Khảo sát các thuật toán MPPT nâng cao cho bộ nguồn pin mặt trời

• Tác giả: Nguyễn Tiến Thư
• Người hướng dẫn: PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Khảo Sát Các Thuật Toán MPPT Nâng Cao Cho Bộ Nguồn Pin Năng Lượng Mặt Trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ PANEL NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. Hệ thống quang điện
• 1.2. Nền tảng và động lực
• 1.3. Khảo sát hệ mô phỏng nguồn quang năng PV độc lập
• 1.4. Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu
• 1.5. Tóm tắt nội dung luận văn
• 2. CHƯƠNG 2: KHẢO SÁT CÁC THUẬT TOÁN MPPT
• 2.1. Tiêu chí thực hiện các thuật toán điều khiển MPPT
• 2.2. Sai số ở trạng thái ổn định
• 2.3. Bám theo hiệu quả
• 2.4. Phân loại thuật toán điều khiển MPPT
• 2.5. Kết nối đơn giản giữa tải-panel
• 2.6. Bán năng động phù hợp với tải
• 2.7. Phương pháp hồi tiếp điện áp
• 2.7.1. Hồi tiếp điện áp với điện áp tham chiếu cố định
• 2.7.2. Hồi tiếp điện áp với điện áp tham chiếu khác nhau bằng cách đo Voc
• 2.7.3. Pilot cell hay module tham khảo
• 2.8. Phương pháp hồi tiếp công suất để điều khiển
• 2.8.1. Thuật toán rẽ và quan sát
• 2.8.1.1. Nguyên lý hoạt động cơ bản
• 2.8.1.2. Phân tích các thuật toán PO
• 2.8.2. Phương pháp tăng độ dẫn điện (IC)
• 2.8.2.1. Nguyên tắc làm việc
• 2.8.2.2. Phân tích thuật toán IC
• 2.8.3. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển MPPT
• 2.9. Giải pháp tối ưu của phương pháp điều khiển MPPT
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH QUANG ĐIỆN
• 3.1. Mô hình toán học của tế bào PV
• 3.1.1. Mô hình tế bào panel năng lượng mặt trời lý tưởng
• 3.1.2. Mô hình hai diode
• 3.1.3. Mô hình một Diode
• 3.2. Mô hình Matlab của một tế bào quang điện
• 3.3. Mô phỏng mô hình PV
• 3.4. Kết quả mô phỏng
• 3.5. Kết luận và thảo luận
• 4. CHƯƠNG 4: CÁC MÔ HÌNH THUẬT TOÁN MPPT
• 4.1. Thuật toán PO
• 4.2. Thuật toán PO được cải tiến (MPO)
• 4.3. Thuật toán IC (Incremental Conductance)
• 4.4. Thuật toán kết hợp CV và IC
• 4.5. Công suất ngõ ra và hiệu suất của thuật toán MPPT
• 4.6. Thảo luận và Phân tích
• 5. CHƯƠNG 5: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI TRÊN MATLAB/SIMULINK
• 5.1. Giới thiệu bộ chuyển đổi DC-DC và bộ boost
• 5.1.1. Bộ chuyển đổi DC-DC
• 5.1.2. Giới thiệu bộ Boost
• 5.2. Phân tích trạng thái ổn định của bộ boost
• 5.3. Phân tích trạng thái động của bộ boost
• 5.4. Thiết kế và mô phỏng bộ Boost trên Matlab/Simulink
• 5.4.1. Thiết kế bộ boost kết nối giữa panel và tải
• 5.4.2. Mô phỏng bộ boost trên Matlab/Simulink
• 5.5. Thực hiện mô phỏng hệ thống PV
• 6. CHƯƠNG 6: KHẢO SÁT THUẬT TOÁN MPPT TRÊN MÔ HÌNH PANEL PV THỰC TẾ
• 6.1. Giới thiệu chung
• 6.2. Phần cứng sử dụng
• 6.2.1. Panel năng lượng mặt trời
• 6.2.2. Vi điều khiển
• 6.3. Kết quả thử nghiệm vòng hở
• 6.4. Khảo sát thực nghiệm
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 7.1. Hướng nghiên cứu và phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Giới thiệu tổng quan về panel năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với môi trường. Tuy nhiên, hiệu suất pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bức xạ và nhiệt độ. Việc kết nối trực tiếp bộ nguồn pin mặt trời với tải không đảm bảo hiệu quả tối ưu. Do đó, việc áp dụng thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) là cần thiết để tối ưu hóa hiệu suất. Hệ thống PV hoàn chỉnh bao gồm pin năng lượng, thuật toán MPPT và bộ chuyển đổi DC-DC. Mô hình PV được xây dựng dựa trên phương trình diode Schockley, thể hiện mối tương quan giữa các tham số khí quyển và hiệu suất của tế bào quang điện. Việc nghiên cứu và phát triển các thuật toán MPPT là rất quan trọng để nâng cao hiệu suất chuyển đổi và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

