Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu chuyển dịch sang các nguồn năng lượng sạch đang là xu thế tất yếu trên toàn cầu nhằm ứng phó với biến đổi khí hậu và sự suy giảm của nguồn nhiên liệu hóa thạch. Tại Việt Nam, với tiềm năng bức xạ dồi dào trung bình từ 4,5 đến 5,2 kWh/m²/ngày, Chính phủ đã ban hành Quyết định phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng xanh vào ngày 25/09/2012, tạo đòn bẩy cho hàng loạt dự án điện mặt trời quy mô lớn. Trên bình diện thế giới, nhiều công trình tiêu biểu như Nhà máy quang điện Topaz tại Mỹ với công suất 550 MW hay trang trại điện mặt trời Nam Úc công suất 330 MW đã khẳng định vị thế chiến lược của công nghệ quang điện (Photovoltaic - PV).

Tuy nhiên, việc nghiên cứu, thử nghiệm và tối ưu hóa các hệ thống điện mặt trời – đặc biệt là các giải thuật theo dõi điểm công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking - MPPT) – đang đối mặt với rào cản kỹ thuật lớn. Các đặc tính đầu ra của tấm pin phụ thuộc phi tuyến vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường, vốn là các yếu tố thời tiết khách quan không thể kiểm soát theo ý muốn trong phòng thí nghiệm. Mặt khác, giá thành tấm pin thương mại công suất lớn còn cao, tiềm ẩn rủi ro hỏng hóc thiết bị và suy giảm tuổi thọ tế bào quang điện khi thử nghiệm tải khắc nghiệt lặp lại nhiều lần.

Nhằm giải quyết triệt để vấn đề này, luận văn thạc sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu và xây dựng hệ thống mô phỏng pin quang điện" đã được thực hiện tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn từ tháng 05/2020 đến tháng 02/2021. Mục tiêu trọng tâm của nghiên cứu là thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống mô phỏng vật lý phần cứng (PV Emulator) thời gian thực, có khả năng tái lập chính xác các đường đặc tính dòng điện - điện áp (I-V) và công suất - điện áp (P-V) của tấm pin quang điện thương mại công suất 60W dưới mọi kịch bản thời tiết giả lập. Nghiên cứu mang lại ý nghĩa thực tiễn to lớn khi giúp giảm hơn 70% chi phí đầu tư thiết bị thí nghiệm trong phòng lab và rút ngắn thời gian kiểm thử giải thuật MPPT xuống dưới 5 giây cho mỗi chu kỳ đo.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Hệ thống mô phỏng pin quang điện được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết chính của ngành kỹ thuật điện và điện tử công suất:

Thứ nhất là lý thuyết chuyển hóa quang điện và mô hình tương đương tế bào bán dẫn. Pin quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong lớp chuyển tiếp p-n của chất bán dẫn silicon (hiệu thế tiếp xúc khoảng 0,6V đến 0,7V). Luận văn áp dụng mô hình mạch tương đương 1-diode năm thông số kinh điển gồm nguồn dòng quang điện, diode chỉnh lưu, điện trở nối tiếp và điện trở song song. Phương trình phi tuyến mô tả quan hệ dòng điện và điện áp được biểu diễn tổng quát:

$$I = I_{pv} - I_0 \left[ \exp\left( \frac{q(V + R_s I)}{a k T} \right) - 1 \right] - \frac{V + R_s I}{R_p}$$

Trong đó, các hằng số vật lý tiêu chuẩn bao gồm điện tích nguyên tố $q = 1,6 \cdot 10^{-19}\text{ C}$, hằng số Boltzmann $k = 1,38 \cdot 10^{-23}\text{ J/K}$, cùng hệ số lý tưởng diode $a$ nằm trong khoảng từ 1,0 đến 1,5.

Thứ hai là lý thuyết cấu trúc mạch biến đổi điện áp một chiều (DC-DC Converter). Tác giả đã tiến hành phân tích, đối chiếu ba mô hình biến đổi nguồn DC-DC phổ biến gồm mạch tăng áp (Boost), mạch giảm áp (Buck) và mạch tăng-giảm áp (Buck-Boost). Cấu trúc Buck với tỷ số chuyển đổi $V_o = D \cdot V_{in}$ ($0 \le D \le 1$) được lựa chọn làm giải pháp tối ưu vì đáp ứng chính xác dải điện áp ngõ ra từ 0V đến điện áp hở mạch, giữ chung đường tiếp địa (GND) và không bị đảo cực tính điện áp như mạch Buck-Boost.

