Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo đang chứng kiến tốc độ tăng trưởng vượt bậc với mức tăng bình quân hơn 15% mỗi năm trên quy mô toàn cầu nhằm thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt. Trong các dạng năng lượng sạch, nguồn pin quang điện nổi lên như một giải pháp vượt trội nhờ tính cơ động, không phát sinh tiếng ồn và có khả năng lắp đặt linh hoạt từ các hộ tiêu thụ cá thể đến các nhà máy điện công suất hàng trăm megawatt. Dẫu vậy, hiệu suất biến đổi quang - điện thương dụng hiện nay chỉ dao động phổ biến từ 15% đến 22%, đồng thời công suất phát ra phụ thuộc mật thiết vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ bề mặt tiếp giáp bán dẫn.

Vấn đề then chốt trong vận hành hệ thống pin mặt trời là điểm làm việc có công suất cực đại luôn dịch chuyển phi tuyến theo thời tiết thực tế. Các phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại truyền thống như phương pháp quan sát và gây nhiễu loạn hay phương pháp điện dẫn gia tăng thường gây ra hiện tượng dao động công suất liên tục quanh đỉnh làm thất thoát từ 2% đến 5% tổng sản lượng điện sinh ra. Bên cạnh đó, các nhà sản xuất tấm pin thường không cung cấp đầy đủ các thông số vật lý ẩn, khiến việc lập mô hình toán học chính xác gặp rất nhiều trở ngại.

Được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2014 đến năm 2018 tại Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp thuộc Đại học Thái Nguyên, công trình nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán hoàn thiện mô hình toán học giải tích đầy đủ cho nguồn pin mặt trời và xây dựng giải thuật nhận dạng chuẩn xác điểm công suất cực đại ở mọi điều kiện vận hành. Mục tiêu trọng tâm là phát triển kỹ thuật dò và chia đôi kết hợp các phương pháp điều khiển hiện đại cho các bộ biến đổi công suất một chiều và hòa lưới xoay chiều, nâng cao hiệu suất khai thác năng lượng lên trên 98.5% đối với các lưới điện phân tán công suất vừa và nhỏ từ 1 kW đến 100 kW.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vật lý chất bán dẫn về hiệu ứng quang điện trong lớp tiếp giáp p-n chế tạo từ các tinh thể silic và germani. Đặc tính tĩnh của pin mặt trời được biểu diễn qua phương trình phi tuyến dòng điện - điện áp với 5 đại lượng cốt lõi: dòng quang điện phát xạ, dòng bão hòa ngược, điện áp nhiệt tiếp giáp, điện trở nối tiếp và điện trở song song.

Bên cạnh đó, nghiên cứu tích hợp lý thuyết điều khiển phi tuyến biến đổi điện tử công suất, trọng tâm là kỹ thuật điều khiển trượt trên mặt phẳng pha và kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình áp dụng cho các bộ biến đổi giảm áp và tăng áp một chiều. Khái niệm điều kiện vận hành tiêu chuẩn với bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C được dùng làm hệ quy chiếu gốc. Luận văn mở rộng khung lý thuyết khi xây dựng hàm thực nghiệm biểu diễn hệ số lý tưởng diode phụ thuộc phi tuyến vào nhiệt độ lớp tiếp giáp bằng phương pháp bình phương cực tiểu, khắc phục hoàn toàn giả định hệ số diode cố định trong các nghiên cứu kinh điển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ quá trình đo đạc thực tế trên 2 chủng loại tấm pin quang điện thương mại là pin đơn tinh thể MF165EB3 có công suất định mức 165 W và pin SV-55 có công suất định mức 55 W. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hơn 500 bộ số liệu đo đạc đồng thời về bức xạ mặt trời trải dài từ 200 W/m² đến 1000 W/m² và nhiệt độ lớp bán dẫn biến thiên trong dải từ 15°C đến 65°C.