1.1. Hệ thống quang điện

Hệ thống quang điện (PV) có khả năng cung cấp năng lượng bền vững cho các khu vực không có lưới điện. Năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm mà còn giảm chi phí năng lượng. Tuy nhiên, công nghệ pin mặt trời vẫn gặp phải một số thách thức như chi phí đầu tư ban đầu cao và hiệu suất chuyển đổi chưa đạt mức tối ưu. Việc sử dụng các phương pháp MPPT giúp cải thiện hiệu suất hệ thống, đảm bảo rằng năng lượng được sử dụng hiệu quả nhất có thể. Các ứng dụng của hệ thống PV rất đa dạng, từ cung cấp điện cho hộ gia đình đến các ứng dụng công nghiệp lớn.

II. Khảo sát các thuật toán MPPT

Các thuật toán MPPT đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất pin mặt trời. Nghiên cứu đã chỉ ra rằng có nhiều phương pháp khác nhau như thuật toán rẽ nhánh và quan sát (PO), thuật toán điện dẫn gia tăng (IC), và các phiên bản cải tiến của chúng. Mỗi thuật toán có ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến khả năng bám theo điểm công suất cực đại trong các điều kiện thời tiết khác nhau. Việc lựa chọn thuật toán phù hợp có thể giúp tăng cường hiệu suất hệ thống và giảm thiểu tổn thất năng lượng. Đặc biệt, thuật toán kết hợp giữa IC và CV đã cho thấy hiệu quả tốt nhất trong việc bám theo công suất cực đại trong điều kiện nắng và mây.

2.1. Tiêu chí thực hiện các thuật toán điều khiển MPPT

Để đánh giá hiệu quả của các thuật toán MPPT, cần xác định các tiêu chí như tốc độ phản ứng, độ chính xác trong việc bám theo điểm công suất cực đại, và khả năng hoạt động trong các điều kiện môi trường khác nhau. Các thuật toán cần phải nhanh chóng đáp ứng với sự thay đổi của bức xạ mặt trời và nhiệt độ, đồng thời duy trì hiệu suất chuyển đổi cao. Việc phân tích và so sánh các thuật toán MPPT sẽ giúp xác định phương pháp tối ưu cho từng ứng dụng cụ thể, từ đó nâng cao hiệu suất hệ thống và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

III. Mô hình quang điện

Mô hình quang điện là một phần quan trọng trong việc nghiên cứu và phát triển bộ nguồn pin mặt trời. Mô hình này giúp thể hiện các đặc tính điện của tế bào quang điện và mối tương quan với các tham số khí quyển như bức xạ và nhiệt độ. Việc xây dựng mô hình toán học cho tế bào PV cho phép phân tích hiệu suất và tối ưu hóa hoạt động của hệ thống. Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng thuật toán MPPT có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống PV, đặc biệt trong các điều kiện thời tiết không ổn định. Mô hình thực nghiệm cũng cho thấy rằng hiệu suất khi áp dụng thuật toán MPPT cao hơn nhiều so với việc kết nối trực tiếp giữa tải và panel.

3.1. Mô hình toán học của tế bào PV

Mô hình toán học của tế bào PV được xây dựng dựa trên phương trình diode Schockley, cho phép phân tích các đặc tính điện của tế bào quang điện. Mô hình này giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất pin mặt trời, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa. Việc mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy rằng các thuật toán MPPT có thể cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống PV, đặc biệt trong các điều kiện thời tiết thay đổi nhanh chóng. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng thuật toán CV-IC mang lại hiệu suất tốt nhất trong các điều kiện khác nhau.