Thứ ba là lý thuyết điều khiển tự động và kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM). Hệ thống áp dụng thuật toán điều khiển tỉ lệ - tích phân - vi phân (PID số) trên vi điều khiển để bám sát dòng điện ngõ ra thực tế với giá trị dòng điện tính toán từ mô hình toán, kết hợp tầng kích cách ly quang TLP250 điều khiển đóng cắt khóa bán dẫn MOSFET công suất.

Các khái niệm cốt lõi được định hình xuyên suốt đề tài bao gồm: Điểm công suất cực đại (MPP), Bộ theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), Điều kiện kiểm chuẩn tiêu chuẩn (STC: bức xạ $1000\text{ W/m}^2$, nhiệt độ $25^\circ\text{C}$), Điện áp hở mạch ($V_{oc}$) và Dòng điện ngắn mạch ($I_{sc}$).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu áp dụng quy trình tiếp cận kết hợp giữa mô phỏng số học và thực nghiệm phần cứng:

Về nguồn dữ liệu và đối tượng mẫu, đề tài thu thập và chuẩn hóa dữ liệu thông số kỹ thuật từ tấm pin mặt trời đa tinh thể (polycrystalline) thương mại Solarex MSX-60 với các thông số định mức tại điều kiện chuẩn STC: công suất cực đại $P_{max} = 60\text{W}$, điện áp cực đại $V_{mp} = 17,1\text{V}$, dòng điện cực đại $I_{mp} = 3,5\text{A}$, điện áp hở mạch $V_{oc} = 21,1\text{V}$ và dòng ngắn mạch $I_{sc} = 3,8\text{A}$. Cỡ mẫu khảo sát thực nghiệm được phân bố trên 10 mức bức xạ từ $100\text{ W/m}^2$ đến $1000\text{ W/m}^2$ (bước nhảy $100\text{ W/m}^2$) và 8 dải nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$.

Về phương pháp chọn mẫu và phân tích mô hình, tác giả lựa chọn phương pháp giải tích mô hình toán học thay vì phương pháp bảng tra (look-up table). Lý do lựa chọn là mô hình toán cho phép tính toán linh hoạt mọi loại pin quang điện khác nhau trên thị trường mà không cần nạp lại bảng dữ liệu thực nghiệm đồ sộ, giúp tối ưu hóa không gian bộ nhớ Flash 32KB của vi điều khiển ATmega328P.

Về công cụ tính toán và chế tạo phần cứng, quá trình nghiên cứu được triển khai theo tiến độ bài bản:

  • Giai đoạn 1 (05/2020 - 09/2020): Phân tích giải thuật lặp xác định điện trở $R_s$ và $R_p$, thiết kế và mô phỏng kiểm chứng mạch động lực Buck trên phần mềm PSIM và MATLAB/Simulink.
  • Giai đoạn 2 (09/2020 - 02/2021): Thi công mạch in phần cứng gồm khối nguồn động lực 110V, khối điều khiển sử dụng chip AVR ATmega328P (xung nhịp 16 MHz, bộ chuyển đổi ADC 10-bit), cảm biến dòng điện Hall ACS712, mạch chia áp chính xác và lập trình giao diện giám sát GUI trên máy tính qua giao thức UART.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình chạy thử nghiệm hệ thống mô phỏng pin quang điện phần cứng trong phòng thí nghiệm đã ghi nhận các kết quả then chốt sau:

Thứ nhất, ở điều kiện tiêu chuẩn STC ($G = 1000\text{ W/m}^2$, $T = 25^\circ\text{C}$), hệ thống phần cứng đã tái tạo thành công đường đặc tính P-V với điểm công suất cực đại thực nghiệm đạt xấp xỉ 59,8W ($V_{mp} \approx 17,05\text{V}$, $I_{mp} \approx 3,51\text{A}$). Độ sai lệch công suất so với thông số danh định 60W của nhà sản xuất tấm pin MSX-60 chỉ ở mức dưới 0,5%, chứng minh độ chuẩn xác vượt trội của mô hình toán học tích hợp.

Thứ hai, khi tiến hành thay đổi cường độ bức xạ từ $1000\text{ W/m}^2$ xuống mức $200\text{ W/m}^2$ (mức suy giảm 80%), dòng điện ngắn mạch $I_{sc}$ của hệ thống mô phỏng giảm tuyến tính từ 3,8A xuống khoảng 0,76A (giảm xấp xỉ 80%). Trong khi đó, điện áp hở mạch $V_{oc}$ chỉ suy giảm nhẹ khoảng 5,8%, phản ánh đúng bản chất vật lý của tế bào quang điện bán dẫn.

Thứ ba, khi khảo sát ảnh hưởng của nhiệt độ hoạt động từ $25^\circ\text{C}$ tăng dần lên $90^\circ\text{C}$ ở cùng mức bức xạ $1000\text{ W/m}^2$, điện áp $V_{oc}$ ghi nhận mức sụt giảm rõ rệt khoảng 18,5% (với hệ số nhiệt độ âm đạt xấp xỉ -0,37%/°C). Hiện tượng này kéo theo sự sụt giảm công suất phát cực đại từ 60W xuống còn khoảng 45,6W (tương đương mức suy giảm 24% tổng công suất).

Thứ tư, mạch động lực Buck kết hợp bộ điều khiển PID số trên vi điều khiển ATmega328P đạt độ ổn định ấn tượng với độ gợn điện áp đầu ra duy trì dưới mức 1,5%, thời gian đáp ứng quá độ khi thay đổi tải điện trở đạt dưới 50ms mà không xảy ra hiện tượng vọt lố hay mất ổn định vòng lặp.

Thảo luận kết quả

Các kết quả thực nghiệm đạt được đã chứng minh tính đúng đắn của việc lựa chọn cấu trúc phần cứng và phương pháp lập trình điều khiển. Nguyên nhân chính giúp hệ thống đạt độ chính xác cao là nhờ thuật toán lặp tìm giá trị $R_s$ và $R_p$ tối ưu, giúp đường cong phi tuyến bám sát đặc tuyến thực tế tại cả ba vùng làm việc: vùng nguồn dòng (dòng không đổi), vùng điểm uốn công suất cực đại (MPP) và vùng nguồn áp (áp không đổi).

Khi so sánh với các nghiên cứu mô phỏng thuần túy trên MATLAB/Simulink trước đây, hệ thống phần cứng này vượt trội hơn hẳn nhờ khả năng xuất ra dòng - áp vật lý thực tế trên các tải điện trở và bộ nạp ắc quy. Dữ liệu thực nghiệm được hiển thị trực quan thông qua các họ đường cong I-V và P-V trên giao diện phần mềm máy tính, đồng thời dữ liệu điện áp, dòng điện đo từ cảm biến ACS712 được biểu diễn chi tiết qua các bảng thông số số liệu với mức độ trùng khớp trên 98% so với lý thuyết.

Việc điều khiển khóa MOSFET thông qua driver TLP250 ở tần số đóng cắt cao đã giúp cuộn cảm và tụ điện lọc hoạt động êm ái, giảm thiểu tối đa sóng hài bậc cao tác động lên mạch đo lường. Đây là tiền đề vững chắc để sử dụng thiết bị làm nguồn phát giả lập cho việc chỉnh định các bộ biến tần hòa lưới và bộ điều khiển sạc MPPT thương mại.

Đề xuất và khuyến nghị

Dựa trên những thành quả và hạn chế kỹ thuật trong quá trình thực hiện, tác giả đưa ra 4 khuyến nghị then chốt nhằm hoàn thiện và thương mại hóa hệ thống:

  1. Nâng công suất mạch động lực lên dải 1 kW - 3 kW: Các phòng thí nghiệm trọng điểm chuyên ngành Điện lực cần chủ trì nâng cấp tầng công suất từ mức 60W hiện tại lên quy mô 1 kW - 3 kW. Giải pháp kỹ thuật khả thi là áp dụng cấu trúc mạch biến đổi giảm áp đa pha (Interleaved Buck Converter) và sử dụng linh kiện bán dẫn thế hệ mới SiC MOSFET nhằm nâng hiệu suất chuyển đổi lên trên 96% trong lộ trình 12 tháng tới.
  2. Nâng cấp nền tảng xử lý thuật toán lên chip DSP 32-bit: Nhóm nghiên cứu kiến nghị thay thế vi điều khiển 8-bit ATmega328P bằng dòng vi xử lý số tín hiệu chuyên dụng như DSP TMS320F28335 hoặc chip ARM Cortex-M4 có xung nhịp trên 150 MHz. Mục tiêu là rút ngắn chu kỳ tính toán đặc tuyến xuống dưới 10 microgiây, cho phép mô phỏng chính xác hiện tượng bóng che một phần (Partial Shading) tạo ra nhiều đỉnh công suất cực đại (Multi-peak P-V).
  3. Mở rộng tính năng phần mềm giám sát và kết nối công nghiệp: Đội ngũ phát triển phần mềm cần tích hợp giao thức truyền thông Modbus RTU và chuẩn kết nối IoT không dây, cho phép nạp tự động kịch bản thời tiết thực tế theo chu kỳ 24 giờ từ dữ liệu của các trạm khí tượng thủy văn, hoàn thành vào năm 2025 nhằm phục vụ các bài kiểm tra độ tin cậy dài hạn.
  4. Xây dựng quy chuẩn đo kiểm độc lập cho thiết bị điện mặt trời: Đề xuất các cơ quan quản lý tiêu chuẩn đo lường chất lượng năng lượng sử dụng mô hình PV Emulator vật lý này để chuẩn hóa quy trình đánh giá hiệu suất của các bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời dân dụng tại Việt Nam, giúp cắt giảm 50% thời gian và chi phí chứng nhận sản phẩm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu này mang tính ứng dụng cao và là tài liệu tham khảo giá trị cho 4 nhóm đối tượng chính:

  1. Giảng viên và nghiên cứu sinh ngành Năng lượng tái tạo & Kỹ thuật Điện: Tài liệu cung cấp cơ sở lý thuyết chuẩn xác và mô hình toán học 5 thông số chi tiết để biên soạn giáo trình giảng dạy thực hành môn học Điện tử công suất, Năng lượng mặt trời, đồng thời hỗ trợ triển khai các đề tài nghiên cứu chuyên sâu về giải thuật MPPT nâng cao.
  2. Kỹ sư R&D tại các doanh nghiệp thiết bị điện tử công suất: Các kỹ sư thiết kế biến tần (Inverter) và bộ sạc năng lượng mặt trời có thể ứng dụng trực tiếp sơ đồ nguyên lý mạch Buck, mạch lái TLP250 và giải thuật điều khiển PID trong luận văn để chế tạo thiết bị thử nghiệm nội bộ, giảm thiểu chi phí đầu tư giàn pin ngoài trời.
  3. Sinh viên đại học chuyên ngành Điện - Điện tử và Tự động hóa: Luận văn là cẩm nang hữu ích cho đồ án tốt nghiệp, hướng dẫn từng bước từ việc mô phỏng trên PSIM/Simulink, lập trình vi điều khiển ATmega328P/Arduino UNO, xử lý tín hiệu analog từ cảm biến dòng ACS712 đến thiết kế giao diện điều khiển trên máy tính.
  4. Chuyên viên kiểm định tại các trung tâm thử nghiệm năng lượng: Cung cấp giải pháp kỹ thuật xây dựng các trạm thử nghiệm tĩnh giả lập điều kiện môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ lên đến 100°C, bức xạ thấp 100 W/m²) nhằm đánh giá độ bền và hiệu suất chuyển đổi của các thiết bị quang điện trước khi hòa lưới.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao tác giả lại lựa chọn mạch biến đổi giảm áp Buck thay vì mạch Boost hay Buck-Boost trong hệ thống mô phỏng pin quang điện?
Mạch Buck được lựa chọn vì có khả năng điều chỉnh điện áp ngõ ra từ 0V đến xấp xỉ điện áp nguồn cấp, hoàn toàn phù hợp với đường đặc tính của pin quang điện từ trạng thái ngắn mạch (áp bằng 0V, dòng cực đại $I_{sc}$) đến hở mạch ($V_{oc}$). Ngoài ra, mạch Buck không làm đảo cực tính điện áp như mạch Buck-Boost và giữ chung đường mass, giúp đơn giản hóa mạch đo lường và tiết kiệm hơn 30% chi phí linh kiện.

Vi điều khiển ATmega328P có tài nguyên hạn chế thì xử lý phương trình phi tuyến của pin quang điện như thế nào?
Tác giả đã tối ưu hóa giải thuật mô hình toán học bằng cách giải trước các phương trình phi tuyến để tìm thông số nội tại $R_s$ và $R_p$, sau đó nhúng thuật toán tính toán nhanh trên nền ngôn ngữ C/C++. Nhờ đó, vi điều khiển 8-bit ATmega328P với xung nhịp 16 MHz vẫn thực thi mượt mà vòng lặp điều khiển phản hồi PID trong thời gian thực dưới 1ms mà không gây tràn bộ nhớ.

Hệ thống mô phỏng vật lý này có ưu điểm gì vượt trội so với việc mô phỏng trên phần mềm MATLAB/Simulink thuần túy?
Mô phỏng trên máy tính chỉ cung cấp các tín hiệu số lý thuyết và không thể đấu nối với thiết bị phần cứng thật. Hệ thống PV Emulator trong luận văn tạo ra nguồn công suất điện một chiều thực tế (điện áp và dòng điện vật lý), cho phép kết nối trực tiếp với các bộ điều khiển sạc MPPT thật hoặc biến tần để kiểm tra độ tin cậy và sai số thực nghiệm với độ chuẩn xác trên 98%.

Dữ liệu thực nghiệm của hệ thống được đối chứng và kiểm định với loại pin mặt trời nào?
Hệ thống được đối chứng trực tiếp với bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của tấm pin đa tinh thể Solarex MSX-60 (công suất định mức 60W, điện áp hở mạch 21,1V, dòng ngắn mạch 3,8A). Toàn bộ các họ đặc tính I-V và P-V đo đạc được ở dải bức xạ 100 - 1000 W/m² và dải nhiệt độ 25 - 100°C đều trùng khớp với dữ liệu nhà sản xuất với sai số công suất dưới 0,5%.

Hệ thống mô phỏng này có khả năng mô phỏng hiện tượng bóng che một phần (partial shading) hay không?
Mô hình hiện tại tập trung mô phỏng hoàn hảo các điều kiện bức xạ và nhiệt độ đồng nhất. Để mô phỏng hiện tượng bóng che một phần xuất hiện nhiều đỉnh công suất cực đại, người dùng có thể ghép nối tiếp nhiều module Buck mô phỏng độc lập hoặc nâng cấp thuật toán trên chip DSP 32-bit để giải đồng thời hệ phương trình ghép nối tế bào quang điện.

Kết luận

  • Thiết kế và chế tạo thành công hệ thống mô phỏng pin quang điện (PV Emulator) phần cứng hoàn chỉnh sử dụng cấu trúc mạch chuyển đổi giảm áp DC-DC Buck.
  • Ứng dụng thành công mô hình toán học 1-diode năm thông số trên vi điều khiển ATmega328P, đạt độ chính xác cao với sai số công suất dưới 0,5% so với tấm pin Solarex MSX-60 tại điều kiện STC.
  • Khảo sát thực nghiệm toàn diện và kiểm chứng độ tin cậy của các họ đặc tính I-V và P-V trong dải bức xạ từ $100\text{ W/m}^2$ đến $1000\text{ W/m}^2$ và dải nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ đến $100^\circ\text{C}$.
  • Xây dựng phần mềm giao diện máy tính thân thiện, cho phép giám sát thông số thời gian thực và cấu hình linh hoạt các kịch bản thời tiết giả lập thông qua giao tiếp UART.
  • Đóng góp một giải pháp nghiên cứu độc lập trong phòng thí nghiệm, giúp tiết kiệm hơn 70% chi phí đầu tư và loại bỏ sự phụ thuộc vào điều kiện thời tiết tự nhiên khi phát triển giải thuật MPPT.

Công trình luận văn thạc sĩ của tác giả Lâm Quang Thái dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Thanh Hải đã đặt nền móng vững chắc cho việc làm chủ công nghệ mô phỏng nguồn quang điện tại Việt Nam. Quý độc giả, nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm có thể khai thác toàn văn tài liệu luận văn để ứng dụng vào công tác giảng dạy, nghiên cứu và phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo tiên tiến.