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 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 hiệu suất phát điện, hệ thống PV cần được điều khiển hoạt động 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 làm việc của hệ thống pin quang điện, đặc biệt trong điều kiện thay đổi môi trường và khi hệ PV bị ảnh hưởng bởi bóng râm một phần (Partial Shading Condition - PSC). Nghiên cứu tập trung vào mô phỏng hệ 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. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các thuật toán MPPT truyền thống như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC), phương pháp hằng số điện áp (CV), phương pháp xung dòng ngắn mạch (SC), cùng với các cải tiến và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT) cho hệ PV bị bóng râm.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác NLMT, giảm chi phí đầu tư và vận hành hệ thống PV, góp phần thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo tại Việt Nam và các khu vực có tiềm năng NLMT tương tự.

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 thông 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 đặc tuyến I-V và P-V, trong đó điểm công suất cực đại (MPP) là điểm tối ưu về điện áp và dòng điện để thu được công suất lớn nhất.

  • Mạch biến đổi công suất DC-DC: Các loại 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 thông qua kỹ thuật điều chế độ rộng xung (PWM) là cơ sở để thực hiện thuật toán MPPT.

  • Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Các thuật toán MPPT cơ bản gồm:

    • Perturb and Observe (P&O): Dò tìm MPP bằng cách thay đổi điện áp đầu ra và quan sát sự thay đổi công suất.
    • Incremental Conductance (INC): Dựa trên đạo hàm của công suất theo điện áp để xác định hướng di chuyển tới MPP.
    • Phương pháp hằng số điện áp (CV) và xung dòng ngắn mạch (SC): Sử dụng các giá trị tham chiếu dựa trên điện áp hở mạch hoặc dòng ngắn mạch.

    Ngoài ra, các thuật toán MPPT nâng cao như Fuzzy Logic Controller (FLC), Particle Swarm Optimization (PSO), và Duty Scanning được nghiên cứu để xử lý các trường hợp phức tạp như bóng râm một phần (PSC) gây ra nhiều điểm cực đại cục bộ.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu mô phỏng được xây dựng dựa trên thông số thực tế của hệ PV gồm 4 module nối tiếp, mỗi module có công suất 60 Wp, sử dụng mô hình vật lý của pin mặt trời với các thông số điện trở nội bộ Rs, Rp và diode theo mô hình thực tế.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống PV kết hợp bộ biến đổi công suất DC-DC và các thuật toán MPPT được thực hiện trên phần mềm Matlab/Simulink. Các thuật toán MPPT được triển khai và so sánh hiệu quả trong các điều kiện môi trường khác nhau, bao gồm thay đổi bức xạ mặt trời, nhiệt độ và hiện tượng bóng râm một phần.

  • Cỡ mẫu và timeline: Mô hình mô phỏng được thực hiện với các kịch bản môi trường đa dạng, thời gian mô phỏng đủ dài để quan sát sự ổn định và hiệu suất của các thuật toán MPPT. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 4 đến tháng 10 năm 2022, bao gồm giai đoạn xây dựng mô hình, triển khai thuật toán, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả của các thuật toán MPPT truyền thống: Thuật toán P&O và INC cho kết quả ổn định với hiệu suất đạt khoảng 95-98% trong điều kiện bức xạ ổn định và không có bóng râm. Tuy nhiên, P&O có hiện tượng dao động công suất khoảng 2-3% quanh điểm MPP, trong khi INC có độ chính xác cao hơn và ít dao động hơn.

  2. Cải tiến thuật toán P&O: Việc điều chỉnh độ lớn nhiễu loạn ΔD theo điểm làm việc giúp giảm dao động công suất xuống còn khoảng 1%, đồng thời tăng tốc độ dò tìm MPP nhanh hơn 20% so với P&O cố định. Điều này được thể hiện rõ qua biểu đồ công suất theo thời gian, cho thấy sự ổn định và phản ứng nhanh với biến đổi môi trường.

  3. Ảnh hưởng của bóng râm một phần (PSC): Khi hệ PV bị PSC, 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 xác định MPP toàn cục (GMPP). Kết quả mô phỏng cho thấy các thuật toán P&O và INC thường bị mắc kẹt tại LMPP, làm giảm hiệu suất phát điện từ 90% xuống còn khoảng 75%.

  4. Hiệu quả của thuật toán Duty Scanning GMPPT: Thuật toán này quét toàn bộ vùng đặc tuyến P-V để xác định GMPP, giúp hệ thống vượt qua được các điểm cực đại cục bộ do bóng râm gây ra. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất phát điện được cải thiện lên đến 98% trong điều kiện PSC, vượt trội hơn so với các thuật toán truyền thống và một số thuật toán thông minh như PSO.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của dao động và sai lệch trong các thuật toán MPPT truyền thống là do đặc tính phi tuyến và biến đổi nhanh của nguồn PV, đặc biệt khi có bóng râm không đều. Việc điều chỉnh linh hoạt độ lớn nhiễu loạn trong P&O giúp cân bằng giữa tốc độ dò tìm và độ ổn định, phù hợp với các ứng dụng công suất vừa và nhỏ.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả mô phỏng của luận văn tương đồng với các báo cáo về hiệu suất MPPT trong điều kiện tiêu chuẩn và PSC. Thuật toán Duty Scanning GMPPT được đánh giá là giải pháp hiệu quả, dễ triển khai trên các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý trung bình, phù hợp với điều kiện thực tế tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh công suất đầu ra theo thời gian của các thuật toán, bảng tổng hợp hiệu suất và độ dao động, cũng như đặc tuyến P-V minh họa các điểm cực đại trong điều kiện bóng râm.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Ứng dụng thuật toán P&O điều chỉnh độ lớn nhiễu loạn: Khuyến nghị sử dụng thuật toán P&O cải tiến cho các hệ PV công suất nhỏ và vừa (khoảng vài trăm W đến vài kW) nhằm tăng hiệu suất và giảm dao động công suất, với thời gian triển khai trong vòng 6 tháng bởi các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điều khiển.

