2 Mô hình toán pin PV .1 Mô hình lý t°ởng .2 Mô hình thāc t¿ .3 Các y¿u tá ¿nh h°ởng đ¿n đÁc tuy¿n căa pin quang đißn.3 Bài toán dò điÃm công suÁt cāc đ¿i căa pin quang đißn (Maximum Power Point Tracking – MPPT) .4 Các ph°¢ng pháp kinh điÃn tìm điÃm công suÁt cāc đ¿i pin quang đißn .1 Ph°¢ng pháp tỷ lß đißn áp hở m¿ch.2 Ph°¢ng pháp tỷ lß dòng đißn ng¿n m¿ch .3 Ph°¢ng pháp nhiÅu lo¿n và quan sát (Perturb and Observe). Các thuÁt toán theo nguyên lý leo đồi khác (Other <hill climbing=) .5 Các bá chuyÃn đổi DC – DC .27 luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat 2.3 M¿ch tăng-gi¿m áp (Buck-Boost converter) .27 CH¯¡NG 3: XÂY DþNG GIÀI THU¾T.1 C¢ sở đÁ xuÁt gi¿i thuÁt mßi .2 Ph°¢ng pháp ti¿p cÁn .2 Xác đãnh dòng đißn ISC .3 Xác đãnh đá ráng xung D .3 ĐÁ xuÁt gi¿i pháp xác đãnh GMPP .1 Xác đãnh các thông sá t¿i cāc trã đầu tiên .2 Xác đãnh đißn áp Vmp t¿i các cāc trã còn l¿i .3 Xác đãnh dòng đißn Imp t¿i các cāc trã còn l¿i .4 ĐÁ xuÁt gi¿i thuÁt .38 vi CH¯¡NG 4: ĐÞ XUÂT MÔ HÌNH THþC NGHIàM .1 Mô hình thí nghißm vßi m¿ch Buck-Boost .44 CH¯¡NG 5: KËT QUÀ THÍ NGHIàM .1 Thông sá tÁm pin quang đißn đ°ÿc sử dāng.2 Các tr°áng hÿp thí nghißm .3 K¿t qu¿ thí nghißm .1 K¿t qu¿ mô phßng .2 K¿t qu¿ thāc nghißm .53 CH¯¡NG 6: SO SÁNH VàI CÁC GIÀI THU¾T TR¯àC ĐÂY .59 CH¯¡NG 7: KËT LU¾N VÀ H¯àNG PHÁT TRIÞN .2 H°ßng phát triÃn .65 luan TÀIvan LIëUthac si Bảo THAM KHKO mật luan an tien si hay nhat 66.

vii DANH MþC T¯ VIËT TT PV (<Photovoltaic=). luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat viii DANH S䄃ĀCH C䄃ĀC HÌNH Hình 1.1: ĐÁc tính P-V trong điÁu kißn năng l°ÿng mÁt trái đồng nhÁt (USC) và điÁu kißn năng l°ÿng mÁt trái không đồng đÁu (NUSC) cho m¿ng PV.1: Mô hình lý t°ởng căa t¿ bào quang đißn.2: Đồ thã Ampere-Volt lý t°ởng căa pin mÁt trái.3: Mô hình phần tử t¿ bào quang đißn.4: ĐÁc tuy¿n I - V thāc t¿ căa pin mÁt trái.5: Knh h°ởng căa nhißt đá và bÿc x¿ đ¿n đÁc tuy¿n pin mÁt trái (a) nhißt đá; (b) Bÿc x¿.6: Mô hình t°¢ng đ°¢ng đ¢n gi¿n căa pin quang đißn k¿t nái t¿i.7: ĐiÃm vÁn hành trên đÁc tuy¿n Ampere-Volt căa pin mÁt trái.8: S¢ đồ k¿t nái bá bi¿n đổi DC-DC căa pin mÁt trái.9: ĐÁc điÃm căa tÁm pin mÁt trái hiÃn thã MPP và điÃm vÁn hành A và B. 20 luan van Hình 2.10:thac L°u đồ si Bảo thuÁt mật toán P&O luan an tien si hay nhat 21 .11: Đ°áng cong hiÃn thã vißc theo dõi sai MPP bằng thuÁt toán P&O d°ßi mÿc bÿc x¿ thay đổi nhanh chóng.12: (a) Bá chuyÃn đổi Buck c¢ b¿n không có bÁt kỳ bá lọc nào; (b) d¿ng sóng chuyÃn m¿ch ch°a đ°ÿc lọc đ°ÿc t¿o ra bởi bá chuyÃn đổi này.13: (a) Bá chuyÃn đổi Buck có bá lọc; (b) bá chuyÃn đổi Boost.14: S¢ đồ nguyên lý m¿ch Buck-Boost .1: S¢ đồ hình khái thà hißn thí nghißm đÁ xuÁt.2: S¢ đồ nguyên lý m¿ch Buck-Boost.3: S¢ đồ m¿ch in Buck-Boost.4: S¢ đồ 3D m¿ch Buck-Boost.5: S¢ đồ thāc nghißm vßi m¿ch Buck-Boost .46 ix DANH S䄃ĀCH C䄃ĀC BÀNG BÁng 1: Thông sá tÁm PV .39 BÁng 2: Thông sá tÁm PV.47 BÁng 3: Các tr°áng hÿp thí nghißm.47 BÁng 4: Sā chênh lßch đißn áp t¿i GMPP đ°ÿc xác đãnh theo tài lißu [43] và ph°¢ng pháp đÁ xuÁt .49 BÁng 5: K¿t qu¿ mô phßng căa các tr°áng hÿp đ°ÿc kh¿o sát .51 BÁng 6: K¿t qu¿ mô phßng so sánh vßi tài lißu [61] (Pattern 1, Pattern 2, Pattern 3) .59 BÁng 7: K¿t qu¿ mô phßng so sánh vßi tài lißu [43] (Hình 7a và 7b):.61 luan van thac si Bảo mật luan an tien si hay nhat x CH¯¡NG 1: TàNG QUAN 1.1 Giái thiáu Sā ra đái căa năng l°ÿng tái t¿o, vßi pin quang đißn là mát trong nhÿng đ¿i dißn tiêu biÃu, đã đánh dÁu mát b°ßc ngoÁt quan trọng trong quá trình chuyÃn đổi sang mát nÁn kinh t¿ xanh, s¿ch. Năng l°ÿng tái t¿o, đÁc bißt là công nghß pin quang đißn, đang dần thay th¿ các nguồn năng l°ÿng truyÁn tháng, góp phần xây dāng mát t°¢ng lai bÁn vÿng cho nhân lo¿i.

