Luận văn thạc sĩ HCMUTE: Nghiên cứu giải thuật PID tìm điểm cực đại cho pin năng lượng

Luận văn thạc sĩ HCMUTE nghiên cứu giải thuật tìm điểm cực đại của pin năng lượng bằng PID, góp phần nâng cao hiệu suất năng lượng.

• Tác giả: Nguyễn Thị Hồng Hà
• Người hướng dẫn: PGS.TS Lê Chí Kiên
• Trường học: Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Giải Thuật Tìm Điểm Cực Đại Cho Pin Năng Lượng Bằng PID
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN
• 1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu
• 1.2. Các kết quả nghiên cứu có liên quan
• 1.3. Mục tiêu của đề tài
• 1.4. Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Tính mới của đề tài
• 1.7. Giá trị thực tiễn của đề tài
• 1.8. Nội dung của đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
• 2.1. Công nghệ điện mặt trời
• 2.1.1. Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ thấp
• 2.1.2. Công nghệ nhiệt mặt trời nhiệt độ cao
• 2.2. Hệ thống pin mặt trời
• 2.2.1. Thành phần lưu trữ năng lượng
• 2.2.2. Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống Pin mặt trời làm việc độc lập
• 2.2.3. Bộ biến đổi DC/DC
• 2.2.3.1. Mạch Buck – Boost
• 2.2.3.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC. Mạch vòng điện áp phản hồi
• 2.2.3.3. Phương pháp điều khiển phản hồi công suất
• 2.2.4. Bộ biến đổi DC/AC
• 2.2.5. Mô hình toán của pin mặt trời
• 2.2.6. Điểm làm việc cực đại của pin mặt trời
• 2.2.7. Nguyên lý dung hợp tải
• 2.2.8. Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT
• 2.2.8.1. Phương pháp điều khiển PI
• 2.2.8.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp
• 2.2.8.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra (dùng thuật toán P&O)
• 2.2.8.4. Phương pháp dùng giải thuật điện dẫn gia tăng (INC)
• 2.2.9. Phân tích cơ bản giải thuật cơ bản
• 3. CHƯƠNG III: BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 3.1. Bộ điều khiển PID
• 3.2. Tổng hợp ba khâu – Bộ điều khiển PID
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID
• 4.1. Các hệ số toán học trong PV Cell
• 4.2. Các phương trình toán học
• 4.3. Mô hình Pin mặt trời
• 4.4. Mô hình mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời
• 4.5. Phương pháp điều khiển tìm điểm cực đại
• 4.5.1. Lưu đồ giải thuật tìm điểm cực đại
• 4.5.2. Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi
• 4.5.3. Khi Is thay đổi
• 4.5.4. Khi thay đổi nhiệt độ T
• 5. CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN THỰC NGHIỆM HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 5.1. Thực nghiệm mô hình hệ thống Pin năng lượng mặt trời
• 5.2. So sánh điện NLMT và điện lưới
• 5.3. Hình ảnh mô phỏng của mạch Inverter (hình 3D)
• 5.4. Mạch sạc Ắc - quy và cảm biến ánh sáng
• 5.5. Tải đèn đường (tải AC)
• 5.6. Nguyên lý vận hành hệ thống
• 5.7. Tính chọn công suất mạch Inverter và Ắc - quy phù hợp với tải
• 6. CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 6.1. Kết luận
• 6.2. Hướng phát triển của đề tài
• DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG

Tóm tắt

I. Tổng quan về nghiên cứu

Nghiên cứu về giải thuật PID trong việc tìm điểm cực đại cho pin năng lượng tại HCMUTE là một lĩnh vực quan trọng trong công nghệ năng lượng tái tạo. Năng lượng mặt trời đã trở thành một nguồn năng lượng phổ biến, tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống quang điện (PV) vẫn còn thấp. Việc tối ưu hóa hiệu suất của pin năng lượng mặt trời thông qua việc tìm kiếm điểm công suất tối đa (MPP) là cần thiết để nâng cao hiệu quả sử dụng. Luận văn này tập trung vào việc áp dụng giải thuật PID để cải thiện khả năng tìm kiếm MPP, từ đó nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