  2. Triển khai thuật toán Duty Scanning GMPPT cho hệ PV bị bóng râm: Đề xuất áp dụng thuật toán này cho các hệ PV có nguy cơ bị bóng râm không đều, đặc biệt trong các khu vực đô thị hoặc vùng có nhiều vật cản, nhằm đảm bảo hiệu suất phát điện tối ưu. Thời gian thực hiện từ 9 đến 12 tháng, phối hợp giữa viện nghiên cứu và nhà sản xuất thiết bị.

  3. Phát triển phần mềm mô phỏng và thử nghiệm thực tế: Khuyến khích xây dựng bộ công cụ mô phỏng tích hợp các thuật toán MPPT để đánh giá hiệu quả trong các điều kiện thực tế khác nhau, đồng thời triển khai thử nghiệm trên mô hình thực tế quy mô nhỏ trong vòng 12 tháng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật MPPT và điều khiển mạch biến đổi công suất DC-DC cho kỹ sư và sinh viên ngành kỹ thuật điện, nhằm nâng cao khả năng ứng dụng và phát triển công nghệ trong nước. Thời gian thực hiện liên tục, ưu tiên trong 2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Sinh viên và học viên cao học 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 công suất và thuật toán MPPT, hỗ trợ học tập và nghiên cứu chuyên sâu.

  2. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực năng lượng tái tạo: Tài liệu tổng hợp các phương pháp MPPT truyền thống và hiện đại, cùng với kết quả mô phỏng chi tiết, giúp phát triển các đề tài nghiên cứu mới và giảng dạy.

  3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điều khiển và hệ thống PV: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để thiết kế, cải tiến bộ điều khiển MPPT, nâng cao hiệu suất sản phẩm và đáp ứng yêu cầu thị trường.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Tham khảo để hiểu rõ các công nghệ MPPT và tiềm năng ứng dụng trong phát triển năng lượng mặt trời, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phù hợp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thuật toán MPPT là gì và tại sao cần thiết cho hệ PV?
    MPPT là thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại của hệ PV để đảm bảo hệ luôn hoạt động ở hiệu suất tối ưu. Do đặc tính phi tuyến và biến đổi môi trường, MPPT giúp tăng công suất phát điện và tiết kiệm chi phí đầu tư.

  2. Các thuật toán MPPT truyền thống nào được sử dụng phổ biến?
    Các thuật toán phổ biến gồm Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC), phương pháp hằng số điện áp (CV) và xung dòng ngắn mạch (SC). Mỗi thuật toán có ưu nhược điểm riêng về độ chính xác và tốc độ phản ứng.

  3. Làm thế nào để xử lý hiện tượng bóng râm một phần trong hệ PV?
    Bóng râm gây ra nhiều điểm cực đại cục bộ trên đặc tuyến P-V, làm khó khăn cho MPPT truyền thống. Thuật toán Duty Scanning GMPPT hoặc các thuật toán thông minh như PSO được sử dụng để xác định điểm công suất cực đại toàn cục, nâng cao hiệu suất.

  4. Phần mềm nào được sử dụng để mô phỏng hệ PV và thuật toán MPPT?
    Phần mềm Matlab/Simulink được sử dụng phổ biến do khả năng mô phỏng chính xác mô hình vật lý của PV, mạch biến đổi công suất và thuật toán điều khiển, hỗ trợ phân tích hiệu quả các giải pháp MPPT.

  5. Ứng dụng thực tế của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu giúp thiết kế bộ điều khiển MPPT hiệu quả cho hệ PV công suất nhỏ và vừa, phù hợp với điều kiện khí hậu Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu suất phát điện, giảm chi phí vận hành và thúc đẩy phát triển năng lượng tái tạo.

Kết luận

  • Luận văn đã xây dựng mô hình mô phỏng hệ PV gồm 4 module 60 Wp nối tiếp, kết hợp bộ biến đổi công suất DC-DC và các thuật toán MPPT trên nền tảng Matlab/Simulink.
  • Thuật toán P&O và INC được đánh giá là phù hợp cho các hệ PV công suất vừa và nhỏ, với hiệu suất đạt trên 95% trong điều kiện tiêu chuẩn.
  • Cải tiến thuật toán P&O bằng điều chỉnh độ lớn nhiễu loạn giúp giảm dao động công suất và tăng tốc độ dò tìm MPP.
  • Thuật toán Duty Scanning GMPPT hiệu quả trong xử lý hiện tượng bóng râm một phần, nâng cao hiệu suất phát điện lên gần 98%.
  • Đề xuất triển khai các giải pháp MPPT cải tiến và đào tạo kỹ thuật nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

Next steps: Triển khai thử nghiệm thực tế các thuật toán MPPT cải tiến, phát triển bộ điều khiển tích hợp, và mở rộng nghiên cứu cho các hệ PV công suất lớn hơn.

Call to action: Các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và cơ quan quản lý năng lượng nên phối hợp để ứng dụng và phát triển các giải pháp MPPT hiệu quả, góp phần thúc đẩy chuyển đổi năng lượng bền vững.