Thiết kế Hệ thống Điều khiển Phát điện NLMT: Luận văn ThS Nguyễn Quế Hưng

Luận văn thạc sĩ đi sâu vào thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, tối ưu hiệu suất và tích hợp lưới điện.

• Tác giả: Nguyễn Quế Hưng
• Người hướng dẫn: TS. Đặng Danh Hoằng
• Trường học: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp
• Chuyên ngành: Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển phát điện sử dụng năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ kỹ thuật
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thái Nguyên

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• MỤC LỤC
• MỞ ĐẦU
• 1. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
• 1.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO
• 1.1.1. Khái niệm năng lƣợng tái tạo
• 1.1.2. Phân loại năng lƣợng tái tạo
• 1.1.3. Vấn đề khai thác năng lƣợng tái tạo ở Việt Nam
• 1.1.4. Xu thế phát triển điện gió và điện mặt trời tại Việt Nam
• 1.2. Năng lượng mặt trời [1, 7, 8]
• 1.3. Mô hình sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện
• 1.4. Định hướng nghiên cứu
• 1.5. Kết luận chương
• 2. CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI
• 2.1. Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lưới
• 2.2. Sơ đồ khối hệ thống
• 2.3. Điều khiển trong hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới
• 2.4. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) [8, 9, 10]
• 2.5. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời
• 2.6. Bộ biến đổi một chiều – một chiều (DC - DC) [9]
• 2.6.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC
• 2.6.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách ly
• 2.6.3. Bộ biến đổi DC-DC có cách ly
• 2.6.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC
• 2.6.5. Mạch vòng điều khiển điện áp
• 2.6.6. Mạch vòng điều khiển dòng điện
• 2.6.7. Tính chọn các thông số của bộ chuyển đổi DC-DC
• 2.7. Bộ chuyển đổi DC-AC
• 3. Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
• 3.1. Tổng hợp bộ điều khiển PID
• 3.2. Thiết kế bộ điều khiển trên cơ sở hàm quá độ h(t)
• 3.3. Thiết kế điều khiển ở miền tần số
• 3.4. Thiết kế bộ điều khiển PID cho nghịch lưu phía lưới
• 3.5. Thiết kế bộ điều khiển [5]
• 3.6. Kết quả mô phỏng
• 3.7. Kết luận chương 3
• 4. THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ CHỈNH ĐỊNH THAM SỐ BỘ ĐIỀU KHIỂN PID CHO HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
• 4.1. Tổng quan hệ logic mờ và điều khiển mờ [2, 3]
• 4.2. Hệ Logic mờ
• 4.3. Bộ điều khiển mờ
• 4.4. Thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID [3]
• 4.5. Phương pháp thiết kế
• 4.6. Khảo sát bằng mô phỏng Matlab/Simulink [6]
• 4.7. Kết quả mô phỏng của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID
• 4.8. Kết luận chương 4
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• DANH MỤC HÌNH VẼ
• MỞ ĐẦU
• 1. Mục tiêu của luận văn
• 2. CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÁT ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. NĂNG LƢỢNG TÁI TẠO
• 2.1.1. Khái niệm năng lƣợng tái tạo
• 2.1.2. Phân loại năng lƣợng tái tạo
• 2.1.3. Vấn đề khai thác năng lƣợng tái tạo ở Việt Nam