1.1. Tầm quan trọng của năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch và bền vững, có khả năng thay thế các nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt. Việc nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm thiểu ô nhiễm môi trường mà còn đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này, cần có các giải pháp công nghệ tiên tiến, trong đó có việc sử dụng giải thuật PID để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

II. Cơ sở lý thuyết về giải thuật PID

Giải thuật PID (Proportional-Integral-Derivative) là một trong những phương pháp điều khiển phổ biến nhất trong các hệ thống tự động hóa. Giải thuật này hoạt động dựa trên ba thành phần chính: tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D). Mỗi thành phần này đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh đầu ra của hệ thống. Việc áp dụng giải thuật PID trong việc tìm điểm cực đại của pin năng lượng giúp cải thiện thời gian phản hồi và độ ổn định của hệ thống. Nghiên cứu cho thấy rằng việc điều chỉnh các thông số PID một cách chính xác có thể giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện môi trường khác nhau.

2.1. Nguyên lý hoạt động của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID hoạt động bằng cách tính toán sai số giữa giá trị mong muốn và giá trị thực tế. Từ đó, nó điều chỉnh đầu ra để giảm thiểu sai số này. Cụ thể, thành phần tỉ lệ (P) giúp điều chỉnh nhanh chóng theo sai số hiện tại, thành phần tích phân (I) giúp loại bỏ sai số tích lũy trong quá khứ, và thành phần đạo hàm (D) giúp dự đoán sai số trong tương lai. Sự kết hợp này giúp bộ điều khiển PID đạt được hiệu suất tối ưu trong việc duy trì hiệu suất pin trong các điều kiện thay đổi của môi trường.

III. Phương pháp nghiên cứu và mô phỏng

Nghiên cứu này sử dụng phương pháp mô phỏng để kiểm tra hiệu quả của giải thuật PID trong việc tìm điểm cực đại cho pin năng lượng. Mô hình được xây dựng trên phần mềm MATLAB/Simulink, cho phép thực hiện các thí nghiệm trong điều kiện thực tế. Các thông số của hệ thống như điện áp, dòng điện và công suất được theo dõi và điều chỉnh liên tục để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ở điểm công suất tối đa. Kết quả mô phỏng cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật PID giúp cải thiện đáng kể hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

3.1. Thiết lập mô hình mô phỏng

Mô hình mô phỏng được thiết lập dựa trên các thông số kỹ thuật của pin năng lượng và các bộ biến đổi năng lượng. Các yếu tố như cường độ ánh sáng, nhiệt độ và điện trở được đưa vào mô hình để phản ánh chính xác điều kiện hoạt động thực tế. Việc sử dụng mô phỏng giúp đánh giá hiệu quả của giải thuật PID trong việc duy trì hiệu suất pin trong các điều kiện khác nhau, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu cho việc sử dụng năng lượng mặt trời.

IV. Kết quả thực nghiệm và phân tích

Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng việc áp dụng giải thuật PID trong việc tìm điểm cực đại của pin năng lượng mang lại nhiều lợi ích. Hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh để duy trì công suất tối đa ngay cả khi điều kiện môi trường thay đổi. Phân tích dữ liệu cho thấy rằng hiệu suất của hệ thống tăng lên đáng kể so với các phương pháp truyền thống. Điều này không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn nâng cao độ tin cậy của hệ thống năng lượng mặt trời.