Phương pháp chọn mẫu được tiến hành theo quy trình phân tầng ngẫu nhiên theo các dải bức xạ và bước nhảy nhiệt độ nhằm bao quát các kịch bản khí hậu điển hình như nắng ổn định, bức xạ thay đổi đột ngột và hiện tượng suy giảm công suất do nhiệt độ cao. Phương pháp phân tích số lặp Newton-Raphson được lựa chọn để giải hệ phương trình phi tuyến phức tạp vì tốc độ hội tụ siêu tuyến tính, sai số tính toán dưới 0.1% và khả năng tự động hóa trên máy tính điều khiển nhúng. Toàn bộ tiến trình nghiên cứu trải qua 4 giai đoạn mạch lạc kéo dài trong 36 tháng, bao gồm phân tích lý thuyết, mô phỏng số động học trên nền tảng Matlab/Simulink, chế tạo mạch phần cứng thử nghiệm và đo kiểm thực chứng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, giải thuật xác định thông số ẩn dựa trên phương pháp lặp Newton-Raphson đã giải quyết triệt để bài toán thiếu hụt dữ liệu từ nhà sản xuất, nhận dạng chính xác 5 thông số chưa biết ở điều kiện tiêu chuẩn với độ lệch tương đối dưới 0.5% so với đặc tính danh định của tấm pin MF165EB3.

Thứ hai, việc thiết lập hàm tương quan nhiệt độ cho hệ số diode giúp sai số xác định vị trí điểm công suất cực đại giảm từ mức 4.2% xuống dưới 0.3% khi nhiệt độ tấm pin tăng từ 25°C lên 60°C ở cùng mức bức xạ 1000 W/m².

Thứ ba, việc ứng dụng kỹ thuật dò và chia đôi kết hợp với điều khiển trượt và điều khiển điện áp trung bình cho các bộ biến đổi Buck và Boost đã rút ngắn thời gian xác lập điểm làm việc tối ưu từ 0.8 giây xuống dưới 0.05 giây. Sản lượng điện hữu ích thu hồi được tăng từ 3.2% đến 6.8% so với phương pháp quan sát và gây nhiễu loạn truyền thống trong các điều kiện thời tiết nắng gián đoạn.

Thứ tư, mô hình nghịch lưu ghép nối lưới một pha và ba pha duy trì điện áp thanh cái một chiều ổn định ở mức 400 V, kiểm soát tổng độ méo sóng hài dòng điện phát vào lưới ở mức 2.8%, vượt trội so với giới hạn 5.0% theo tiêu chuẩn kỹ thuật điện quốc tế.

Thảo luận kết quả

Ưu thế vượt trội của kỹ thuật dò và chia đôi bắt nguồn từ nguyên lý xác định trực tiếp giá trị cực đại mục tiêu dựa trên mô hình giải tích chính xác, thay vì phải thực hiện các bước nhảy kích thích liên tục trên đường đặc tính như các thuật toán kinh điển. Điều này loại bỏ triệt để hiện tượng tổn hao công suất tĩnh quanh điểm làm việc cực đại.

Các kết quả phản hồi động học được thể hiện rõ nét qua các đồ thị biến thiên công suất tức thời so sánh giữa thuật toán đề xuất và thuật toán truyền thống. Tại các mức bức xạ 200 W/m², 600 W/m² và 1000 W/m², dạng sóng công suất ngõ ra duy trì đường phẳng ổn định, không xuất hiện gợn sóng dao động biên độ lớn. Các bảng số liệu đối chuẩn năng lượng khẳng định rõ khi bức xạ môi trường ở mức thấp 200 W/m², mức tổn thất năng lượng của thuật toán truyền thống lên tới 5.6%, trong khi phương pháp mới khống chế mức suy giảm dưới 0.8%.

