Đặt vấn đề: Trong những năm gần đây, nhiều công trình nghiên cứu khác nhau đã được thực hiện về việc sử dụng năng lượng quang điện (PV) làm nguồn năng lượng thay thế. Năng lượng PV là một trong những nguồn năng lượng tái tạo hứa hẹn nhất và nó sạch sẽ, vô tận và miễn phí [1]. Một số ứng dụng sử dụng công nghệ này đã được phát triển như hệ thống điện vệ tinh, các thế hệ năng lượng mặt trời, trạm sạc pin năng lượng mặt trời và các phương tiện mặt trời [2-5]. Điểm bất lợi chính của PV là hiệu suất chuyển đổi năng lượng thấp so với các nguồn thay thế khác.
PV là một nguồn phi tuyến tính phụ thuộc vào bức xạ và nhiệt độ trong hoạt động của nó. Theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) được giới thiệu đến công suất tối đa từ mảng PV. Hiện tại, thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) là phổ biến nhất và được sử dụng rộng rãi vì nó là thuật toán đơn giản nhất và dễ thực hiện so với các phương pháp khác [6- 9]. Tuy nhiên, nó vẫn có những hạn chế chung như sau: Theo dõi kém, không đủ thông minh và kém hiệu quả trong quá trình thay đổi nhanh chóng của bức xạ bởi vì nó di chuyển ra khỏi điểm điện tối đa thực (MPP) [10, 11].
* Không có khả năng xác minh xem giá trị công suất đầu ra mới cao hơn là do lượng chiếu xạ mới hay giá trị chu kỳ nhiệm vụ mới [10]. * Dao động liên tục xung quanh điểm vận hành tối ưu làm cho mức công suất trung bình bị lệch khỏi MPP đặc biệt là ở mức chiếu xạ thấp [12, 13]. * Nó đi qua lại xung quanh MPP và không thể chính xác [14]. * Phản ứng chậm thời gian [15].
Một nhược điểm đáng kể khác của thuật toán này là không có khả năng hoạt động tốt với nhiễu. Trong hệ thống PV như vậy, hệ số nhiễu tồn tại và phải được xem xét nghiêm túc không chỉ vì không tuyến tính của nguồn PV, mà có thể đến từ bộ điều khiển, từ sai số do đo lường điện áp và dòng điện [16]. Nhiễu trong đo lường dòng áp ảnh hưởng lớn đến xác định điểm MPP trong thuật toán MPPT. Trong một HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 1 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS.
NGUYỄN NHÂN BỔN số trường hợp cụ thể, như tại điểm MPP, thuật toán thực hiện số bước nhảy lên và xuống bằng nhau để duy trì điểm hoạt động. Với sự tác động của sai số trong đo lường dòng áp, thuật toán sẽ xác định sai do tính toán sai giá trị công suất PV. Sai số trong trường hợp này tác động đáng kể lên bên phải điểm MPP. Nhiễu trong đo dòng sẽ ảnh hưởng lên toàn đường cong PV.
Sự giao động có thể xảy ra sẽ góp phần làm tăng tổn thất công suất. Bước tiến mới trong quá trình phát triển các giải thuật MPPT là sử dụng hệ thần kinh nhân tạo trong các kỹ thuật điều khiển như là logic mờ, mạng nơ ron, lai nơ ron-logic mờ và các thuật toán di truyền. ưu điểm của các giải thuật MPPT mới là thời gian đáp ứng nhanh và ổn định hơn khi so với các giải thuật truyền thống điều khiển logic mờ (FLC) là một trong những thuật toán phổ biến do chúng đơn giản và dễ thực thi. Nó được phát triển với sự cải tiến đáng kể trong hiệu suất và tỉ số công suất cực đại [29–31].
Mặc dù thuật toán FLC tốt hơn so với thuật toán P&O, vẫn có nhược điểm xảy ra khi nó không thể định vị chính xác đủ MPP. Đầu vào của nó, lỗi và thay đổi lỗi, cần phải được tính toán đầu tiên. Quá trình tính toán có thể góp phần hạn chế về thời gian đáp ứng và độ chính xác của MPPT để theo dõi MPP khi thuật toán được thực hiện trong bộ điều khiển kỹ thuật số. Hơn nữa, hầu hết các công trình trên thuật toán này đã không xem xét yếu tố nhiễu và nó sẽ không hoạt động phù hợp với chiếu xạ thấp dẫn đến dao động cao.
Điện áp và dòng điện của PV được đo và sử dụng bởi thuật toán MPPT để tạo ra chu kỳ nhiệm vụ thích hợp cho bộ chuyển đổi DC-DC tăng cường được kết nối giữa bảng điều khiển PV và tải. Luận văn này trình bày công việc về việc cải thiện thuật toán MPPT để có thể tăng hiệu suất của PV hệ thống. Công trình này giới thiệu sự kết hợp thích ứng của các tính năng trong cả P&O và FLC thông thường để tạo thành một thuật toán duy nhất cho MPPT của bộ chuyển đổi tăng tốc PV DC– DC, nên đơn giản và nhanh chóng, đóng góp và thành tích quan trọng nhất là khả năng đáp ứng tốt với nhiễu. Thuật toán MPPT được đề xuất được đánh giá và so sánh với cả thuật toán P&O thông thường dưới trạng thái ổn định và hiệu suất động với nhiều điều kiện chiếu sáng khác nhau.
