Tổng quan luận án

Sự cạn kiệt của nguồn năng lượng hóa thạch cùng các yêu cầu cấp bách về giảm phát thải khí nhà kính (tiêu biểu như cam kết của Liên minh châu Âu về việc giảm ít nhất 20% phát thải khí nhà kính và đáp ứng 20% nhu cầu năng lượng từ nguồn tái tạo vào năm 2020) đã thúc đẩy sự phát triển mạnh mẽ của hệ thống năng lượng mặt trời (NLMT). Tuy nhiên, trong quá trình vận hành thực tế, các tấm pin quang điện (TPQĐ) trong nhà máy NLMT thường xuyên phải làm việc trong điều kiện nhận mức độ bức xạ mặt trời không đồng nhất. Hiện tượng này xuất phát từ sự che phủ một phần của mây trời, cây cối, công trình xây dựng, cột ăng-ten, bụi bẩn, hoặc do các tấm pin bị nứt vỡ, suy giảm hiệu suất theo thời gian.

Điều kiện che phủ một phần dẫn đến sự sụt giảm nghiêm trọng công suất đầu ra của hệ thống NLMT và làm xuất hiện hiện tượng điểm nóng (Hotspot) gây hư hỏng vĩnh viễn các tế bào quang điện (TBQĐ). Mặc dù điốt nối tắt (bypass diode) được sử dụng để bảo vệ tấm pin khỏi hiện tượng Hotspot, việc kích hoạt điốt nối tắt lại làm cho đường cong đặc tính Công suất - Điện áp (P-V) xuất hiện nhiều đỉnh cực đại cục bộ (local maxima), gây ra hiện tượng nhầm lẫn (Misleading) cho các thuật toán theo dõi điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT - Maximum Power Point Tracking).

Để giải quyết các tổn thất do che phủ một phần, các công trình nghiên cứu trên thế giới tập trung vào 3 nhóm giải pháp chính: MPPT phân tán, biến tần đa cấp và tái cấu trúc hệ thống pin NLMT. Trong đó, tái cấu trúc hệ thống pin dựa trên cấu trúc kết nối song song - nối tiếp (TCT - Total-Cross-Tied) theo chiến lược cân bằng bức xạ là hướng tiếp cận có tiềm năng tối ưu hóa công suất nguồn sơ cấp. Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các nghiên cứu trước đây (như của Nguyen và Lehman, Guillermo Velasco-Quesada và cộng sự) chủ yếu áp dụng các thuật giải kinh nghiệm hoặc dừng lại ở mức tối ưu cục bộ; khi số lượng TPQĐ tăng lên, số lượng cấu hình kết nối bùng nổ tổ hợp khiến việc tìm kiếm cấu hình tối ưu toàn cục trong thời gian thực gặp nhiều khó khăn. Đồng thời, các nghiên cứu trước chưa xem xét bài toán tối ưu hóa quá trình chuyển mạch của ma trận chuyển mạch động (DES - Dynamic Electrical Scheme), dẫn đến tần suất đóng ngắt không đồng đều và làm giảm tuổi thọ của các thiết bị đóng cắt.

Mục tiêu của luận án:

  1. Xây dựng mô hình toán và đề xuất áp dụng thuật toán cho bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất nhằm giảm tổn thất công suất và loại bỏ các điểm cực đại cục bộ.
  2. Xây dựng mô hình toán và đề xuất áp dụng thuật toán cho bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu từ cấu hình kết nối ban đầu đến cấu hình cân bằng bức xạ, nhằm giảm thiểu số lần đóng mở khóa và kéo dài tuổi thọ ma trận chuyển mạch.
  3. Xây dựng mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink và thiết kế mô hình thực nghiệm phần cứng để đánh giá, kiểm chứng các thuật toán đã đề xuất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Nguồn sơ cấp của hệ thống NLMT nối lưới, mảng các tấm pin quang điện kết nối theo cấu trúc TCT và ma trận chuyển mạch động (DES).
  • Phạm vi nghiên cứu: Tập trung vào bài toán tối ưu hóa cấu hình kết nối và tối ưu hóa số lần đóng mở khóa chuyển mạch tại nguồn sơ cấp dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất; chưa xét đến các ràng buộc về chi phí sản xuất thiết bị phần cứng và tính toán kinh tế chi tiết khi ứng dụng quy mô thương mại.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Chiến lược tái cấu trúc mạch kết nối các tấm pin quang điện được khởi xướng bởi Salameh và các cộng sự (1990, 1991) nhằm ứng dụng vận hành và tăng tốc độ xe điện sử dụng pin mặt trời. Tiếp đó, Sherif và Boutros đề xuất mạch tái cấu trúc sử dụng bóng bán dẫn và bộ ngắt mạch. Năm 2008, Nguyen và Lehman nghiên cứu mạch tái cấu trúc bên trong TPQĐ, phân chia mảng pin thành phần kết nối cố định và phần kết nối động; tuy nhiên công trình này không xây dựng mô hình toán học tổng quát, chỉ thử nghiệm trên tải thuần trở và chưa tích hợp thuật toán MPPT.

Giai đoạn từ năm 2009, Guillermo Velasco-Quesada và các cộng sự đề xuất phương pháp tái cấu trúc cho hệ thống NLMT nối lưới sử dụng mạch TCT dựa trên nguyên lý cân bằng tổng mức bức xạ giữa các hàng kết nối song song. Velasco-Quesada đưa ra khái niệm chỉ số cân bằng bức xạ $EI$ (Equalization Index) và xác định công thức tính số cấu hình vật lý sản xuất dòng điện một chiều khác nhau ($NC_i$). Mặc dù vậy, thuật toán của nhóm Velasco-Quesada mới dừng ở mức tối ưu cục bộ, thuật toán tìm kiếm thích hợp cho hệ thống có quy mô nhỏ và chưa tối ưu hóa được chuỗi chuyển mạch khi số lượng tấm pin lớn. Các nghiên cứu tiếp theo của Pietro Romano, Wilson, Matam, Jazayeri, Mahmoud, Alahmad, B. Patnaik cũng phát triển nhiều cấu trúc chuyển mạch và giải thuật heuristic (như thuật toán sắp xếp Best-Worst BWSA, thuật toán tham lam Greedy), song vẫn tồn tại hạn chế về độ phức tạp tính toán hoặc chưa xử lý bài toán cân bằng hao mòn tiếp điểm chuyển mạch.

Tác giả / Nhóm nghiên cứu Cấu trúc mạch Phương pháp / Thuật toán Hạn chế chính được ghi nhận
Salameh và cộng sự (1990, 1991) Nối tiếp / Song song Chuyển mạch cơ bản Ứng dụng hẹp cho xe điện, chưa có mô hình tối ưu bức xạ.
Nguyen và Lehman (2008) Cố định + Động Phân nhóm di động Không có mô hình toán, tải thuần trở, bỏ qua MPPT.
Guillermo Velasco-Quesada và cs (2009) TCT ($m \times n$) Cân bằng bức xạ, chỉ số $EI$ Dừng ở tối ưu cục bộ, thuật toán vét cạn bị hạn chế khi mảng pin mở rộng.
Jazayeri, Matam, Patnaik và cs TCT / Động Heuristic (BWSA, Greedy) Thời gian xử lý tăng nhanh, chưa tối ưu hóa độ hao mòn của ma trận chuyển mạch.

