Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào, sạch và gần như vô tận, với công suất bức xạ trung bình khoảng 2000 kWh/m²/năm trên toàn cầu. Tại Việt Nam, tiềm năng NLMT rất lớn, đặc biệt ở khu vực Tây Nguyên và Nam Bộ với bức xạ từ 4,9 đến 5,7 kWh/m²/ngày, được đánh giá là rất tốt cho phát triển hệ thống điện mặt trời. Tuy nhiên, việc khai thác NLMT hiệu quả còn gặp nhiều thách thức do đặc tính phi tuyến của pin quang điện (PV) và sự biến đổi liên tục của điều kiện môi trường như bức xạ và nhiệt độ. Để tối ưu hóa công suất phát điện, các hệ thống PV cần vận hành tại điểm công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) thông qua các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT).

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phát triển và đánh giá các thuật toán MPPT nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống pin quang điện, đặc biệt trong điều kiện thay đổi môi trường và khi có hiện tượng bóng râm một phần (Partial Shading Condition - PSC). Nghiên cứu tập trung vào mô phỏng hệ thống PV gồm 4 module nối tiếp (4 x 60 Wp) cấp điện cho tải DC độc lập qua bộ biến đổi công suất DC-DC tăng áp, sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng hiệu quả các thuật toán MPPT truyền thống và cải tiến. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thuật toán MPPT phổ biến như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC), phương pháp hằng số điện áp (CV), và các giải thuật nâng cao như P&O điều chỉnh và Duty Scanning cho hệ PV bị bóng râm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất hệ thống PV, giảm thiểu chi phí đầu tư và vận hành, đồng thời góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam, nơi có nhu cầu điện tăng trưởng khoảng 10% mỗi năm và tiềm năng NLMT dồi dào.

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 (Photovoltaic Effect): Nguyên lý chuyển đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng qua các tế bào bán dẫn p-n, tạo ra dòng điện một chiều. Đặc tính làm việc của PV được mô tả qua các đường cong I-V và P-V, trong đó điểm công suất cực đại (MPP) là điểm tối ưu để khai thác năng lượng.

  • Mạch biến đổi công suất DC-DC: Các mạch biến đổi như Buck (giảm áp), Boost (tăng áp), và Buck-Boost (tăng-giảm áp) được sử dụng để điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra của hệ PV phù hợp với tải. Việc điều khiển hệ số chu kỳ (duty cycle) của mạch biến đổi bằng kỹ thuật PWM (Pulse Width Modulation) là cơ sở để thực hiện thuật toán MPPT.

  • Thuật toán MPPT: Các thuật toán phổ biến gồm:

    • Perturb and Observe (P&O): Dò tìm MPP bằng cách thay đổi điện áp và quan sát sự thay đổi công suất.
    • Incremental Conductance (INC): Dựa trên đạo hàm của công suất theo điện áp để xác định vị trí MPP.
    • Phương pháp hằng số điện áp (CV): Điều khiển điện áp PV gần bằng một tỷ lệ cố định của điện áp hở mạch.
    • Duty Scanning: Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) trong trường hợp PV bị bóng râm một phần, có nhiều điểm cực đại cục bộ.

Các khái niệm chính bao gồm: điểm công suất cực đại (MPP), điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP), hiện tượng bóng râm một phần (PSC), và các đặc tính điện áp-dòng điện của PV.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Sử dụng thông số thực tế của module PV 60 Wp, gồm 4 module nối tiếp, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Các điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời (từ 300 đến 1000 W/m²) và nhiệt độ (25°C đến 65°C) được thay đổi để đánh giá hiệu suất thuật toán.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng hoạt động của hệ PV kết hợp mạch biến đổi công suất DC-DC tăng áp và các thuật toán MPPT truyền thống (P&O, INC, CV) cùng các biến thể cải tiến (P&O điều chỉnh, Duty Scanning). So sánh hiệu quả dựa trên các chỉ số như công suất đầu ra, thời gian ổn định, độ dao động và khả năng tìm đúng điểm MPP trong điều kiện bóng râm.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô hình hệ PV gồm 4 module 60 Wp, mô phỏng trong các điều kiện môi trường khác nhau. Thời gian nghiên cứu từ tháng 4 đến tháng 10 năm 2022, với các giai đoạn: xây dựng mô hình, mô phỏng thuật toán, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả thuật toán P&O và INC: Thuật toán P&O truyền thống có thể đạt hiệu suất MPPT khoảng 90-95% trong điều kiện bức xạ ổn định, nhưng dễ bị dao động và sai điểm MPP khi bức xạ thay đổi nhanh hoặc có bóng râm. Thuật toán INC cho kết quả ổn định hơn với độ chính xác cao hơn, giảm dao động công suất khoảng 10% so với P&O.

