Mô Hình và Mô Phỏng Điều Khiển Tối Ưu Công Suất Của Hệ Nhiều Pin Quang Điện

Nghiên cứu mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống nhiều pin quang điện, nâng cao hiệu suất năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Hồ Võ Quốc Cường
• Người hướng dẫn: PGS. Bùi Xuân Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hcm
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Mô Hình Tối Ưu Công Suất Hệ Nhiều Pin Quang Điện
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện

Mô hình tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện là một trong những giải pháp quan trọng nhằm nâng cao hiệu suất sử dụng năng lượng mặt trời. Năng lượng mặt trời đang trở thành nguồn năng lượng tái tạo phổ biến và được ưa chuộng trên toàn cầu. Việc tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Mô hình này cho phép điều chỉnh công suất đầu ra của hệ thống theo các điều kiện môi trường khác nhau, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng.

1.1. Ứng dụng của mô hình tối ưu công suất trong thực tiễn

Mô hình tối ưu công suất có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt. Việc sử dụng hệ thống pin quang điện giúp giảm thiểu chi phí điện năng và tăng cường tính bền vững cho các hoạt động sản xuất.

1.2. Lợi ích của việc tối ưu hóa công suất hệ thống pin quang điện

Tối ưu hóa công suất giúp tăng cường hiệu suất hoạt động của hệ thống pin quang điện, giảm thiểu tổn thất năng lượng và đảm bảo nguồn điện ổn định cho người sử dụng. Điều này không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường.

II. Vấn đề và thách thức trong tối ưu hóa công suất hệ nhiều pin quang điện

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện cũng gặp phải nhiều thách thức. Các yếu tố như điều kiện thời tiết, bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Ngoài ra, việc phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu cũng là một thách thức lớn trong nghiên cứu này.

2.1. Ảnh hưởng của điều kiện môi trường đến hiệu suất pin mặt trời

Điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời và nhiệt độ có thể thay đổi nhanh chóng, ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống pin quang điện. Việc theo dõi và điều chỉnh công suất trong các điều kiện này là rất cần thiết.

2.2. Thách thức trong việc phát triển thuật toán điều khiển

Phát triển các thuật toán điều khiển tối ưu công suất là một thách thức lớn. Các thuật toán cần phải nhanh nhạy và chính xác để có thể điều chỉnh công suất trong thời gian thực, đặc biệt trong các điều kiện thay đổi nhanh chóng.

III. Phương pháp tối ưu hóa công suất hệ nhiều pin quang điện hiệu quả

Để tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện, nhiều phương pháp đã được nghiên cứu và áp dụng. Các phương pháp này bao gồm việc sử dụng các thuật toán điều khiển như P&O, INC và các giải pháp công nghệ mới. Mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, cần được xem xét kỹ lưỡng.

3.1. Thuật toán P O trong tối ưu hóa công suất

Thuật toán P&O (Perturb and Observe) là một trong những phương pháp phổ biến nhất trong việc tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện. Phương pháp này giúp tìm điểm công suất cực đại một cách hiệu quả trong nhiều điều kiện khác nhau.

3.2. Giải pháp công nghệ mới trong tối ưu hóa công suất

Các công nghệ mới như mạng nơron nhân tạo và các thuật toán học máy đang được nghiên cứu để cải thiện khả năng tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện. Những công nghệ này hứa hẹn sẽ mang lại hiệu quả cao hơn trong việc điều chỉnh công suất.

IV. Kết quả nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn của mô hình

Nghiên cứu về mô hình tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện đã cho thấy những kết quả khả quan. Các mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng các thuật toán điều khiển tối ưu có thể nâng cao hiệu suất của hệ thống lên đáng kể. Những kết quả này không chỉ có giá trị trong nghiên cứu mà còn có thể được áp dụng rộng rãi trong thực tiễn.

4.1. Kết quả mô phỏng và phân tích hiệu suất

Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng mô hình tối ưu công suất có thể nâng cao hiệu suất của hệ thống pin quang điện lên đến 20%. Điều này chứng tỏ tính khả thi của mô hình trong thực tiễn.

4.2. Ứng dụng mô hình trong các dự án thực tế

Mô hình tối ưu công suất đã được áp dụng trong nhiều dự án năng lượng mặt trời tại Việt Nam, giúp cải thiện hiệu suất và giảm chi phí điện năng cho người sử dụng. Những ứng dụng này đã chứng minh được giá trị thực tiễn của nghiên cứu.

V. Kết luận và hướng phát triển tương lai của mô hình

Mô hình tối ưu công suất hệ nhiều pin quang điện không chỉ mang lại lợi ích kinh tế mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Hướng phát triển tương lai của mô hình này sẽ tập trung vào việc cải thiện các thuật toán điều khiển và áp dụng công nghệ mới để nâng cao hiệu suất. Việc nghiên cứu và phát triển mô hình này sẽ tiếp tục đóng góp vào sự phát triển bền vững của năng lượng tái tạo.

5.1. Hướng phát triển công nghệ trong tương lai

Công nghệ trong lĩnh vực năng lượng mặt trời đang phát triển nhanh chóng. Việc áp dụng các công nghệ mới sẽ giúp tối ưu hóa công suất và nâng cao hiệu quả sử dụng năng lượng mặt trời.

5.2. Tầm quan trọng của nghiên cứu và phát triển bền vững

Nghiên cứu và phát triển bền vững trong lĩnh vực năng lượng tái tạo là rất cần thiết. Điều này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất mà còn góp phần bảo vệ môi trường và phát triển kinh tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1 Giới thiệu chung 1. Giới thiệu Trong thời gian gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng gia tăng, dẫn đến các nguồn nượng truyền thống như dầu mỏ, than đá. được sử dụng cho các ngày càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Thêm vào đó, việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động xấu đến môi trường như gây ô nhiễm bầu khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng ozôn.

mà là một trong các nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Khí thải ra từ việc đốt các nguồn nguyên liệu truyền thống này cũng có thể gây ra mưa axít, hạn hán, lũ lụt. làm ảnh hưởng đến môi trường sống của con người. Trước tình hình đó, việc phải tìm các nguồn năng lượng khác nhằm mục đích đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần tăng mạnh hàng ngày và thay thế các nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang dần cạn kiệt trở nên cần thiết và đòi hỏi nhiều quan tâm.

Tầm quan trọng của việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế cũng được thúc đẩy bởi nhận thức của con người về vấn đề môi trường. Trong thực tế, một trong các nguồn năng lượng có thể thay thế với nhiều hứa hẹn về tiềm năng cung cấp năng lượng rất lớn đó là năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này vẫn còn là một vấn đề đang được tranh cãi vì sự an toàn và ảnh hưởng của nó đến môi trường sống. Chẳng hạn như sự cố gần đây nhất tại Fukushima, Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã phá hủy nhà máy điện hạt nhân Fukushima, gây thiệt hại về người và kinh tế.

Tiếp theo đó, một số nước Châu Âu cũng đã quyết định đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân. Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng là rất lớn, kể cả ngắn hạn, trung hạn và dài hạn. Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục 2 tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [1]. Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn năng lượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiều thuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam.

Không nằm ngoài mục tiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin quang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xét trong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện. Mục tiêu của đề tài Để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có hiệu quả, nhiều bài toán với nhiều vấn đề khác nhau được đặt ra. Hiện nay, một trong những bài toán mà đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đó là nghiên cứu khai thác hệ thống pin quang điện sao cho nó luôn luôn làm việc tốt nhất trong tất cả các điều kiện khác nhau. Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật dò tìm và bám điểm công suất cực đại của một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện.

Đối với một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện, các giải thuật P&O, InC hoặc điện áp hằng số,. có thể được áp dụng để dò tìm và thực hiện điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các kỹ thuật này đã đạt được các kết quả nhất định trong việc giải bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại. Mỗi kỹ thuật cũng đã thể hiện được các ưu điểm của nó trong việc giải quyết bài toán nâng cao hiệu suất pin quang điện.

Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm của các kỹ thuật này thì trong mỗi kỹ thuật cũng đang tồn tại các khuyết điểm nhất định liên quan và ảnh hưởng đến tốc độ dò tìm điểm công suất cực đại, cũng như giá trị điểm công suất cực đại trong các điều kiện vận hành khác nhau. Bài toán đặt ra là cần phải nâng cao hơn nữa hiệu suất của hệ pin quang điện thông qua yêu cầu tìm điểm công suất cực đại nhanh hơn và chính xác hơn ngay cả khi thay đổi các điều kiện bức xạ mặt trời hoặc nhiệt độ môi trường trong suốt quá trình làm việc của hệ pin quang điện. Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của một hệ nhiều pin quang điện trong các điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường khác 3 nhau. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan về tiềm năng và khai thác nguồn năng lượng mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam.

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của mộpin quang điện. - Mô phỏng giải thuật cải thiện khả năng bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài - Các nghiên cứu được thực hiện trên một hệ thống pin quang điện. - Giải thuật được đề xuất để điều khiển tối ưu công suất của một hệ nhiều pin quang điện tương ứng với các thay đổi của điều kiện bức xạ và nhiệt độ. Tổng quan tình hình nghiên cứu Liên quan đến bài toán được đặt ra, đã có nhiều nhà khoa học tập trung giải quyết với các kết quả đạt được nhất định như sau: Joe-Air Jiang, v. với công trình nghiên cứu, “Maximum power tracking for photovoltaic power systems” đã đề xuất giải thuật so sánh 3 điểm [2].

Giải thuật này tương tự như giải thuật P&O mà có thể được xem như là giải thuật P&O cải tiến khi giải thuật P&O chỉ so sánh 2 điểm. Giải thuật 3 điểm được đề xuất để so sánh 3 điểm để từ đó đưa ra các quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên điện áp làm việc của pin quang điện. Giải thuật so sánh 3 điểm được biểu diễn như lưu đồ thuật toán, Hình 1. Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm Nguyên tắc cho phép điểm áp làm việc của pin quang điện tăng, giảm hay giữ nguyên của giải thuật so sánh 3 điểm được trình bày như sau, Hình 1.

Theo giải thuật so sánh 3 điểm, hệ MPPT của pin quang điện sẽ tăng điện áp làm việc trong các trường hợp ((1), (4)) và giảm điện áp trong các trường hợp ((3), (6)). Cơ chế so sánh 3 điểm * Ưu điểm của giải thuật: Giải thuật sử dụng 3 điểm để so sánh nên có khả năng khắc phục được khuyết điểm hoạt động sai của giải thuật P&O trong trường hợp có sự thay đổi nhanh của môi trường như cường độ bức xạ. * Nhược điểm của giải thuật: Khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì giải thuật so sánh 3 điểm có thể sai do luôn đọc thấy 3 điểm cùng tăng (trường hợp cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (trường hợp cường độ bức xạ giảm). Do đó, giải thuật sẽ ra quyết định sai và làm ảnh hưởng đến sự thay đổi của giá trị điện áp tại điểm công suất cực đại, Vmpp.

với công trình nghiên cứu, “Improved MPPT algorithms for rapidly changing environmental conditions” đã đề xuất thêm một quá trình lấy mẫu trung gian tại thời điểm T/2 như Hình 1.3 cho việc cải thiện hiệu quả của giải thuật P&O [3]. Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu Trong đó, dP được biểu diễn như sau: dP  dP1  dP2  Px  Pk   Pk 1  Px   2 Px  Pk 1  Pk (1.1) Lưu đồ thuật toán của giải thuật đề xuất được biểu diễn như Hình 1. Lưu đồ thuật toán của giải thuật dP-P&O 7 Theo đề xuất, giải thuật dP-P&O sẽ lấy mẫu trung gian ở thời điểm T/2 và khi môi trường thay đổi (dP = 0) sẽ không thay đổi V. * Ưu điểm của giải thuật: Có thể nhận thấy rằng giải thuật này giúp cho bộ MPPT không bị nhẫm lẫn khi cường độ bức xạ thay đổi tuyến tính.

* Nhược điểm của giải thuật: Khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính giải thuật này có thể hoạt động sai. Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural Network được đề xuất bởi M. với công trình nghiên cứu, “An improved maximum power point tracking controller for PV systems using artificial neural network” đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại [4]. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện 8 áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại.

Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu, Hình 1. Lưu đồ của giải thuật MPPT Neural Network như Hình 1. * Ưu điểm của giải thuật: Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể. * Nhược điểm của giải thuật: Giải thuật MPPT kết hợp giữa P&O và mạng nơ-rôn nhân tạo lan truyền ngược Levenberg-Marquardt gặp khó khăn trong việc lựa chọn các thông số của mạng như số nơ-rôn cho các lớp ngõ vào, lớp ẩn và lớp ngõ ra.

Lưu đồ giải thuật MPPT Neural Network 9 B. với công trình nghiên cứu, “New perturb and observe MPPT algorithm and its validation using data from PV module” đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV [5]. Giải thuật tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại. Theo giải thuật đề xuất này, giá trị dP/dV được sử dụng để xác định vị trí điểm làm việc của pin quang điện mà có thể nằm ở bên trái hoặc bên phải của điểm công suất cực đại.