4.1. Đánh giá hiệu suất hệ thống

Hiệu suất của hệ thống được đánh giá dựa trên các chỉ số như công suất đầu ra, độ ổn định và thời gian phản hồi. Kết quả cho thấy rằng hệ thống sử dụng giải thuật PID có khả năng duy trì công suất tối đa trong các điều kiện khác nhau, từ đó khẳng định tính hiệu quả của phương pháp này trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời hiện là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng, được ứng dụng rộng rãi nhằm thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch truyền thống vốn gây ô nhiễm môi trường và đang dần cạn kiệt. Theo ước tính, hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các hệ thống pin mặt trời (Photovoltaic - PV) còn thấp, đặc biệt trong điều kiện ánh sáng yếu hoặc bị che bóng, đồng thời chi phí đầu tư ban đầu cao cũng là một rào cản lớn. Do đó, việc tối ưu hóa công suất thu được từ pin mặt trời là vấn đề cấp thiết nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng và giảm chi phí vận hành.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) của pin năng lượng mặt trời bằng phương pháp điều khiển PID (Proportional Integral Derivative). Mục tiêu chính là phát triển và mô phỏng giải thuật PID nhằm tăng thời gian đáp ứng của bộ dò điểm cực đại, hạn chế hư hỏng ắc-quy và duy trì nguồn điện ổn định trong điều kiện thời tiết thay đổi. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập, với mô hình và thực nghiệm tại một số địa phương có điều kiện địa lý đặc thù như vùng hải đảo Kiên Giang.

Việc ứng dụng giải thuật PID trong điều khiển MPPT không chỉ giúp nâng cao hiệu suất thu năng lượng mà còn góp phần giảm hao phí điện năng trong quá trình sạc ắc-quy, từ đó tăng tuổi thọ thiết bị lưu trữ. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn trong việc phát triển các hệ thống năng lượng mặt trời hiệu quả, phù hợp với điều kiện khí hậu và nhu cầu sử dụng tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hiệu ứng quang điện và mô hình toán học của pin mặt trời: Mạch điện tương đương của pin mặt trời bao gồm dòng quang điện, dòng bão hòa, điện trở nối tiếp và điện trở dòng rò. Đặc tính I-V và P-V của pin thay đổi theo bức xạ mặt trời và nhiệt độ, ảnh hưởng trực tiếp đến điểm công suất cực đại.

• Bộ biến đổi DC/DC: Các loại bộ biến đổi như Buck, Boost, Buck-Boost và Cúk được sử dụng để điều chỉnh điện áp đầu ra của pin mặt trời nhằm duy trì điểm làm việc tối ưu. Việc điều chỉnh tỉ lệ đóng mở khóa điện tử (duty cycle) giúp thay đổi điện áp ra phù hợp với tải.

• Bộ điều khiển PID: Là giải thuật điều khiển phản hồi gồm ba thành phần tỉ lệ (P), tích phân (I) và đạo hàm (D), giúp điều chỉnh sai số giữa giá trị đo và giá trị đặt. Bộ điều khiển PID được sử dụng để dò tìm điểm công suất cực đại bằng cách điều chỉnh điện áp hoặc dòng điện đầu ra của pin mặt trời, nhằm tối ưu hóa công suất thu được.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPP), thuật toán MPPT, bộ biến đổi DC/DC, và điều khiển PID.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa mô phỏng và thực nghiệm:

• Nguồn dữ liệu: Thu thập tài liệu chuyên ngành, các mô hình toán học và đặc tính kỹ thuật của pin mặt trời, bộ biến đổi và bộ điều khiển PID từ các báo cáo và tài liệu khoa học.

• Phương pháp phân tích: Xây dựng mô hình pin mặt trời và hệ thống điều khiển MPPT bằng phần mềm Matlab/Simulink. Giải thuật PID được lập trình để điều khiển bộ biến đổi DC/DC nhằm tìm điểm công suất cực đại trong các điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng dựa trên thông số kỹ thuật của pin mặt trời thương mại MSX 60, với các biến đổi bức xạ từ 0.2 đến 1 kW/m² và nhiệt độ từ 25 đến 50 độ C. Thực nghiệm được thực hiện trên mô hình hệ thống pin mặt trời độc lập tại một số địa phương có điều kiện khí hậu đặc thù.

• Timeline nghiên cứu: Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 5/2016 đến tháng 10/2017, bao gồm thu thập tài liệu, xây dựng mô hình, mô phỏng, thực nghiệm và phân tích kết quả.