Luận án của Ngô Ngọc Thành định vị giải quyết trọn vẹn hai bài toán tối ưu liên tiếp trong chu trình tái cấu trúc:

  1. Đưa ra mô hình toán học và giải thuật (Dynamic Programming, SmartChoice) giải quyết bài toán tìm cấu hình cân bằng bức xạ tối ưu toàn cục với tốc độ tính toán nhanh, đáp ứng thời gian thực.
  2. Thiết lập mô hình toán học và phát triển thuật toán phân việc tối ưu (Munkres' Assignment Algorithm và MAA cải tiến) cho bài toán chuyển mạch, giúp tối thiểu hóa số lần tác động và san bằng số lần đóng mở giữa các khóa trong ma trận DES.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và khung phân tích

  • Mô hình toán học của tế bào quang điện (TBQĐ): Mô hình tương đương đơn điốt được sử dụng để mô tả mối quan hệ Dòng điện - Điện áp ($I-V$): $$I = I_L - I_0 \left[ \exp\left(\frac{q(V + I R_S)}{k T_c A_d n_s}\right) - 1 \right] - \frac{V + I R_S}{R_{SH}}$$ Trong đó: $I_L$ là dòng quang điện; $I_0$ là dòng bão hòa của điốt; $q$ là điện tích electron; $k$ là hằng số Boltzmann; $T_c$ là nhiệt độ tuyệt đối của TBQĐ; $A_d$ là hệ số chất lượng điốt; $R_S$ là điện trở nối tiếp; $R_{SH}$ là điện trở song song; $n_s$ là số TBQĐ mắc nối tiếp.
  • Đặc tính đầu ra mảng pin: Các thông số cơ bản bao gồm dòng ngắn mạch ($I_{SC}$), điện áp hở mạch ($V_{OC}$), điểm công suất cực đại ($MPP$), dòng điện tại điểm cực đại ($I_{MPP}$) và điện áp tại điểm cực đại ($V_{MPP}$).
  • Cấu trúc kết nối mảng TPQĐ: Phân tích 6 cấu trúc kết nối gồm Nối tiếp (Series), Song song (Parallel), Nối tiếp - Song song (SP), Song song - Nối tiếp (TCT), Mạch bắc cầu (BL - Bridge-Link), và Mạch tổ ong (HC - Honey-Comb). Cấu trúc TCT được chọn làm đối tượng nghiên cứu chính do khả năng giảm thiểu suy giảm công suất tốt nhất khi có che phủ và thuận tiện cho việc tái cấu trúc.
  • Chỉ số cân bằng bức xạ ($EI$): Định nghĩa là hiệu số giữa tổng bức xạ của hàng có mức chiếu sáng cao nhất và hàng có mức chiếu sáng thấp nhất: $$EI = \max_{i}(G_i) - \min_{i}(G_i)$$ với $G_i = \sum_{j=1}^n G_{ij}$ là tổng bức xạ của hàng thứ $i$ ($i = 1 \dots m$, $j = 1 \dots n$).
  • Lý thuyết tối ưu hóa:
    • Bài toán Subset Sum Problem (Tổng tập con): Biến thể của bài toán Ba lô (Knapsack Problem), làm cơ sở cho thuật toán phân chia các giá trị bức xạ vào các hàng.
    • Bài toán Munkres' Assignment Algorithm (MAA / Phương pháp Hungary): Giải bài toán phân việc với ma trận chi phí vuông nhằm tìm phương án gán có tổng chi phí nhỏ nhất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Phương pháp định lượng kết hợp mô hình hóa toán học: Chuyển đổi các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời thành các mô hình toán học tối ưu tĩnh và tối ưu tổ hợp.
  • Phương pháp mô phỏng số: Xây dựng mô hình mảng pin mặt trời $3 \times 3$ trên nền tảng Matlab-Simulink kết hợp phần mềm mô phỏng thuật toán lập trình trên Microsoft Visual Studio để đánh giá thời gian thực thi, chỉ số $EI$, công suất đầu ra và số lần chuyển mạch.
  • Phương pháp thực nghiệm: Chế tạo bộ tái cấu trúc phần cứng hoàn chỉnh gồm khối vi điều khiển, mạch đo dòng áp cảm biến, ma trận chuyển mạch relay/bán dẫn để kiểm chứng trực tiếp trên 11 kịch bản che phủ thực tế.
  • Nguồn dữ liệu: Thông số kỹ thuật từ tấm pin quang điện thương mại Schüco International KG MPE 240 PS 04 ($P_{MPP} = 240\text{ W}$, $V_{MPP} = 29,7\text{ V}$, $I_{MPP} = 8,09\text{ A}$, $V_{OC} = 36,9\text{ V}$, $I_{SC} = 8,67\text{ A}$) ở điều kiện chuẩn STC ($1000\text{ W/m}^2$, $25^\circ\text{C}$).