  2. Cải tiến thuật toán P&O điều chỉnh: Việc điều chỉnh độ lớn nhiễu loạn ΔD theo điểm làm việc giúp tăng tốc độ dò tìm MPP và giảm dao động công suất sau khi đạt điểm cực đại. Mô phỏng cho thấy thời gian ổn định giảm khoảng 30% so với P&O cố định, đồng thời công suất đầu ra tăng thêm khoảng 3-5%.

  3. Ảnh hưởng của bóng râm một phần (PSC): Khi các module PV bị bóng râm không đều, đặc tuyến P-V xuất hiện nhiều điểm cực đại cục bộ (LMPP), gây khó khăn cho các thuật toán MPPT truyền thống trong việc tìm đúng điểm GMPP. Mô phỏng cho thấy công suất đầu ra giảm tới 20-25% nếu thuật toán không xử lý được PSC.

  4. Hiệu quả thuật toán Duty Scanning: Thuật toán dò tìm GMPP bằng phương pháp Duty Scanning cho phép xác định chính xác điểm công suất cực đại toàn cục trong điều kiện PSC, cải thiện công suất đầu ra lên đến 15% so với P&O và INC truyền thống. Tuy nhiên, thuật toán này yêu cầu tính toán nhiều hơn và thời gian dò tìm dài hơn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng được trình bày qua các biểu đồ đặc tuyến P-V, I-V và đồ thị công suất theo thời gian, cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa các thuật toán MPPT trong các điều kiện môi trường khác nhau. Thuật toán P&O đơn giản nhưng có nhược điểm về độ ổn định và dễ bị nhầm lẫn điểm cực đại trong điều kiện bóng râm. Thuật toán INC có độ chính xác cao hơn nhưng phức tạp hơn về tính toán.

Việc cải tiến P&O bằng cách điều chỉnh độ nhiễu loạn ΔD giúp khắc phục phần nào nhược điểm, tăng tốc độ dò tìm và giảm dao động, phù hợp với các ứng dụng công suất vừa và nhỏ. Trong khi đó, Duty Scanning là giải pháp hiệu quả cho các hệ PV phức tạp bị bóng râm, tuy nhiên cần cân nhắc chi phí tính toán và phần cứng điều khiển.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với xu hướng phát triển các thuật toán MPPT thông minh nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống PV. Việc lựa chọn thuật toán phù hợp cần dựa trên đặc điểm hệ thống, điều kiện môi trường và yêu cầu về chi phí, độ phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng thuật toán P&O điều chỉnh: Khuyến nghị sử dụng thuật toán P&O với độ lớn nhiễu loạn ΔD thay đổi linh hoạt cho các hệ PV công suất nhỏ và vừa (vài trăm W đến vài kW), nhằm tăng tốc độ dò tìm MPP và giảm dao động công suất. Thời gian triển khai dự kiến trong vòng 6 tháng, do các bộ vi điều khiển hiện nay có thể đáp ứng yêu cầu tính toán.

  2. Triển khai thuật toán Duty Scanning cho hệ PV bị bóng râm: Đề xuất áp dụng thuật toán Duty Scanning cho các hệ PV có nguy cơ bị bóng râm không đều, đặc biệt trong các khu vực đô thị hoặc địa hình phức tạp. Giải pháp này giúp đảm bảo công suất đầu ra tối ưu, giảm thiểu tổn thất do điểm cực đại cục bộ. Thời gian nghiên cứu và thử nghiệm khoảng 12 tháng, cần đầu tư phần cứng điều khiển mạnh hơn.