Phương pháp nghiên cứu đảm bảo tính khoa học, khả thi và phù hợp với mục tiêu đề tài.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả của giải thuật PID trong tìm điểm công suất cực đại: Mô phỏng cho thấy giải thuật PID giúp tăng tốc độ đáp ứng của bộ dò điểm cực đại so với các giải thuật truyền thống như P&O. Ví dụ, trong điều kiện bức xạ thay đổi ngẫu nhiên trong 1 giây, điện áp và dòng điện đầu ra của pin được ổn định nhanh hơn, giúp công suất đạt gần giá trị cực đại với sai số nhỏ hơn 5%.

2. Ảnh hưởng của các yếu tố môi trường: Khi điện trở nối tiếp Rs thay đổi, điện áp tại điểm công suất cực đại Vm dao động trong khoảng 17.5V đến 19.2V, công suất cực đại Pm thay đổi từ 55W đến 60W. Tương tự, khi bức xạ mặt trời thay đổi từ 0.4 đến 1 kW/m², công suất cực đại tăng từ khoảng 20W lên đến 60W, chứng tỏ giải thuật PID có khả năng thích ứng tốt với điều kiện môi trường biến động.

3. Ổn định nguồn điện và bảo vệ ắc-quy: Giải thuật PID giúp duy trì điện áp sạc ắc-quy ổn định trong khoảng 23.8V đến 24V, hạn chế hiện tượng quá tải và kéo dài tuổi thọ ắc-quy. So sánh với bộ điều khiển sạc thông thường, phương pháp PID giảm hao phí điện năng khoảng 15-20%.

4. Thực nghiệm mô hình: Thực nghiệm trên mô hình hệ thống pin mặt trời độc lập tại Kiên Giang cho thấy điện áp và dòng điện đầu ra ổn định hơn khi sử dụng bộ điều khiển PID, đặc biệt trong điều kiện thay đổi nhiệt độ từ 25 đến 45 độ C và bức xạ từ 0.3 đến 0.9 kW/m².

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định giải thuật PID là một phương pháp hiệu quả để tìm điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời, vượt trội hơn so với các giải thuật truyền thống như P&O về tốc độ đáp ứng và độ ổn định. Nguyên nhân chính là khả năng điều chỉnh liên tục và chính xác các thông số tỉ lệ, tích phân và đạo hàm giúp bộ điều khiển thích nghi nhanh với sự thay đổi của môi trường.

So với các nghiên cứu trước đây sử dụng điều khiển logic mờ hoặc các thuật toán khác, giải thuật PID có ưu điểm về tính đơn giản trong thiết kế và khả năng ứng dụng thực tế cao với chi phí thấp. Việc mô phỏng và thực nghiệm trên mô hình thực tế cũng cho thấy tính khả thi của giải thuật trong các hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập, đặc biệt phù hợp với các vùng có điều kiện khí hậu biến động như vùng hải đảo.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến I-V, P-V dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau, cũng như bảng so sánh hiệu suất giữa các giải thuật điều khiển. Điều này giúp minh họa rõ ràng sự ưu việt của giải thuật PID trong việc duy trì công suất tối đa và ổn định nguồn điện.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Ứng dụng rộng rãi giải thuật PID trong hệ thống MPPT: Khuyến nghị các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp phát triển hệ thống năng lượng mặt trời áp dụng giải thuật PID để nâng cao hiệu suất thu năng lượng, đặc biệt trong các hệ thống độc lập tại vùng sâu, vùng xa.

2. Tối ưu hóa thông số PID theo điều kiện thực tế: Đề xuất xây dựng quy trình điều chỉnh tự động (self-tuning) các thông số P, I, D dựa trên điều kiện bức xạ và nhiệt độ thực tế nhằm tăng độ chính xác và hiệu quả điều khiển.

3. Phát triển bộ điều khiển PID tích hợp với các bộ biến đổi DC/DC hiện đại: Khuyến khích nghiên cứu tích hợp giải thuật PID với các bộ biến đổi Buck, Boost hoặc Buck-Boost để tối ưu hóa điện áp đầu ra, giảm tổn hao và tăng tuổi thọ thiết bị.

4. Đào tạo và chuyển giao công nghệ: Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về giải thuật PID và ứng dụng trong hệ thống năng lượng mặt trời cho cán bộ kỹ thuật và sinh viên ngành điện, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì hệ thống.