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CHIẾN LƯỢC TĂNG HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG TRONG ĐIỀU KIỆN BỊ CHE PHỦ MỘT PHẦN

Chương 1 hệ thống hóa cơ sở lý thuyết về bức xạ mặt trời, nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện và cấu trúc cơ bản của hệ thống NLMT hòa lưới có kho lưu trữ. Tác giả phân loại 4 cấu hình kết nối giữa TPQĐ và bộ biến đổi DC/AC: bộ chuyển đổi trung tâm, bộ chuyển đổi nối tiếp, bộ chuyển đổi kết hợp nối tiếp - trung tâm, và bộ chuyển đổi tích hợp tại từng tấm pin.

Chương này tập trung phân tích ảnh hưởng tiêu cực của hiện tượng che phủ một phần: làm suy giảm công suất nghiêm trọng, tạo ra hiện tượng Hotspot làm cháy TBQĐ, và sinh ra nhiều đỉnh cực đại cục bộ trên đường đặc tính P-V dẫn đến hiện tượng Misleading cho bộ điều khiển MPPT. Phân tích ưu nhược điểm của 3 giải pháp khắc phục cho thấy tái cấu trúc mảng TCT theo chiến lược cân bằng bức xạ là hướng tiếp cận có tính khả thi cao. Tác giả phân tích chi tiết mô hình của Guillermo Velasco-Quesada: với mảng pin kích thước $m \times n$, tổng số phần tử $g = m \times n$, số cấu hình vật lý sản xuất dòng DC khác nhau ($NC_i$) được xác định bởi: $$NC_i = \frac{(m \times n)!}{m! \times (n!)^m}$$ Số lượng khóa chuyển mạch đơn cực yêu cầu là $N_{SW} = 2 \times g$. Khi $g$ tăng, $NC_i$ tăng theo hàm giai thừa, đặt ra yêu cầu phải có thuật toán tối ưu toàn cục giải quyết bài toán trong thời gian thực.

CHƯƠNG 2: KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

Chương 2 trình bày tổng quan lý thuyết điều khiển tối ưu tĩnh và tối ưu động, từ đó thiết lập cấu trúc điều khiển tối ưu cho bộ tái cấu trúc mảng pin mặt trời nối lưới. Hệ thống điều khiển bao gồm: Đối tượng điều khiển (ĐTĐK) là mảng các TPQĐ; Thiết bị điều khiển (TBĐK) là bộ tái cấu trúc tích hợp mạch đo lường dòng điện - điện áp, khối xử lý trung tâm và ma trận chuyển mạch động (DES).

Tác giả đề xuất cấu trúc điều khiển vòng hở cập nhật theo chu kỳ: định kỳ đo dòng áp từng tấm pin, ước tính ma trận bức xạ $G$, kích hoạt thuật toán tối ưu để tìm cấu hình cân bằng bức xạ và tìm phương án chuyển mạch tối ưu, sau đó xuất tín hiệu điều khiển đóng cắt ma trận DES. Chương 2 thiết lập cơ sở toán học của hai bài toán nền tảng:

  1. Bài toán Subset Sum Problem: Tìm tập hợp con các phần tử có tổng giá trị tiệm cận nhất với giá trị mục tiêu (trọng lượng balo $c$).
  2. Bài toán Munkres' Assignment Algorithm (MAA): Giải bài toán tối ưu hóa phân việc dựa trên ma trận chi phí $C$ kích thước $n_M \times n_M$, tìm ma trận nhị phân $X = [x_{i_M j_M}]$ sao cho tổng chi phí $\sum \sum C_{i_M j_M} x_{i_M j_M}$ đạt cực tiểu.

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG SÁCH LƯỢC TÁI CẤU TRÚC HỆ DỰA TRÊN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU

Chương 3 là phần đóng góp lý thuyết trọng tâm của luận án, giải quyết hai bài toán toán học cụ thể:

1. Bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ

Từ dữ liệu dòng điện và điện áp đo được, ma trận bức xạ thực tế $G = [G_{ij}]$ ($m$ hàng, $n$ cột) được ước tính. Mục tiêu là sắp xếp lại các phần tử thành ma trận tối ưu $G_OP$ sao cho tổng mức bức xạ giữa các hàng $G_i$ đồng đều nhất: $$\min EI = \min \left( \max_{1 \le i \le m} G_i - \min_{1 \le i \le m} G_i \right) \to 0$$ với ràng buộc giá trị trung bình mục tiêu của mỗi hàng là $avg = \frac{\sum_{i=1}^m \sum_{j=1}^n G_{ij}}{m}$.

Tác giả đề xuất 2 thuật toán:

  • Thuật toán Quy hoạch động (Dynamic Programming - DP): Chuyển đổi bài toán cân bằng bức xạ về chuỗi bài toán Subset Sum. Thuật toán DP xây dựng bảng quy hoạch để tìm tập hợp $n$ phần tử cho từng hàng sao cho tổng bức xạ đạt gần nhất giá trị $avg$, sau đó loại bỏ các phần tử đã chọn và lặp lại cho các hàng tiếp theo. Thuật toán đảm bảo tìm được nghiệm tối ưu toàn cục.
  • Thuật toán SmartChoice (SC): Thuật toán heuristic thông minh do tác giả tự đề xuất. SC sắp xếp toàn bộ $g$ phần tử bức xạ thành mảng một chiều giảm dần, sau đó áp dụng chiến lược lựa chọn bù trừ kết hợp giữa phần tử có giá trị lớn nhất và các phần tử có giá trị nhỏ nhất để lấp đầy từng hàng của ma trận $G_OP$. SC có độ phức tạp thuật toán thấp hơn đáng kể so với DP, thời gian thực thi nhanh, phù hợp với các hệ thống quy mô lớn.

2. Bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu

Để chuyển từ cấu hình hiện tại ở bước $step_{k-1}$ sang cấu hình cân bằng bức xạ mới ở bước $step_k$, có nhiều cách gán vị trí vật lý của các tấm pin vào ma trận DES. Tác giả mô hình hóa ma trận chuyển mạch DES gồm $g$ tấm pin kết nối với $m$ nhánh song song thông qua các khóa chuyển mạch.

Tác giả đề xuất 2 phương pháp:

  • Phương pháp sử dụng thuật toán MAA tiêu chuẩn: Xây dựng ma trận chi phí $C$, trong đó phần tử $C_{i_M j_M}$ biểu diễn số lần đóng mở khóa phát sinh khi gán tấm pin thứ $i_M$ vào vị trí $j_M$. Thuật toán MAA tìm phương án gán vị trí có tổng số lần tác động khóa $(MI_{\min})_{step_k}$ là ít nhất.
  • Phương pháp MAA cải tiến (cân bằng số lần đóng mở khóa): Trong thực tế, nếu chỉ tối thiểu hóa số lần đóng cắt tức thời, một số khóa ở vị trí thường xuyên thay đổi sẽ bị đóng ngắt liên tục dẫn đến hỏng hóc sớm. Thuật toán MAA cải tiến tích hợp ma trận lịch sử đóng ngắt $S$ (lưu trữ tổng số lần đóng mở của từng khóa sau $k-1$ bước) vào việc tính toán ma trận chi phí $C$. Mục tiêu kép của MAA cải tiến là vừa giữ số lần đóng mở ở mức thấp, vừa tối thiểu hóa chỉ số mất cân bằng $SI$ của ma trận $S$, giúp san đều hao mòn cho toàn bộ các khóa trong ma trận DES.

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM

Chương 4 kiểm chứng các mô hình và thuật toán đã xây dựng qua hai giai đoạn:

1. Kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink và Visual Studio

Mô phỏng khảo sát trên hệ thống NLMT gồm 9 tấm pin quang điện (kết cấu $3 \times 3$, công suất cực đại ở điều kiện chuẩn STC là $9 \times 240\text{ W} = 2160\text{ W}$).

  • Đánh giá cân bằng bức xạ: Thử nghiệm với các kịch bản che phủ không đồng nhất (ma trận bức xạ có các mức chênh lệch lớn từ $100\text{ W/m}^2$ đến $900\text{ W/m}^2$). Cả hai thuật toán DP và SmartChoice đều đưa chỉ số $EI$ về mức tối thiểu, phục hồi đường đặc tính P-V từ dạng đa cực đại (misleading) về dạng đơn cực đại duy nhất, giúp thuật toán MPPT thu nhận công suất tối đa toàn cục. So sánh với các thuật toán tham chiếu (Velasco, BWSA, Greedy), thuật toán DP cho độ chính xác tuyệt đối, trong khi SmartChoice đạt kết quả tương đương DP nhưng thời gian tính toán giảm mạnh.
  • Đánh giá thuật toán chuyển mạch: Khi chạy mô phỏng qua 2000 chu kỳ tái cấu trúc ($step_k = 2000$), thuật toán MAA tiêu chuẩn giảm tổng số lần đóng ngắt khoảng 30-40% so với phương pháp ngẫu nhiên. Thuật toán MAA cải tiến phân bổ đều số lần đóng cắt trên tất cả các khóa của ma trận DES; độ lệch chuẩn số lần đóng mở giữa các khóa giảm rõ rệt, triệt tiêu hiện tượng một số khóa bị quá tải thao tác.

2. Kết quả thực nghiệm phần cứng

Tác giả chế tạo mô hình thực nghiệm bộ tái cấu trúc gồm: mạch đo dòng điện, điện áp sử dụng cảm biến chuyên dụng; khối vi điều khiển xử lý trung tâm; và mạch ma trận chuyển mạch DES $3 \times 3$ kết nối mảng 9 tấm pin mặt trời Schüco 240W.

Thực nghiệm được tiến hành trên 11 trường hợp che phủ khác nhau (từ che phủ nhẹ 1-2 tấm pin đến che phủ phức tạp nhiều hàng cột). Kết quả đo đạc công suất trước và sau khi tái cấu trúc trong 11 trường hợp khẳng định tính đúng đắn của giải pháp:

Trường hợp thử nghiệm Trạng thái che phủ mảng pin Công suất trước tái cấu trúc ($P_{\text{trước}}$) Công suất sau tái cấu trúc ($P_{\text{sau}}$) Hiệu quả phục hồi công suất
TH 1 Che phủ nhẹ 1 tấm pin ($G_{11} = 200\text{ W/m}^2$) Thấp (xuất hiện 2 đỉnh P-V) Tăng tiệm cận mức định mức Loại bỏ misleading
TH 2 - TH 5 Che phủ cục bộ theo hàng/cột (3-4 tấm pin) Suy giảm 20% - 35% Phục hồi tăng thêm 15% - 28% Đặc tính P-V đơn đỉnh
TH 6 - TH 10 Che phủ chéo phức tạp (5-6 tấm pin) Suy giảm mạnh > 40%, đa đỉnh Phục hồi công suất tăng từ 22% - 38% MPPT đạt MPP toàn cục
TH 11 Che phủ ngẫu nhiên diện rộng (7 tấm pin) Rất thấp, lệch pha dòng nghiêm trọng Tối ưu hóa phân bố dòng giữa các hàng Cân bằng bức xạ hoàn toàn

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp về mặt lý luận và khoa học

  1. Xây dựng hoàn chỉnh mô hình toán học cho bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT sử dụng mạch kết nối TCT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất, tích hợp hai mục tiêu tối ưu: tối đa hóa công suất mảng pin và tối thiểu hóa hao mòn ma trận chuyển mạch.
  2. Ứng dụng thành công thuật toán Quy hoạch động (DP) và đề xuất mới thuật toán SmartChoice (SC) cho bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ, giải quyết triệt để hiện tượng misleading và đảm bảo tốc độ tính toán thời gian thực cho hệ thống.
  3. Ứng dụng thuật toán phân việc Munkres (MAA) và phát triển thành công thuật toán MAA cải tiến, thiết lập cơ chế san bằng số lần đóng mở khóa trên ma trận chuyển mạch động DES nhằm bảo vệ phần cứng và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

Đóng góp về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Xây dựng bộ công cụ mô phỏng trên nền tảng Matlab-Simulink và phần mềm giao diện trên Microsoft Visual Studio, cung cấp công cụ hỗ trợ thiết kế, phân tích và ra quyết định cho các kỹ sư vận hành nhà máy điện mặt trời.
  2. Thiết kế và chế tạo thành công phần cứng bộ tái cấu trúc mảng pin quang điện, kiểm chứng thành công trên 11 kịch bản che phủ thực nghiệm, chứng minh khả năng nâng cao hiệu suất phát điện và tính khả thi ứng dụng vào thực tế.
  3. Đề xuất giải pháp bảo vệ kinh tế gián tiếp cho hệ thống NLMT thông qua việc giảm thiểu nguy cơ hỏng hóc do hiện tượng Hotspot và kéo dài thời gian hoạt động của ma trận chuyển mạch tiếp điểm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án

  • Luận án chưa xét đến các ràng buộc chi tiết về chi phí đầu tư sản xuất thiết bị phần cứng chuyển mạch và bài toán phân tích kinh tế - tài chính toàn diện khi triển khai đại trà ở quy mô công nghiệp.
  • Mạch đo lường phần cứng yêu cầu số lượng cảm biến dòng điện và điện áp tương ứng với từng tấm pin quang điện ($g$ cảm biến dòng và áp), làm tăng độ phức tạp của hệ thống dây nối và mạch thu thập dữ liệu.

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  • Nghiên cứu các phương pháp ước tính bức xạ gián tiếp hoặc giảm thiểu số lượng cảm biến đo lường mà vẫn đảm bảo độ chính xác của ma trận bức xạ đầu vào.
  • Tối ưu hóa phần cứng bộ tái cấu trúc, tích hợp các thuật toán SC và MAA cải tiến lên các dòng vi xử lý nhúng chuyên dụng tốc độ cao (như DSP hoặc FPGA).
  • Mở rộng phạm vi nghiên cứu và thử nghiệm thuật toán trên các hệ thống NLMT công suất lớn với mảng pin có số lượng hàng và cột lớn hơn, cũng như thử nghiệm trên các dạng kết nối mở rộng khác (như mạch tổ ong Honey-Comb, mạch bắc cầu Bridge-Link).

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu cho các nhóm đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Điện tử, Năng lượng tái tạo và Hệ thống điện. Luận án cung cấp phương pháp luận chặt chẽ trong việc mô hình hóa toán học các bài toán điều khiển tối ưu tổ hợp ứng dụng trong kỹ thuật năng lượng.
  • Kỹ sư thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời: Cung cấp giải pháp kỹ thuật cụ thể để xử lý bài toán suy giảm công suất do che phủ bóng mây, bụi bẩn; sơ đồ thiết kế ma trận chuyển mạch động DES và thuật toán điều khiển ma trận tiếp điểm.
  • Các phần đáng tham khảo nhất:
    • Mục 3.4 & 3.5 (Chương 3): Mô hình toán học chi tiết, lưu đồ và mã giả của thuật toán SmartChoice và thuật toán MAA cải tiến.
    • Mục 4.1 & 4.2 (Chương 4): Sơ đồ thiết kế bộ mô phỏng Matlab-Simulink mảng pin TCT kết hợp ma trận DES và thiết kế phần cứng mạch đo dòng áp thực nghiệm.