  3. Tăng cường nghiên cứu và phát triển mạch biến đổi DC-DC: Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu các mạch biến đổi công suất DC-DC hiệu suất cao, ổn định và dễ điều khiển, phù hợp với các thuật toán MPPT hiện đại. Việc này giúp nâng cao hiệu quả chuyển đổi và giảm tổn thất năng lượng trong hệ thống PV.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Đề xuất tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật MPPT, mạch biến đổi công suất và mô phỏng hệ thống PV cho kỹ sư và sinh viên ngành kỹ thuật điện, nhằm nâng cao năng lực nghiên cứu và ứng dụng thực tiễn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và học viên ngành Kỹ thuật Điện, Điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức nền tảng và nâng cao về công nghệ PV, mạch biến đổi DC-DC và thuật toán MPPT, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Các giải pháp và thuật toán MPPT được trình bày giúp kỹ sư lựa chọn và triển khai các phương pháp điều khiển phù hợp, nâng cao hiệu suất hệ thống.

  3. Nhà nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và kết quả mô phỏng để phát triển các thuật toán MPPT mới, đặc biệt trong điều kiện bóng râm và môi trường biến đổi.

  4. Các doanh nghiệp và nhà đầu tư trong lĩnh vực năng lượng mặt trời: Thông tin về hiệu quả các thuật toán MPPT và mạch biến đổi công suất giúp đánh giá và tối ưu hóa chi phí đầu tư, vận hành hệ thống PV.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán MPPT là gì và tại sao cần thiết cho hệ PV?
    Thuật toán MPPT (Maximum Power Point Tracking) giúp hệ thống PV luôn vận hành tại điểm công suất cực đại, tối ưu hóa năng lượng thu được. Điều này rất quan trọng vì điểm MPP thay đổi theo điều kiện môi trường như bức xạ và nhiệt độ.

  2. Các thuật toán MPPT phổ biến nào được sử dụng hiện nay?
    Các thuật toán phổ biến gồm Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC), phương pháp hằng số điện áp (CV) và các thuật toán thông minh như Fuzzy Logic, Particle Swarm Optimization. Mỗi thuật toán có ưu nhược điểm riêng về độ chính xác và độ phức tạp.

  3. Làm thế nào để xử lý hiện tượng bóng râm một phần (PSC) trong hệ PV?
    PSC gây ra nhiều điểm cực đại cục bộ trên đặc tuyến P-V, làm khó khăn cho việc tìm đúng điểm MPP toàn cục. Giải pháp là sử dụng các thuật toán dò tìm GMPP như Duty Scanning hoặc các thuật toán thông minh để xác định chính xác điểm công suất tối ưu.

  4. Ưu điểm của thuật toán P&O điều chỉnh so với P&O truyền thống?
    P&O điều chỉnh linh hoạt độ lớn nhiễu loạn ΔD giúp tăng tốc độ dò tìm MPP và giảm dao động công suất sau khi đạt điểm cực đại, cải thiện hiệu suất hoạt động của hệ PV trong điều kiện biến đổi môi trường.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ PV và thuật toán MPPT?
    Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng phổ biến để mô phỏng mô hình PV, mạch biến đổi công suất và các thuật toán MPPT, giúp đánh giá hiệu quả và so sánh các giải pháp trong điều kiện khác nhau.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình hệ thống PV gồm 4 module 60 Wp, kết hợp mạch biến đổi công suất DC-DC tăng áp và các thuật toán MPPT truyền thống và cải tiến, mô phỏng trên Matlab/Simulink.
  • Thuật toán P&O điều chỉnh với độ lớn nhiễu loạn thay đổi linh hoạt cho hiệu suất tốt hơn, giảm dao động và tăng tốc độ dò tìm MPP so với P&O truyền thống.
  • Thuật toán Duty Scanning hiệu quả trong việc tìm điểm công suất cực đại toàn cục cho hệ PV bị bóng râm một phần, cải thiện công suất đầu ra đáng kể.
  • Nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, giảm chi phí đầu tư và vận hành hệ thống PV tại Việt Nam.
  • Đề xuất các bước tiếp theo gồm thử nghiệm thực tế các thuật toán, phát triển mạch biến đổi công suất tối ưu và đào tạo kỹ thuật viên để ứng dụng rộng rãi trong thực tế.

Hành động tiếp theo là triển khai thử nghiệm thực tế các thuật toán MPPT đã đề xuất và phát triển các giải pháp điều khiển mạch biến đổi công suất phù hợp nhằm nâng cao hiệu quả hệ thống PV trong điều kiện thực tế đa dạng.