5. Thời gian thực hiện: Các giải pháp trên nên được triển khai trong vòng 1-2 năm, bắt đầu từ việc thử nghiệm trên mô hình nhỏ đến ứng dụng thực tế quy mô lớn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Sinh viên và giảng viên ngành Kỹ thuật Điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình pin mặt trời, bộ biến đổi và giải thuật điều khiển PID, hỗ trợ giảng dạy và nghiên cứu khoa học.

2. Kỹ sư và chuyên gia phát triển hệ thống năng lượng tái tạo: Tài liệu giúp hiểu rõ về các giải thuật MPPT, từ đó thiết kế và tối ưu hóa hệ thống pin mặt trời hiệu quả.

3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để áp dụng giải thuật PID trong sản phẩm và dịch vụ, nâng cao chất lượng và hiệu suất hệ thống.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt tại các vùng khó khăn về điện lưới.

Câu hỏi thường gặp

1. Giải thuật PID có ưu điểm gì so với các giải thuật MPPT truyền thống?
   Giải thuật PID có khả năng điều chỉnh liên tục và chính xác các thông số điều khiển, giúp tăng tốc độ đáp ứng và ổn định điểm công suất cực đại hơn so với các giải thuật như P&O, giảm sai số và hao phí điện năng.

2. Giải thuật PID có phù hợp với điều kiện thời tiết biến đổi không?
   Có. Giải thuật PID thích nghi tốt với sự thay đổi của bức xạ và nhiệt độ, duy trì công suất tối đa trong điều kiện thời tiết thay đổi, như đã chứng minh qua mô phỏng và thực nghiệm.

3. Phương pháp xác định các thông số P, I, D như thế nào?
   Thông số PID thường được xác định bằng phương pháp thực nghiệm hoặc tự chỉnh (self-tuning), dựa trên đáp ứng của hệ thống với các tín hiệu nhiễu, nhằm đạt chất lượng điều khiển tối ưu.

4. Giải thuật PID có thể áp dụng cho các hệ thống nối lưới không?
   Mặc dù nghiên cứu tập trung vào hệ thống độc lập, giải thuật PID có thể được điều chỉnh và áp dụng cho hệ thống nối lưới với các yêu cầu điều khiển phức tạp hơn.

5. Chi phí triển khai giải thuật PID trong hệ thống pin mặt trời như thế nào?
   Chi phí tương đối thấp do giải thuật PID đơn giản, dễ lập trình và tích hợp với bộ điều khiển hiện có, giúp giảm chi phí vận hành và bảo trì so với các giải thuật phức tạp khác.

Kết luận

• Giải thuật PID được chứng minh là hiệu quả trong việc tìm điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời, tăng tốc độ đáp ứng và ổn định nguồn điện.
• Mô hình toán học và mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy khả năng thích nghi tốt với các điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi.
• Thực nghiệm trên mô hình thực tế tại Kiên Giang xác nhận tính khả thi và hiệu quả của giải thuật trong hệ thống pin mặt trời độc lập.
• Giải thuật PID giúp bảo vệ ắc-quy, giảm hao phí điện năng và kéo dài tuổi thọ thiết bị lưu trữ.
• Đề xuất triển khai ứng dụng giải thuật PID trong các hệ thống năng lượng mặt trời, đồng thời phát triển các phương pháp tự chỉnh thông số để nâng cao hiệu quả điều khiển trong tương lai.

Hãy bắt đầu áp dụng giải thuật PID trong hệ thống năng lượng mặt trời của bạn để tối ưu hóa hiệu suất và tiết kiệm chi phí vận hành ngay hôm nay!

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu 1.1 Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch luôn có xu hướng gây ô nhiễm môi trường, hiện nay đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên và làm ảnh hưởng đến môi trường sinh thái. Việc tìm ra nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu. Năng lượng mặt trời, năng lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có công suất không lớn và giá thành còn quá đắt [1]. Việc nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển được nhiều sự chú ý vì tính ưu việt của nó như: luôn có sẵn, siêu sạch và gần như vô tận, tuy nhiên sử dụng nó một cách hiệu quả vẫn là vấn đề luôn được quan tâm, vì vậy trong những năm gần đây hoạt động nghiên cứu năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ở nước ta đã được triển khá mạnh mẽ và rộng khắp.