So với các công bố khoa học trước đây vốn thường đơn giản hóa mô hình bằng cách bỏ qua điện trở phân tán hoặc coi hệ số diode là hằng số, phương pháp luận trong luận văn mang lại độ tin cậy vượt bậc. Việc sử dụng cảm biến đo bức xạ nhiệt dải bước sóng 380-1140 nm kết hợp cảm biến nhiệt độ gắn áp sát bề mặt sau của tấm pin giúp loại bỏ sai số quy đổi từ nhiệt độ môi trường, cung cấp tín hiệu đầu vào chuẩn xác cho vi xử lý điều khiển.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tích hợp ngay thuật toán dò và chia đôi kết hợp điều khiển điện áp trung bình vào phần mềm nhúng của các bộ biến đổi công suất thương mại. Mục tiêu đặt ra là tối ưu hóa chu kỳ trích mẫu dưới 20 microgiây nhằm triệt tiêu hoàn toàn tổn thất dao động công suất tĩnh trong 3 tháng đầu triển khai tại các cơ sở chế tạo thiết bị năng lượng tái tạo.

Thứ hai, chuẩn hóa quy trình lắp đặt cụm cảm biến đo lường bức xạ dải bước sóng 380-1140 nm và cảm biến nhiệt độ tiếp xúc mặt sau tấm pin. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư vận hành nhà máy điện mặt trời với yêu cầu khống chế sai số nhiệt độ dưới 0.5°C, hoàn thành việc hiệu chỉnh thiết bị trong vòng 6 tháng.

Thứ ba, hoàn thiện cấu trúc mạch nghịch lưu nối lưới bằng việc tối ưu hóa mạch lọc thụ động và vòng khóa pha đồng bộ hóa lưới điện. Chủ thể thực hiện là các nhóm nghiên cứu phát triển hệ thống điện với mục tiêu duy trì tổng độ méo sóng hài dòng điện dưới 3.0% ở mọi dải tải, tiến hành trong lộ trình 9 tháng.

Thứ tư, xây dựng hệ thống cơ sở dữ liệu tra cứu tham số ẩn tự động thích nghi theo thời gian lão hóa vật liệu quang điện sau 5 đến 10 năm vận hành. Cơ quan quản lý lưới điện phân tán cần phối hợp cùng các viện nghiên cứu cập nhật định kỳ bảng thông số mỗi năm một lần nhằm duy trì hiệu suất thu hồi điện năng tối đa cho toàn bộ vòng đời dự án.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm kỹ sư nghiên cứu và phát triển sản phẩm tại các doanh nghiệp sản xuất biến tần và thiết bị điện tử công suất: Có thể ứng dụng trực tiếp các phương trình trạng thái và thuật toán điều khiển trượt để nâng cao chỉ số hiệu suất thiết bị lên trên 98.5%.

Học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa: Luận văn cung cấp khung giải tích hoàn chỉnh về nhận dạng tham số ẩn bằng thuật toán Newton-Raphson và mô phỏng trên Matlab/Simulink làm tài liệu nghiên cứu chuyên sâu.

Đơn vị tư vấn thiết kế và quản lý vận hành các trang trại điện mặt trời: Áp dụng phương pháp bố trí cảm biến nhiệt mặt sau tấm pin để giảm thiểu hiện tượng suy giảm công suất do nhiệt độ cao ở các vùng nhiệt đới có bức xạ vượt ngưỡng 1000 W/m².

Giảng viên và các cơ sở đào tạo đại học khối ngành kỹ thuật điện: Sử dụng toàn bộ hệ thống sơ đồ giải thuật và cấu trúc mô phỏng thiết bị thực tế làm học liệu giảng dạy cho các học phần Năng lượng tái tạo và Biến đổi công suất nâng cao.

Câu hỏi thường gặp

Kỹ thuật dò và chia đôi khác biệt như thế nào so với các phương pháp MPPT kinh điển? Kỹ thuật dò và chia đôi vận hành dựa trên việc giải trực tiếp hệ phương trình toán học giải tích từ thông số bức xạ và nhiệt độ để xác định chính xác điểm công suất cực đại tức thời. Phương pháp này không tạo bước nhảy thử sai như thuật toán quan sát và gây nhiễu loạn, giúp triệt tiêu hoàn toàn dao động tĩnh và gia tăng từ 3.2% đến 6.8% sản lượng điện thực tế.