Trên thāc t¿, PV dā ki¿n s¿ đáp ÿng 25% (8500 GW) nhu cầu sử dāng đißn căa th¿ gißi vào năm 2050, t°¢ng ÿng vßi mÿc gi¿m phát th¿i carbon 21% (4,9 Gt CO2)[1]. Hß tháng quang đißn, vßi bá chuyÃn đổi và thuÁt toán MPPT tiên ti¿n, linh ho¿t thích ÿng vßi các điÁu kißn thái ti¿t khác nhau, đ¿m b¿o hißu suÁt cao và cung cÁp nguồn đißn s¿ch, ổn đãnh. Nhá kh¿ năng chuyÃn đổi năng l°ÿng hißu qu¿ căa bá bi¿n đổi đißn áp và kh¿ năng tái °u hóa công suÁt căa thuÁt toán MPPT, luan vanquang hß tháng thac đißnsi Bảo ho¿t đáng mật luan bÁn bá, khai thác an tái đatien si hay nguồn năng l°ÿng nhat mÁt trái, kà c¿ trong điÁu kißn ánh sáng y¿u. Tích hÿp bá chuyÃn đổi và thuÁt toán MPPT, hß tháng quang đißn không chá t¿o ra đißn năng s¿ch mà còn tái °u hóa hißu suÁt ho¿t đáng, mang đ¿n gi¿i pháp năng l°ÿng bÁn vÿng cho t°¢ng lai [2].

Đà tái °u hóa hißu suÁt ho¿t đáng trong môi tr°áng ánh sáng và nhißt đá luôn bi¿n đáng, hß tháng cần áp dāng thuÁt toán MPPT đà điÁu khiÃn bá bi¿n tần ho¿t đáng ở điÃm làm vißc tái °u, qua đó nâng cao hißu qu¿ tổng thà căa hß tháng [3]. MÁt khác, mát sá cài đÁt có kh¿ năng bã bóng má mát phần và vÁn đÁ chính là sā xuÁt hißn căa nhiÁu MPP cāc bá (LMPP)[4, 5], d¿n đ¿n các thuÁt toán MPPT truyÁn tháng bß lỡ MPP toàn cāc (GMPP). Các thuÁt toán MPPT có thà đ°ÿc chia làm hai lo¿i chính: i) ThuÁt toán MPPT cho các hß tháng lý t°ởng hoÁc không có bóng che, tÿc là trong điÁu kißn mÁt trái đồng nhÁt (USC)[6] và ii) Các thuÁt toán MPPT cho các hß tháng có bóng che mát phần, tÿc là không đồng nhÁt điÁu kißn mÁt trái (NUSC), còn đ°ÿc gọi là điÁu 1 kißn che n¿ng mát phần (PSC) [7, 8].