Tóm tắt

I. Hướng dẫn thiết kế hệ thống điều khiển phát điện NLMT

Việc thiết kế hệ thống điều khiển phát điện NLMT tối ưu đóng vai trò then chốt trong việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng tái tạo dồi dào này. Một hệ thống điều khiển hiệu quả không chỉ giúp tối đa hóa sản lượng điện mà còn đảm bảo sự ổn định và an toàn khi hòa vào lưới điện quốc gia. Nghiên cứu của Nguyễn Quế Hưng trong luận văn thạc sĩ đã chỉ ra rằng, việc ứng dụng các thuật toán điều khiển tiên tiến là cần thiết để giải quyết các thách thức cố hữu của năng lượng mặt trời. Mục tiêu chính là xây dựng một hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh, bám theo điểm công suất cực đại (MPPT) và duy trì chất lượng điện năng ổn định. Luận văn nhấn mạnh: "Việc nghiên cứu thiết kế điều khiển hệ thống phát điện sử dụng nguồn năng lượng mặt trời nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng cũng như triển khai ứng dụng vào thực tế là điều hết sức cần thiết và có ý nghĩa thực tiễn cao". Điều này khẳng định tầm quan trọng của việc phát triển các bộ điều khiển thông minh. Các thành phần chính của một hệ thống bao gồm giàn pin mặt trời (PV), bộ biến đổi DC-DC, và bộ nghịch lưu DC-AC. Mỗi thành phần đều đòi hỏi một cơ chế điều khiển riêng biệt nhưng phải phối hợp nhịp nhàng với nhau. Hệ thống điều khiển phải có khả năng xử lý các tín hiệu đầu vào như cường độ bức xạ và nhiệt độ để điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu ra. Sự phát triển của các công nghệ điều khiển hiện đại, như bộ điều khiển PID và bộ điều khiển mờ, mở ra những giải pháp đột phá để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng và độ tin cậy của toàn hệ thống.

1.1. Tầm quan trọng của năng lượng mặt trời tái tạo

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất, được xem là giải pháp bền vững cho an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Việt Nam, với vị trí địa lý thuận lợi, có tiềm năng rất lớn để phát triển điện mặt trời. Theo các số liệu được trích dẫn, cường độ bức xạ trung bình cả nước dao động từ 100-175 kcal/cm²/năm, đặc biệt cao ở các vùng Nam Trung Bộ và Tây Nguyên. Việc khai thác nguồn năng lượng này không chỉ giúp giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn góp phần giảm phát thải khí nhà kính. Tuy nhiên, để biến tiềm năng thành hiện thực, cần có các hệ thống phát điện hiệu quả, và lõi của các hệ thống này chính là bộ điều khiển tối ưu.

1.2. Mục tiêu nghiên cứu hệ thống điều khiển tối ưu

Mục tiêu cốt lõi của việc nghiên cứu là thiết kế một hệ thống điều khiển có khả năng nâng cao chất lượng và hiệu suất của hệ thống phát điện mặt trời. Cụ thể, nghiên cứu tập trung vào việc tìm hiểu cấu trúc điều khiển, khảo sát chất lượng của các bộ điều khiển kinh điển như PID, và đề xuất các giải pháp cải tiến. Một trong những đề xuất quan trọng là sử dụng bộ điều khiển mờ để tự động chỉnh định tham số cho bộ PID, từ đó cải thiện khả năng thích ứng của hệ thống với các điều kiện môi trường thay đổi liên tục. Kết quả cuối cùng hướng đến việc xây dựng một mô hình điều khiển hiệu quả, có thể ứng dụng vào thực tế tại các cơ sở đào tạo và sản xuất.

II. Các thách thức trong việc tối ưu hóa hệ thống điện NLMT

Việc tối ưu hóa hệ thống phát điện năng lượng mặt trời phải đối mặt với nhiều thách thức kỹ thuật. Trở ngại lớn nhất đến từ chính bản chất không ổn định của nguồn năng lượng. Công suất phát ra từ giàn pin quang điện (PV) phụ thuộc trực tiếp vào hai yếu tố biến thiên liên tục: cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường. Đặc tính làm việc của pin PV, thể hiện qua các đường cong I-V và P-V, cho thấy tại mỗi điều kiện vận hành chỉ có một điểm công suất cực đại (MPP) duy nhất. Nếu hệ thống không bám được chính xác điểm này, một phần lớn năng lượng sẽ bị lãng phí. Một thách thức khác là đảm bảo chất lượng điện năng khi nối lưới. Điện năng tạo ra phải có điện áp, tần số và pha đồng bộ tuyệt đối với lưới điện. Bất kỳ sự sai lệch nào cũng có thể gây ra hiện tượng bất ổn, ảnh hưởng đến cả hệ thống phát điện và lưới điện chung. Các bộ nghịch lưu DC-AC tạo ra sóng hài, đòi hỏi phải có các bộ lọc và thuật toán điều khiển phức tạp để giảm thiểu. Hơn nữa, hệ thống cần có cơ chế bảo vệ chống vận hành độc lập (anti-islanding) để đảm bảo an toàn khi lưới điện gặp sự cố. Việc thiết kế một hệ thống điều khiển có thể giải quyết đồng thời các vấn đề này đòi hỏi sự kết hợp giữa lý thuyết điều khiển vững chắc và khả năng mô phỏng, tính toán chính xác các thông số của thiết bị điện tử công suất như bộ biến đổi DC-DC và DC-AC.

2.1. Sự phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ

Đặc tính của pin mặt trời cho thấy công suất đầu ra biến động mạnh. Theo các kết quả mô phỏng trong tài liệu gốc (Hình 2.5a,b,c,d), dòng ngắn mạch (Isc) tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ, trong khi điện áp hở mạch (Voc) lại tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Sự thay đổi này làm cho điểm công suất cực đại (MPP) liên tục dịch chuyển. Do đó, một bộ điều khiển hiệu quả phải được trang bị thuật toán MPPT đủ nhanh và chính xác để dò tìm và duy trì hoạt động của hệ thống tại điểm tối ưu này, bất chấp sự thay đổi của thời tiết.

2.2. Yêu cầu về chất lượng điện năng khi kết nối lưới

Khi một hệ thống phát điện NLMT được kết nối với lưới, nó phải hoạt động như một nguồn phát điện ổn định. Bộ nghịch lưu DC-AC là trái tim của quá trình này. Nó phải tạo ra dòng điện xoay chiều hình sin hoàn hảo, cùng tần số và pha với lưới điện. Các yếu tố như tổng độ méo hài (THD) phải được kiểm soát nghiêm ngặt. Việc thiết kế hệ thống điều khiển phát điện NLMT tối ưu đòi hỏi bộ điều khiển phải có khả năng điều chỉnh nhanh chóng để bù lại các nhiễu loạn từ cả phía pin PV và phía lưới, đảm bảo hệ thống vận hành an toàn và không gây ảnh hưởng tiêu cực đến sự ổn định của lưới điện quốc gia.

III. Phương pháp thiết kế bộ điều khiển PID cho hệ thống NLMT

Bộ điều khiển PID (Tỷ lệ - Tích phân - Vi phân) là một giải pháp điều khiển kinh điển và được ứng dụng rộng rãi nhờ cấu trúc đơn giản và hiệu quả. Trong hệ thống phát điện năng lượng mặt trời, bộ PID được sử dụng để điều khiển điện áp và dòng điện trong các bộ biến đổi DC-DC và bộ nghịch lưu DC-AC. Thành phần Tỷ lệ (P) cung cấp đáp ứng tức thời với sai số, thành phần Tích phân (I) giúp triệt tiêu sai số xác lập, và thành phần Vi phân (D) cải thiện đáp ứng quá độ và tăng tính ổn định. Việc thiết kế bộ điều khiển PID đòi hỏi phải xác định chính xác ba tham số: KP, TI, và TD. Chất lượng của toàn bộ hệ thống điều khiển phụ thuộc trực tiếp vào việc lựa chọn các tham số này. Một trong những phương pháp phổ biến để tổng hợp tham số là phương pháp thực nghiệm Ziegler-Nichols. Theo phương pháp này, hệ thống được vận hành chỉ với khâu tỷ lệ (P), sau đó hệ số khuếch đại KP được tăng dần cho đến khi hệ thống đạt đến biên giới ổn định. Dựa vào giá trị KP tới hạn và chu kỳ dao động, các tham số KP, TI, TD được tính toán theo công thức kinh nghiệm. Ngoài ra, việc thiết kế cũng có thể được thực hiện trong miền tần số, nhằm tối ưu hóa các chỉ tiêu về độ dự trữ pha và biên độ. Mặc dù hiệu quả, bộ điều khiển PID truyền thống có nhược điểm là các tham số được cài đặt cố định, khó thích ứng với sự thay đổi liên tục của hệ thống năng lượng mặt trời.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý của bộ điều khiển PID

Bộ điều khiển PID tính toán giá trị đầu ra điều khiển dựa trên sai lệch (e(t)) giữa giá trị đặt và giá trị đo được. Tín hiệu điều khiển là tổng hợp của ba thành phần: P (tỷ lệ với sai lệch hiện tại), I (tích lũy sai lệch quá khứ), và D (dự đoán sai lệch tương lai dựa trên tốc độ thay đổi). Cấu trúc này đảm bảo hệ thống vừa có đáp ứng nhanh, vừa chính xác và ổn định. Sơ đồ khối trong tài liệu nghiên cứu cho thấy tín hiệu sai lệch được đưa vào bộ PID để tạo ra tín hiệu điều khiển (u(t)), sau đó tác động lên đối tượng (plant) là hệ thống điện mặt trời.

3.2. Hướng dẫn tổng hợp tham số PID theo Ziegler Nichols

Phương pháp Ziegler-Nichols cung cấp một quy trình thực nghiệm để tìm ra bộ tham số PID ban đầu. Quy trình bắt đầu bằng việc loại bỏ các thành phần I và D (TI → ∞, TD → 0). Tiếp theo, tăng dần hệ số tỷ lệ KP cho đến khi đầu ra của hệ thống bắt đầu dao động với biên độ không đổi. Tại điểm này, ghi lại giá trị KP tới hạn (KPgh) và chu kỳ dao động (Tgh). Các tham số PID sau đó được xác định bằng cách tra bảng dựa trên KPgh và Tgh. Phương pháp này hữu ích để có được một điểm khởi đầu, tuy nhiên, các tham số thường cần được tinh chỉnh thêm để đạt được hiệu suất tối ưu.

IV. Cách thiết kế bộ điều khiển mờ để tối ưu hóa bộ PID

Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển PID thông thường với các tham số cố định, nghiên cứu đề xuất một giải pháp tiên tiến hơn: thiết kế bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số bộ điều khiển PID. Phương pháp này kết hợp sự ổn định của PID với khả năng suy luận linh hoạt của logic mờ. Thay vì giữ các giá trị KP, TI, TD không đổi, một bộ điều khiển mờ được thiết kế để liên tục cập nhật các tham số này dựa trên trạng thái vận hành tức thời của hệ thống. Đầu vào của bộ điều khiển mờ thường là sai lệch (e) và tốc độ thay đổi của sai lệch (e'). Dựa trên một tập hợp các luật mờ được xây dựng từ kinh nghiệm chuyên gia (ví dụ: "NẾU sai lệch lớn VÀ đang tăng nhanh THÌ tăng mạnh KP"), bộ điều khiển sẽ tính toán và đưa ra các giá trị KP, KI, KD mới phù hợp nhất. Quá trình này được gọi là điều khiển thích nghi. Việc ứng dụng logic mờ giúp hệ thống phản ứng thông minh hơn trước sự thay đổi của cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ. Khi điều kiện thay đổi đột ngột, bộ điều khiển có thể nhanh chóng điều chỉnh lại tham số để giảm thời gian quá độ, giảm độ vọt lố và duy trì sự ổn định. Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink cho thấy phương pháp này mang lại chất lượng điều khiển vượt trội so với bộ PID kinh điển, đặc biệt là trong các tình huống vận hành phức tạp như khi nối lưới hoặc khi có sự thay đổi đột ngột về tải.

4.1. Giới thiệu về hệ logic mờ và bộ điều khiển mờ

Hệ logic mờ là một phương pháp suy luận dựa trên các quy tắc "nếu-thì" (if-then) để xử lý các thông tin không chắc chắn hoặc không chính xác, mô phỏng cách tư duy của con người. Một bộ điều khiển mờ bao gồm ba khối chính: Mờ hóa (chuyển đổi giá trị rõ thành các biến ngôn ngữ), Hệ suy luận mờ (áp dụng các luật điều khiển), và Giải mờ (chuyển kết quả mờ trở lại giá trị rõ để điều khiển). Cấu trúc này cho phép thiết kế các bộ điều khiển linh hoạt mà không cần mô hình toán học chính xác của đối tượng.

4.2. Cách thức chỉnh định tham số PID bằng logic mờ

Trong cấu trúc điều khiển mờ-PID, bộ điều khiển mờ hoạt động như một tầng giám sát. Nó nhận tín hiệu sai lệch và đạo hàm của sai lệch làm đầu vào. Thông qua các hàm thuộc và luật suy diễn, nó tính toán các độ lệch cần thiết (ΔKP, ΔKI, ΔKD) để hiệu chỉnh các tham số PID cơ sở. Các tham số PID cuối cùng được cập nhật theo công thức: KP = KP_base + ΔKP. Phương pháp này tạo ra một bộ điều khiển PID thích nghi, có khả năng tự "học" và điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất theo thời gian thực, là một bước tiến quan trọng trong việc thiết kế hệ thống điều khiển phát điện NLMT tối ưu.

V. Kết quả mô phỏng hệ thống điều khiển phát điện NLMT

Kết quả mô phỏng trên môi trường Matlab/Simulink đã chứng minh hiệu quả của các phương pháp điều khiển được đề xuất. Luận văn đã xây dựng mô hình toàn diện cho hệ thống phát điện năng lượng mặt trời, bao gồm mô hình pin PV, bộ biến đổi DC-DC, bộ nghịch lưu và lưới điện. Các kịch bản mô phỏng được thực hiện để so sánh chất lượng điều khiển giữa bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID. Kết quả cho thấy rõ sự vượt trội của giải pháp điều khiển thông minh. Cụ thể, khi sử dụng bộ điều khiển mờ-PID, đáp ứng điện áp đầu ra của hệ thống ổn định nhanh hơn, độ vọt lố thấp hơn đáng kể so với khi dùng PID thông thường. Điều này đặc biệt quan trọng trong việc duy trì chất lượng điện năng. Một trong những kịch bản quan trọng nhất là mô phỏng quá trình nối lưới. Các đồ thị đáp ứng (Hình 4.24, 4.25) cho thấy tại thời điểm hòa lưới (t=0,04s), hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ-PID có khả năng đồng bộ hóa nhanh và mượt mà, gần như không gây ra nhiễu động lớn cho điện áp. Ngược lại, bộ PID truyền thống gây ra dao động lớn hơn và cần nhiều thời gian hơn để ổn định. Những kết quả này khẳng định rằng, việc áp dụng logic mờ để tinh chỉnh PID là một hướng đi đúng đắn, giúp nâng cao đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống điều khiển phát điện NLMT.

5.1. So sánh hiệu quả giữa bộ điều khiển PID và mờ PID

Các đồ thị đáp ứng điện áp một pha và ba pha của hệ thống (Hình 4.22, 4.23) cho thấy sự khác biệt rõ rệt. Với bộ điều khiển mờ-PID, điện áp đầu ra đạt đến giá trị xác lập một cách nhanh chóng và ổn định. Trong khi đó, hệ thống với bộ PID thông thường có độ vọt lố cao hơn và xuất hiện dao động kéo dài trước khi ổn định. Điều này chứng tỏ khả năng thích ứng của bộ điều khiển mờ giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn trong các điều kiện làm việc khác nhau.

5.2. Đánh giá đáp ứng của hệ thống khi kết nối lưới điện

Quá trình nối lưới là một bài kiểm tra quan trọng về sự ổn định. Mô phỏng cho thấy hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ-PID xử lý quá trình chuyển tiếp rất tốt. Điện áp được giữ ổn định, ít bị sụt áp hay dao động tại thời điểm đóng cắt. Khả năng này đảm bảo hệ thống không chỉ hoạt động hiệu quả mà còn an toàn, không gây ảnh hưởng xấu đến lưới điện khu vực. Đây là yếu tố then chốt để các hệ thống điện mặt trời có thể được triển khai rộng rãi.

VI. Triển vọng và tương lai hệ thống điều khiển điện NLMT

Nghiên cứu về thiết kế hệ thống điều khiển phát điện NLMT tối ưu đã mở ra nhiều định hướng phát triển quan trọng cho tương lai. Các kết quả đạt được, đặc biệt là sự thành công của bộ điều khiển mờ chỉnh định tham số PID, không chỉ là một đóng góp học thuật mà còn có giá trị ứng dụng thực tiễn cao. Việc tổng kết các giải pháp điều khiển cho thấy rằng, xu hướng tất yếu là tích hợp trí tuệ nhân tạo và các thuật toán học máy vào hệ thống điều khiển. Những bộ điều khiển thông minh này sẽ có khả năng tự học hỏi từ dữ liệu vận hành trong quá khứ, dự báo sản lượng điện dựa trên thông tin thời tiết, và tối ưu hóa hoạt động không chỉ của một hệ thống đơn lẻ mà còn của cả một cụm các nhà máy điện mặt trời. Trong tương lai, các hệ thống phát điện năng lượng mặt trời sẽ là một phần không thể thiếu của lưới điện thông minh (Smart Grid). Hệ thống điều khiển sẽ không chỉ tập trung vào việc tối đa hóa công suất mà còn phải thực hiện các nhiệm vụ phức tạp hơn như điều tần, điều áp, và cung cấp các dịch vụ phụ trợ cho lưới điện. Điều này đòi hỏi các hướng nghiên cứu tiếp theo cần tập trung vào việc phát triển các thuật toán điều khiển phân tán, an ninh mạng cho hệ thống điều khiển và khả năng tương tác với các nguồn năng lượng tái tạo khác như điện gió. Sự hoàn thiện của các hệ thống điều khiển sẽ là động lực chính thúc đẩy ngành công nghiệp năng lượng mặt trời phát triển mạnh mẽ, góp phần vào mục tiêu chuyển đổi năng lượng bền vững.

6.1. Tổng kết các giải pháp điều khiển đã được đề xuất

Nghiên cứu đã khảo sát thành công hai giải pháp chính: bộ điều khiển PID kinh điển và bộ điều khiển mờ-PID nâng cao. Kết quả khẳng định giải pháp sử dụng logic mờ để tinh chỉnh PID mang lại hiệu quả vượt trội, giúp hệ thống thích ứng tốt hơn với sự biến thiên của nguồn năng lượng. Đây là một nền tảng vững chắc cho việc xây dựng các hệ thống điều khiển công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

6.2. Hướng nghiên cứu và triển vọng ứng dụng tiếp theo

Triển vọng ứng dụng của các bộ điều khiển thông minh là rất lớn, từ các hệ thống điện mặt trời áp mái quy mô nhỏ cho hộ gia đình đến các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn. Các hướng nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc kết hợp logic mờ với các kỹ thuật tối ưu hóa khác như mạng nơ-ron, thuật toán di truyền để tạo ra các bộ điều khiển lai mạnh mẽ hơn. Đồng thời, việc phát triển các mô hình thí nghiệm thực tế để kiểm chứng kết quả mô phỏng là một bước đi cần thiết để đưa các công nghệ này vào cuộc sống.

Trích đoạn nội dung tài liệu

mở đầu cho ngành công nghiệp điện gió Việt Nam. + Đối với điện mặt trời: Các hệ thống phát năng lượng điện mặt trời ở nước ta chưa phát triển được thành nhà máy phát điện. Tuy nhiên cũng đã có một số hệ thống phát điện năng lượng mặt trời công suất nhỏ như hệ thống năng lượng pin mặt trời đặt tại Trường ĐHKTCN Thái nguyên do tổ chức phi chính phủ Singapor tài trợ, mái nhà điện mặt Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : [e-mail] 8 trời của TS. Nguyễn Thị Tố thành phố Hồ Chí Minh, bộ pin mặt trời Usolar (thiết bị nhập ngoại từ Hoa Kỳ) … Việc khai thác nguồn năng lượng mặt trời ở nước ta còn nhiêu hạn chế, khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta còn đang ở qui mô nhỏ lẻ và tập trung chủ yếu vào việc nghiên cứu, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời (hệ thống đun nước nóng), các nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời và hòa vào lưới điện hầu như chưa có.Nguồn năng lượng từ mặt trời có thể khai thác được ở nhiều nơi, ngay cả trong trung tâm các thành phố.

Có nhiều hướng khai thác năng lượng mặt trời phục vụ cho sinh hoạt con người, trong đó xu hướng biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng chiếm xu thế chủ đạo. Năng lƣợng mặt trời [1, 7, 8] Năng lượng mặt trời thu được trên trái đất là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời đến Trái đất. Mặt trời là quả cầu lửa khổng lồ, trong lòng nó diễn ra phản ứng nhiệt hạch với nhiệt độ rất cao lên tới hàng triệu 0C. Trái đất sẽ tiếp tục nhận được dòng năng lượng này cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời cạn kiệt, ước chừng của các Nhà khoa học là khoảng 5 tỷ năm nữa.

Như vậy năng lượng mặt trời được coi là như vô tận so với chuẩn mực của đời sống con người. Mặt trời liên tục bức xạ ra không gian xung quanh với mật độ công suất khoảng 1353 W/m2 , đó chính là nguồn gốc của mọi sự sống trên trái đất. Khi xuyên qua khí quyển của trái đất một phần năng lượng mặt trời bị hấp thụ. Kết quả tính toán cho thấy năng lượng mặt trời phân bố trên bề mặt trái đất với mật độ năng lượng trung bình, cứ mỗi mét vuông hàng năm nhận được năng lượng từ mặt trời tương đương với khoảng 1,5 thùng dầu.

Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ mặt trời (BXMT) thành điện năng (pin mặt trời). Năng lượng của các photon cũng có thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng dụng cho bình đun nước mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống máy điều hòa mặt trời, v. Trường hợp khác, năng lượng của các photon có thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của các phản ứng quang hóa, v. Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời trên thế giới: Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : [e-mail] 9 Tiềm năng về năng lượng mặt trời của các nước trên thế giới là rất lớn.

Tuy nhiên, phân bố không đều, mạnh nhất ở vùng xích đạo và những khu vực khô hạn, giảm dần về phía hai địa cực. Tiềm năng kinh tế của việc sử dụng năng lượng Mặt trời phụ thuộc vào vị trí địa điểm trên Trái đất, phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, thời tiết cụ thể của vùng miền. Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên thế giới vào khoảng 2000 kWh/m2/năm, bảng 1. 2 Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời Chỉ số chất lượng Công suất có thể Bức xạ Mặt trời Khu vực trung bình DNI khai thác [1000 TWh] [kWh/tháng/năm] [1000 TWh/năm] North America 11,500 2410 1,150 South America 13,500 2330 1,350 Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350 Pacific 23,000 2950 2,300 Total 121,500 12,150 Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam: Về mặt vị trí địa lý, Việt Nam được hưởng một nguồn năng lượng mặt trời vô cùng lớn.

Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao. Trong đó, nhiều nhất phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh), bảng 1. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : skknchat@gmail. 3 Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam Vùng Giờ nắng Bức xạ Khả năng trong năm kcal/cm2/năm ứng dụng Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt 1.

Mô hình sử dụng năng lƣợng mặt trời trong hệ thống cung cấp điện Như đã phân tích, đặc điểm chung của các nguồn điện sử dụng năng lượng tái tạo đó là phân tán, công suất nhỏ và đang được hoàn thiện dần về chất lượng điện năng cung cấp. Hiện tại, các nguồn điện điện thuộc dạng này chủ yếu được khai thác dưới các hình thức sau: Mạng điện độc lập, mạng điện có kế nối lưới và dần dần tiến đến trong tương lai gần là mạng điện thông minh. Đối với những vùng sâu vùng xa, nơi mà điện lưới quốc gia không có điều kiện vươn tới, như những khu vực biên giới hải đảo thì việc thiết lập một mạng điện độc lập là giải pháp duy nhất. Trước đây, nguồn cung cấp cho mạng điện độc lập chủ yếu là máy phát điện diesel với công suất từ vài chục đên một vài trăm kW.

Ngày nay, việc sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo cho mạng điện độc lập đang được phổ cập. Ví dụ như: hệ pin mặt trời, điện sức gió, điện đại dương, V. Mô hình mạng điện độc lập nguồn năng lượng tái tạo được phát triển đa dạng cả về loại nguồn và cấu trúc sơ đồ, đa dạng về công suất từ nhỏ đến vừa phù hợp cho cắc đối tượng ứng dụng khác nhau, thậm chí dùng riêng cho một phụ tải hay một hộ gia đình. Ví dụ như trên các hình vẽ sau; Sơ đồ trên hình 1.

4 mô tả một mạng điện với nguồn được sử dụng ở đây là dạng pin mặt trời gồm các module kết nối thành hệ nguồn PV Array có điện áp và công suất phù hợp. Pin sản sinh ra điện một chiều qua bộ điều khiển nạp cho ắc quy có dung lượng 3116 Wh/ ngày. Từ ắc quy, một nhánh cấp trực tiếp cho tủ lạnh chạy điện dc, một nhánh khác thông qua biến tần dc/ac cấp cho các tải xoay chiều trong gia đình. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : skknchat@gmail.1: Mô hình điện mặt trời cho hộ gia đình 1.

Định hƣớng nghiên cứu Đề tài tập trung vào việc xây dựng cấu trúc điều khiển và nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển nhằm nâng cao chất lượng sử dụng năng lượng mặt trời trong hệ thống điện (có kể đến nối lưới) bằng bộ điều khiển mờ và có so sánh chất lượng điều khiển mờ với bộ điều khiển PID. Kết luận chƣơng Chương 1 đã giải quyết được một số vấn đề sau: - Giới thiệu những vấn đề cơ bản về năng lượng tái tạo. - Phân tích tổng quan về tiềm năng và việc sử dụng năng lượng mặt trời. - Lựa chọn phương pháp điều khiển mờ để điều khiển hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời.

Trên cơ sở các nghiên cứu bước đầu về hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời, trong chương 2 sẽ đi sâu nghiên cứu về cấu trúc điều khiển cho hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : [e-mail] 12 CHƢƠNG 2 CẤU TRÚC ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 2. Mô tả hệ thống điện mặt trời nối lƣới 2. Sơ đồ khối hệ thống Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời (còn gọi là hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo) là một hệ thống cho phép năng lượng khai thác nguồn năng lượng mặt trời thông qua một bộ biến đổi điện tử công suất để biến thành điện xoay chiều 1 pha hoặc 3 pha có tần số 50Hz (hoặc 60Hz) cung cấp trực tiếp cho tải hoặc nối với lưới điện quốc gia hoặc lưới điện khu vực.

Hệ thống này rất linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng và là một bộ phận không thể thiếu được của lưới điện thông minh. Trong phạm vi đề tài, chỉ tập trung nghiên cứu hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời biến đổi thành điện xoay chiều nối với lưới điện 1 pha tần số 50Hz. Những kết quả nghiên cứu của hệ thống này cũng dễ dàng áp dụng cho hệ thống 3 pha.1 minh họa một hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới một pha [11, 12]: Hình 2.1: Hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.vn download by : [e-mail] 13 Từ sơ đồ hệ thống máy phát điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới ở trên, ta có thể xây dựng được sơ đồ khối như hình 2.2: Tải một chiều Bức xạ mặt trời Điện mặt trời Sửa áp một chiều Tìm điểm công MPP BĐ suất tối đa Tải xoaychiều DC/DC Nhiệt độ MPPT Modul PV DC bus DC/AC Lƣới Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống phát điện sử dụng năng lượng mặt trời Các khối trong sơ đồ hình 2.2, cụ thể như sau: - Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin. - Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.

- Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều tương ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một chiều có giá trị phù hợp và ổn định để hòa với điện gió thông qua thanh cái một chiều DC bus. - Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (DC/AC) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một chiều ở thanh cái một chiều DC bus thành điện áp xoay chiều có các thông số phù hợp với lưới.