Tại sao cần phải xây dựng hàm hệ số diode phụ thuộc vào nhiệt độ? Hệ số lý tưởng diode phản ánh cơ chế tái tổ hợp các cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống trong lớp tiếp giáp p-n vốn biến đổi mạnh khi nhiệt độ tấm pin thay đổi từ 15°C đến 65°C. Việc thiết lập hàm phụ thuộc nhiệt độ giúp giảm độ lệch tính toán công suất cực đại xuống dưới 0.3%, ngăn ngừa hiện tượng sai lệch điểm làm việc khi thời tiết nắng gắt.

Hệ thống điều khiển đề xuất có đòi hỏi trang bị phần cứng đắt tiền không? Hệ thống chỉ bổ sung một cảm biến đo bức xạ có dải đo từ 380 nm đến 1140 nm và một cảm biến nhiệt độ thông dụng gắn mặt lưng với tổng chi phí đầu tư rất thấp, chỉ vài triệu đồng. Các phép toán lặp được tối ưu hóa để thực thi nhanh chóng trên các vi điều khiển thông dụng trong thời gian dưới 0.05 giây mà không đòi hỏi máy tính cấu hình cao.

Luận văn đã kiểm chứng giải pháp trên những đối tượng phần cứng cụ thể nào? Giải pháp đã được thử nghiệm thực chứng trên 2 dòng tấm pin thương mại là MF165EB3 công suất 165 W và SV-55 công suất 55 W. Hai cấu hình mạch lực một chiều là mạch giảm áp Buck và mạch tăng áp Boost đều được kiểm nghiệm đầy đủ trên phần mềm Matlab/Simulink và trên 2 hệ thống thiết bị phần cứng thực nghiệm với độ ổn định cao.

Giải pháp hòa lưới trong công trình xử lý chất lượng điện năng ra sao? Cấu trúc điều khiển nghịch lưu sử dụng kỹ thuật điều khiển dòng bám sát góc pha điện áp lưới và duy trì thanh cái một chiều ở mức 400 V. Phân tích phổ tần số sóng hài chứng minh tổng độ méo sóng hài dòng điện chỉ ở mức 2.8%, đáp ứng nghiêm ngặt giới hạn dưới 5.0% của tiêu chuẩn quốc tế IEEE 519.

Kết luận

  • Luận văn đã hoàn thiện thành công mô hình toán học giải tích đầy đủ cho nguồn pin mặt trời dựa trên thuật toán Newton-Raphson để giải mã 5 thông số ẩn ở điều kiện tiêu chuẩn.
  • Đóng góp khoa học then chốt là việc xây dựng hàm số biểu diễn sự phụ thuộc nhiệt độ của hệ số diode, kiểm soát sai số tính toán công suất cực đại ở mức dưới 0.5%.
  • Đề xuất và hiện thực hóa thành công hai chiến lược điều khiển biến đổi công suất một chiều, rút ngắn thời gian xác lập điểm tối ưu xuống dưới 0.05 giây.
  • Thiết lập hoàn chỉnh cấu trúc ghép nối lưới xoay chiều với tổng độ méo sóng hài dòng điện đạt 2.8%, vận hành an toàn và tương thích với tiêu chuẩn kỹ thuật điện lực.
  • Kết quả nghiên cứu chứng minh khả năng nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng từ 3.2% đến 6.8% so với các giải pháp điều khiển truyền thống trên cả mô hình mô phỏng lẫn thực nghiệm.

Kế hoạch tiếp theo trong 12 đến 24 tháng tới là mở rộng thuật toán để nhận dạng nhiều đỉnh công suất cực đại khi bề mặt pin bị che khuất bóng một phần và ứng dụng thử nghiệm trên hệ thống lưới điện vi mô thông minh. Quý kỹ sư và nhà nghiên cứu quan tâm hãy kết nối và ứng dụng ngay các phát kiến công nghệ từ luận văn để tối ưu hóa hiệu quả kinh tế cho các dự án năng lượng mặt trời hiện nay.