Một trọng tâm khác trong công việc này là để đánh giá hiệu HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 2 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN suất của MPPT ở mức độ chiếu xạ thấp có thể đóng góp đáng kể khác nhau giữa hai thuật toán này. Ở Việt Nam cũng có nhiều bài báo viết về năng lượng mặt trời đề xuất phương pháp điều khiển mờ cấu trúc biến đổi bám theo điểm công suất cực đại của pin mặt trời [32], thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới 22 KV [33] ,Hòa năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối [34], so sánh hai thuật toán INC và P&O trong điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời độc lập [35], Nghiên cứu tiêu chuẩn và phương pháp tối ưu công suất của hệ thống điện mặt trời nối lưới xét cho trường họp lưới điện hạ thế 1 pha [36]. Hiện nay có rất nhiều phương pháp khác nhau để dò tìm MPP của tấm pin PV.
Mỗi phương pháp đánh giá về hiệu suất dựa trên một số tiêu chí quan trọng. Mặc dù rất khó để đánh giá thành công của mỗi phương pháp dựa trên một chỉ số hiệu suất tổng quát, một cuộc thảo luận chi tiết về sự phụ thuộc, sự hội tụ, các điều kiện che bóng một phần, sự phức tạp của thuật toán và thực hiện thực tế với sự mở rộng nhanh chóng trong khả năng tính toán, sự quan tâm của MPPT dường như đang tăng lên để có thể tìm ra phương pháp tối ưu phù hợp với thực tế và dễ dàng thi công. Hơn nữa, các thuật toán MPPT thích nghi thích hợp rất thích hợp trong việc xử lý các điều kiện môi trường bất lợi như che bóng từng phần và thay đổi nhanh về chiếu xạ.2 Hướng nghiên cứu của luận văn Luận văn này trình bày một thích ứng và quan sát (P&O) kiểm soát mờ điểm theo dõi công suất tối đa (MPPT) cho quang điện (PV) thúc đẩy chuyển đổi DC-DC. P&O được biết đến như một thuật toán MPPT rất đơn giản và được sử dụng rộng rãi.
Logic mờ cũng đơn giản để được phát triển và cung cấp phản hồi nhanh. Kỹ thuật được đề xuất kết hợp cả hai lợi thế của chúng. Nó sẽ cải thiện hiệu suất MPPT đặc biệt với nhiễu hiện có. Để phân tích đánh giá và so sánh, thông thường P&O và logic mờ các thuật toán điều khiển cũng đã được phát triển.
Tất cả các thuật toán được mô phỏng trong MATLAB-Simulink, tương ứng, kết nối với PV để tăng công cụ chuyển đổi DC-DC. Đánh giá hiệu suất bao gồm vượt qua, đáp ứng thời gian, tỷ lệ công suất HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 3 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN cực đại, dao động và độ ổn định như được mô tả trong luận văn này. Từ kết quả và phân tích, điều khiển P&O mờ mờ thích ứng MPPT cho thấy hiệu suất tốt nhất với phản hồi thời gian nhanh, ít vọt lố và ổn định hơn khi hoạt động.
Nó có tỷ lệ công suất tối đa cao so với hai thuật toán MPPT thông thường khác, đặc biệt là với hiện tại của nhiễu trong hệ thống ở mức độ chiếu xạ thấp.3 Mục tiêu của luận văn Qua phân tích định hướng nghiên cứu của luận văn và các hướng nghiên cứu chủ yếu về năng lượng mặt trời hiện nay, luận văn đặt ra các mục tiêu sau: + Đề xuất một giải thuật vận hành hệ thống năng lượng mặt trời có khả năng thu nhận tối đa nguồn điện năng cung cấp từ các tấm pin trong các điều kiện bức xạ mặt trời khác nhau. + Xây dựng mô hình trên matlab điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời được xây dựng để kiểm chứng hiệu quả giải thuật được đề xuất.4 Nhiệm vụ của luận văn Qua phân tích các mục tiêu của luận văn, một số nhiệm vụ cụ thể cần phải đạt được trong luận văn được chỉ ra như sau: a. Nhiệm vụ nghiên cứu + Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và nguyên lý pin quang điện (PV), phương trình toán học tương đương. + Nghiên cứu về các phương pháp điều khiển điểm công suất cực đại của pin năng lượng mặt trời.
Các giải thuật điều khiển tiêu biểu và phân tích ưu nhược điểm của các phương pháp điều khiển này. (Dùng thuật toán P&O kết hợp Fuzzy) + Nghiên cứu tìm hiểu về bộ chuyển đổi công suất DC/DC dùng trong xác định điểm công suất cực đại của bộ pin năng lượng mặt trời. + Lập giải thuật và mô phỏng mô hình MPPT đề xuất bằng phần mềm MATLAB. + Đánh giá kết quả mô phỏng.
+ Kết luận HVTH : LÊ VIỆT TIẾN 4 LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP GVHD: TS. NGUYỄN NHÂN BỔN b. Giới hạn của đề tài + Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các vấn đề như sau: + Nghiên cứu bộ điều khiển MPPT thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực và chưa có kết hợp nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác vào chung.5 Phương pháp nghiên cứu + Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet). + Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu.
+ Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink. + Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. + Nghiên cứu lập trình điều khiển cho giải thuật được đề xuất.6 Điểm mới của luận văn Luận văn đề xuất một phương án sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả nhất cho các vùng sâu, vùng xa, các vùng có điều kiện vị trí địa lý khó khăn.