Bên cạnh đó có nhiều thách thức liên quan đến sử dụng năng lượng mặt trời, đặc biệt là quan tâm đến giá thành và hiệu suất chuyển đổi năng lượng của pin mặt trời, chi phí đầu tư pin năng lượng mặt trời. Tuy nhiên vì nhu cầu và điều kiện về vị trí địa lý (đặc biệt như là vùng hải đảo ở Kiên Giang) nên hiện nay nguồn năng lượng mặt trời vẫn đang được sử dụng rất nhiều, cho nên rất cần thiết cải thiện hiệu suất phương pháp sử dụng pin năng lượng mặt trời thông qua việc dò công suất cực đại để đảm bảo pin năng lượng mặt trời luôn vận hành ở điều kiện tối ưu và công suất pin đạt được giá trị cực đại đó cũng chính là nội dung tác giả đề tài này nghiên cứu. Pin năng lượng mặt trời hay Pin mặt trời hay pin quang điện là phần tử bán dẫn có chứa trên bề mặt một số lượng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Sự chuyển đổi này thực hiện theo hiệu ứng quang điện [1].

1 Luan van Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lưới khó vươn tới như núi cao, ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể như các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính xách tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước. Các Pin năng lượng mặt trời được thiết kế như những modul thành phần, được ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lượng mặt trời có diện tích lớn, thường được đặt trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể có thể đó ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện. Các tấm pin mặt Trời lớn ngày nay được lắp thêm bộ phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hướng ánh sáng, giống như cây xanh hướng về ánh sáng mặt trời.

Bộ ắc-quy Là thiết bị lưu trữ điện để sử dụng vào ban đêm hoặc lúc trời ít hoặc không còn ánh nắng. Ắc-quy có nhiều loại, kích thước và dung lượng khác nhau, tùy thuộc vào công suất và đặc điểm của hệ thống pin mặt trời. Hệ thống có công suất càng lớn thì cần sử dụng Ăc-quy có dung lượng lớn hoặc dùng nhiều bình Ắc-quy kết nối lại với nhau dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời thường dùng Ắc-quy khô chuyên dụng hoặc Ắc-quy viễn thông [4]. Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về năng lượng mặt trời và phương pháp thu được năng lượng mặt trời cực đại nhất dùng bộ điều khiển PID, đồng thời khảo sát các thiết bị để sử dụng năng lượng mặt trời cho hộ gia đình.

Thông qua đề tài này cho ta những lựa chọn hợp lý để tìm được điểm cực đại của Pin năng lượng mặt trời đưa điện mặt trời vào cuộc sống của hộ gia đình. Đã có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau để dò tìm điểm cực đại của hệ thống Pin mặt trời, nhưng điểm khác nhau giữa các phương pháp là hiệu suất và giá thành, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và hạn chế riêng. Ở đề tài này tác giả thử nghiệm sử dụng bộ PID dò tìm điểm công suất cực đại của Pin mặt trời và cái nhìn tổng quan về hệ MPPT lên hệ thống năng lượng mặt trời làm việc độc lập [4]. Giải thuật PID là giải thuật cơ bản bao gồm một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral Derivative) theo cơ chế phản hồi, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – Bộ điều khiển 2 Luan van PID sẽ tính toán giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị đặt mong muốn, sử dụng bộ điều khiển PID ta có thể điều chỉnh nguồn năng lượng thu được khi thay đổi cường độ ánh sáng [20-21].

Giải thuật PID cũng khắc phục được nhược điểm của giải thuật P&O truyền thống, và tỏ ra có một số ưu điểm so với P&O cải tiến theo phương pháp hồi tiếp và điều chỉnh giá trị điều khiển. Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ biến đổi sai số. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai số tương lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.

Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Việc xác định các thông số của bộ điều khiển PID bằng các phương pháp thực nghiệm có ưu điểm là đơn giản và trực quan, yêu cầu chỉ cần biết một ít thông tin về hàm truyền đạt của qúa trình và kết qủa đạt được có thể chấp nhận. Tuy nhiên đối với những ứng dụng đòi hỏi chất lượng cao hơn thì các thông số của bộ điều khiển PID sau khi được xác định phải được thay đổi để đạt chất lượng như mong muốn. So với nhiều phương pháp thực nghiệm việc xác định các thông số cho bộ điều khiển PID mất nhiều thời gian hơn.

Khi thực hiện bộ điều khiển PID có 3 kỹ thuật thích nghi chính: - Điều khiển thích nghi: Một bộ điều khiển mà các thông số cửa nó sẽ được điều chỉnh liên tục để đáp ứng với các thay đổi trong quá độ và ảnh hưởng của nhiễu. - Tự chỉnh ( Self tuning) ; Tự chỉnh trong đó bộ điều khiển được điều chỉnh tự động theo yêu cầu của người sử dụng thông qua phương pháp tính toán các thông số của bộ điều khiển PID thường dùng. Tự chỉnh gồm có 3 bước: Tạo nhiễu quá trình; Đánh giá đáp ứng nhiễu; Tính toán các thông số của bộ điều khiển. 3 Luan van - Quy trình điều khiển: Xây dựng một bảng danh mục các điều kiện vận hành, dựa vào bảng này mà có thể cho phép thay đổi nhanh chóng các thông số của bộ điều khiển trong các điều kiện vận hành khác nhau.2 Các kết quả nghiên cứu có liên quan Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời, chủ yếu trong các lĩnh vực sau: * Mô phỏng theo dõi điểm công suất tối đa của hệ thống PV dựa trên điều khiển Fuzzy Logic[7].

Bài viết này trình bày một cách tìm điểm công suất tối đa (MPPT) sử dụng lý thuyết Fuzzy Logic cho một hệ thống PV. Công việc được tập trung vào quan sát (P & O) và thuật toán được so sánh với một bộ điều khiển logic mờ, các công việc mô phỏng đối phó với bộ điều khiển MPPT; một bộ chuyển đổi DC / DC Cuk sử dụng cho một tải trọng là đạt được. Kết quả cho thấy rằng đề xuất Fuzzy Logic MPPT trong hệ thống PV là hợp lệ. * Toán học Mô hình hóa và mô phỏng kỹ thuật số của PV Solar Panel sử dụng phần mềm MATLAB – MBOUMBOUE [21].

Bài báo khoa học này đề cập đến phương pháp đơn giản của mô hình hóa và mô phỏng các tấm quang điện sử dụng gói phần mềm MATLAB. Phương pháp này được sử dụng để xác định các đặc trưng của PV panel và để nghiên cứu ảnh hưởng của các giá trị khác nhau của bức xạ mặt trời ở nhiệt độ khác nhau liên quan đến hiệu suất của tế bào quang điện. * Advanced Fuzzy MPPT Controller for a stand-alone PV system [22]. Trong bài báo này, một phương pháp thông minh theo dõi quan điểm cực đại (MPPT) sử dụng điều khiển logic mờ cho hệ thống quang điện (PV).

Các hệ thống PV gồm PV mảng năng lượng mặt trời, buck DC-DC chuyển đổi, và điều khiển MPPT. Fuzzy điều khiển logic (FLC) dễ dàng để thực hiện. Kết quả mô phỏng so với những người thu được bởi sự nhiễu loạn thông thường và quan sát (P&O) kỹ thuật cho thấy tính hiệu quả của bộ điều khiển logic mờ trong điều kiện thời tiết khác nhau trạng thái ổn định. 4 Luan van * Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [10].

* Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking techniques, 2006, Trishan Esram, Patrik L. Bài báo khoa học này đề cập đến nhiều giải thuật như: P&O, Incremental conductance, Fractional open circuit voltage, … Tuy nhiên chúng ta chỉ giới hạn xem xét giải thuật P&O - P&O còn gọi là phương pháp “leo đồi”, nội dung là điều khiển tăng hoặc giảm điện áp sao cho công suất thu được là cực đại. Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra Hình 1.1: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra Thuyết minh giải thuật P&O: Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp.