Đặt vấn đề Sự phát triển kinh tế kỹ thuật và nâng cao chất lượng cuộc sống đòi hỏi nhu cầu năng lượng của con người rất cao. Hiện nay, có nhiều dạng năng lượng khác nhau như nhiệt năng, cơ năng, năng lượng ánh sáng, hóa năng, điện năng,… Do đặc điểm của điện năng là khả năng biến đổi nhanh chóng và dễ dàng thành các dạng năng lượng khác. Vì vậy, điện năng là một chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá trình độ phát triển khoa học kỹ thuật cũng như nền kinh tế của xã hội. Tuy nhiên, nó được sản xuất từ các dạng năng lượng khác, trong đó quan trọng nhất là than đá, dầu mỏ, khí đốt,.
Các dạng năng lượng này khi được đốt để sinh nhiệt sản xuất điện sẽ tạo ra rất nhiều chất thải, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và dẫn đến ảnh hưởng đến sức khỏe con người, mặt khác góp phần thúc đẩy hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo sau một thời gian khai thác ngày càng cạn kiệt. Vì vậy, hiện nay các nguồn năng lượng mới như mặt trời, gió, thủy triều,. đã được nghiên cứu sử dụng rộng rãi và ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trong những năm gần đây trên thế giới cũng như Việt Nam [1].
Những nguồn năng lượng này được coi là vô tận đối với con người, vì hoạt động khai thác tạo ra ít hoặc không có chất thải, tiếng ồn hoặc ô nhiễm môi trường [2]. Mỗi giây mặt trời phát ra một năng lượng rất lớn vào hệ mặt trời, chỉ một phần nhỏ trong tổng bức xạ tới trái đất với công suất khoảng 1.367 MW/ m2 ở lớp ngoài trái đất, 30% bức xạ này bị phản xạ trở lại không gian, 70% được hấp thụ bởi mặt đất, đại dương và khí quyển thành nhiệt sau đó bức xạ trở lại không gian. Mặt trời là một nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng đó là nguồn năng lượng sạch, đáng tin cậy, gần như vô tận và ở khắp mọi nơi. Việc khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) không thải ra nước và khí độc hại nên không góp phần gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính.
Tiềm năng về NLMT phân bố không đều trên trái đất, năng lượng mặt trời phát triển mạnh nhất ở vùng xích đạo, nhiệt đới và một số nơi khô hạn nhưng giảm dần về các cực của trái đất. Tiềm năng kinh tế khi khai thác NLMT phụ thuộc vào vị trí, đặc điểm khí 1 hậu, thời tiết cụ thể của từng vùng. Theo thống kê, bức xạ trung bình của một nơi trên thế giới vào khoảng 2000 kWh / m2 / năm [2]. Nhu cầu điện tăng trưởng do sự phát triển kinh tế của Việt Nam luôn tăng đều trong các năm qua, vào khoảng 10% hàng năm.
Bên cạnh đó, sự gia tăng dân số cũng kéo theo nhu cầu dùng điện tăng lên cùng với quá trình đô thị hóa và được dự báo xu hướng tăng này tiếp tục kéo dài trong những năm tới. Với tiềm năng về NLTT lớn và đặc biệt là NLMT, Việt Nam đã có những nỗ lực để đa dạng hóa nguồn điện sử dụng NLTT bên cạnh các nguồn nhiên liệu truyền thống đã khiến cho công suất NLTT được lắp đặt cả hòa lưới lẫn độc lập ngày càng cao (xem Bảng 0. Theo số liệu gần nhất, tính đến 2021 Việt Nam đã có tổng công suất lắp đặt điện PV vào khoảng 16,5 GW và vẫn đang có nhiều dự án lắp đặt mới vào năm 2022 gấp hơn 50 lần so với 2019. Việt Nam được xem là một trong những nơi trên thế giới có tiềm năng về NLMT lớn nhất.1 Tiềm năng về NLMT ở theo các khu vực ở Việt Nam Số giờ nắng Bức xạ Tiềm năng và sự khả Khu vực/Vùng/miền trong năm (kWh/m2/ ngày) dụng (giờ) Khu vực Đông bắc bộ 1.700 3,3 – 4,1 Dưới trung bình Khu vực Tây bắc bộ 1.900 4,1 – 4,9 Trung bình Khu vực Bắc trung bộ 1.000 4,6 – 5,2 Tốt Khu vực Tây nguyên và Nam 2.600 4,9 – 5,7 Rất tốt trung bộ Khu vực Nam bộ 2.500 4,3 – 4,9 Rất tốt Trung bình chung 1.500 4,6 Tốt Trở ngại chính trong việc khai thác nguồn NLMT là chi phí đầu tư của hệ thống pin quang điện lớn.
Bên cạnh đó, khai thác NLMT phụ thuộc vào thời tiết, công suất điện thay đổi theo thời gian và điều kiện khí hậu trong ngày. Bên cạnh đó, hiệu suất chuyển đổi NLMT từ bức xạ sang năng lượng điện vẫn còn thấp, nên cần diện tích lớn để lắp đặt hệ thống Photovoltaic (PV) khi có nhu cầu công suất lớn. Công suất phát ra phụ thuộc vào điện áp làm việc của PV. Do đặc điểm của công nghệ, PV có 1 điểm làm việc ở điện áp đó sẽ có công suất tương ứng lớn nhất gọi là điểm làm việc cực đại trên đặc tuyến P−V, xem Hình 0.
Nhưng điểm này lại dịch chuyển tùy theo những điều kiện làm việc là bức xạ chiếu vào PV và nhiệt độ môi trường tác động lên PV. Do đó, 2 giải thuật MPPT trong hệ thống PV và bộ điều khiển bộ chuyển đổi công suất sẽ điều khiển hệ PV luôn ở điểm làm việc cực đại (MPP) này [3]. Giải thuật MPPT phải có khả năng đáp ứng nhanh, điều khiển bộ biến đổi hoạt động chính xác ở điểm làm việc cực đại của PV và luôn bám theo điểm làm việc ở chế độ này khi các điều kiện môi trường thay đổi [4]. Tấm PV và đặc tuyến làm việc được trình bày trong Hình 0.
Ipv,Ppv Ipv UMPP, IMPP Isc MPP Upv Uoc (a) (b) Hình 0.1 Pin mặt trời : (a) Cấu tạo; (b) Đặc tuyến làm việc [5] Nhiều nghiên cứu về nâng cao hiệu quả của hệ thống phát điện công nghệ PV và có thể chia thành các hướng chính là nâng cao hiệu suất của môđun PV, nghiên cứu bộ chuyển đổi công suất cho hệ thống PV, nghiên cứu thuật toán MPPT cho điều khiển hệ thống PV. Trong thuật toán MPPT lại được chia thành 2 hướng chính: điều khiển góc quay của modul PV để thu lượng bức xạ mặt trời lớn nhất và điều khiển bộ biến đổi công suất của hệ thống PV sao cho năng lượng điện tạo ra là lớn nhất. Nâng cao hiệu quả làm việc của các module PV trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ bán dẫn, đòi hỏi ngoài kiến thức chuyên môn, phải có đủ công nghệ thử nghiệm, khai thác và mức đầu tư lớn nhưng khá khó khăn trong điều kiện Việt Nam hiện nay. Tuỳ thuộc vào điện áp của module PV và cách kết nối các module PV thành hệ thống những hàng và dãy mà điện áp ngõ ra sẽ khác nhau.
Do đó, tuỳ thuộc vào điện áp yêu cầu của tải mà có nhiều dạng mạch biến đổi công suất cho hệ thống PV, một số loại cơ bản như mạch giảm áp, mạch tăng áp, mạch tăng−giảm áp,… đã được các nhà nghiên cứu trình bày tại các tài liệu [6-12]. Đối với giải thuật MPPT điều khiển hướng xoay của module PV, giải thuật này điều khiển các bộ phận cơ điện sao để module PV luôn hướng về phía mặt trời, đây là vị trí mà module PV thu được lượng bức xạ cực đại từ mặt trời [13, 14]. Có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển xoay trục nâng đỡ modul PV để tăng hiệu suất thu NLMT ở 3 nước ngoài lẫn trong nước. Tuy nhiên trong luận văn này sẽ chỉ tập trung giới thiệu về kỹ thuật MPPT trong điều khiển mạch biến đổi công suất của hệ PV.
Có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về giải thuật MPPT cho các kiểu bộ biến đổi công suất khác nhau của hệ thống PV. Đầu tiên là giải thuật MPPT dùng bảng tra, chứa các thông số MPP để điều khiển hệ thống làm việc. Đặc điểm của giải thuật này là quá trình tính toán được thực hiện và kiểm tra trước nên bộ điều khiển làm việc ít hơn, tuy nhiên dữ liệu được lưu trữ lại chiếm dung lượng khá lớn nên gặp nhiều khó khăn về bộ nhớ trong bộ vi xử lý [15]. Trong nghiên cứu [16], vấn đề khó khắn này được đề xuất xử lý bằng phương pháp thực nghiệm để tìm ra các mối quan hệ trên đặc tuyến làm việc nhằm giảm khối lượng dữ liệu lưu trữ và đưa ra được tỷ lệ giữa điện áp làm việc điện áp hở mạch và điện áp khi PV làm việc tại MPP.
Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi các modul PV khác nhau về hãng sản xuất, công nghệ sẽ có kết quả khác nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ tấm pin. Các giải thuật mới sử dụng kỹ thuật P&O (Perturb and Observe) hay cải tiến của P&O đã khắc phục được một phần nào nhược điểm nói trên [17-21]. Tuy nhiên, công suất PV thu được bị dao động lớn và dễ tìm sai điểm MPP toàn cục khi bức xạ thay đổi hoặc điều kiện bị bóng râm một phần của module PV hay dãy PV [21-24]. Gần đây với sự phát triển về công nghệ bán dẫn các bộ vi điều khiển được chế tạo có khả năng tính toán mạnh mẽ xuất hiện, nhiều giải thuật thông minh đối với MPPT cho hệ thống PV cũng được nhiều tác giả trình bày, những giải thuật này có thể tính toán nhanh và chính xác điểm MPP cũng như hệ thống PV làm việc ít dao động khi ổn định như giải thuật Fuzzy [25-27], giải thuật ANN [27, 28], giải thuật PSO [29- 31] và các biến thể cải tiến của các giải thuật này [19, 21, 27, 32-39].
Những nghiên cứu chỉ thực hiện trên các phần mềm mô phỏng, một số được thực nghiệm ghi nhận được cho kết quả rất tốt khi so sánh với các giải thuật truyền thống. Tuy nhiên đối với những ứng dụng nhỏ thì việc sử dụng các bộ vi điều khiển có đủ sức để xử lý các thuật toán phức tạp khiến cho giá thành bị nâng lên nên khó áp dụng. Nói chung, công suất phát ra của một modul hoặc hệ thống PV phụ thuộc vào công nghệ chế tạo modul PV, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời, phụ thuộc vào điều kiện môi trường tác động: bức xạ mặt trời, nhiệt độ, điều kiện bị các vật thể khác che phủ,. Bên cạnh đó, thông số tải cũng ảnh hưởng đến quá trình làm việc và hiệu suất của hệ thống.
Do đó, việc tìm hiểu về NLMT, công nghệ PV, kỹ thuật biến đổi công suất trong 4 hệ thống PV và các thuật toán điều khiển hệ thống luôn được nghiên cứu để cải thiện nâng cao hiệu quả làm việc. Điều này có thể giúp các hệ thống PV hoạt động có hiệu quả hơn và đặc biệt là tiết kiệm chi phí đầu tư và vận hành hơn.