Câu hỏi thường gặp

1. Hiện tượng "Misleading" trong hệ thống pin mặt trời bị che phủ một phần là gì và gây tác hại như thế nào?

Hiện tượng Misleading (nhầm lẫn điểm cực đại) xuất hiện khi mảng pin quang điện bị che phủ một phần và các điốt nối tắt (bypass diode) kích hoạt. Khi đó, đường đặc tính Công suất - Điện áp (P-V) của hệ thống không còn dạng đơn đỉnh (một điểm cực đại duy nhất) mà xuất hiện nhiều điểm cực đại cục bộ (local maxima) và một điểm cực đại toàn cục (global maximum). Các thuật toán MPPT truyền thống thường bị bẫy tại các đỉnh cực đại cục bộ, dẫn đến việc hệ thống vận hành sai điểm công suất tối ưu và làm sụt giảm nghiêm trọng hiệu suất phát điện.

2. Chỉ số cân bằng bức xạ $EI$ được xác định như thế nào và giữ vai trò gì trong luận án?

Chỉ số cân bằng bức xạ $EI$ (Equalization Index) được định nghĩa là độ chênh lệch giữa hàng có tổng bức xạ mặt trời lớn nhất và hàng có tổng bức xạ mặt trời nhỏ nhất trong mạch kết nối TCT: $$EI = \max_{1 \le i \le m} (G_i) - \min_{1 \le i \le m} (G_i)$$ Trong đó $G_i$ là tổng bức xạ của các tấm pin thuộc hàng $i$. Mục tiêu của bài toán tái cấu trúc là tìm cấu hình hoán vị các tấm pin sao cho $EI \to 0$, khi đó dòng điện giữa các hàng nối tiếp trở nên đồng đều nhất, loại bỏ hoàn toàn các đỉnh cực đại cục bộ trên đường đặc tính P-V.

3. Vì sao số cấu hình cần quan tâm $NC_i$ trong mạch TCT lại nhỏ hơn tổng số tổ hợp $(m \times n)!$?

Tổng số hoán vị vị trí của $g = m \times n$ tấm pin là $(m \times n)!$. Tuy nhiên, trong mạch điện TCT, một số trường hợp thay đổi vị trí không làm thay đổi cấu hình vật lý sản xuất dòng điện một chiều của hệ thống:

  1. Đổi chỗ hai tấm pin trong cùng một hàng kết nối song song.
  2. Đổi chỗ toàn bộ các cụm tấm pin giữa các cột trong cùng hệ thống. Do đó, số cấu hình thực sự tạo ra công suất DC khác nhau ($NC_i$) được rút gọn theo công thức tổ hợp: $$NC_i = \frac{(m \times n)!}{m! \times (n!)^m}$$

4. Thuật toán MAA cải tiến khác biệt như thế nào so với thuật toán MAA tiêu chuẩn trong việc điều khiển ma trận chuyển mạch DES?

Thuật toán MAA tiêu chuẩn chỉ giải quyết bài toán tối ưu tĩnh tại một bước chuyển ($step_k$), nhằm tìm phương án chuyển mạch có tổng số lần tác động đóng mở khóa ít nhất tức thời. Điều này dẫn đến nguy cơ một số khóa cơ điện ở các vị trí thường xuyên thay đổi sẽ bị đóng ngắt liên tục và nhanh hỏng. Thuật toán MAA cải tiến bổ sung ma trận lịch sử đóng ngắt $S$ (ghi nhận số lần tác động của từng khóa qua các chu kỳ trước) vào ma trận chi phí $C$. Nhờ đó, MAA cải tiến thực hiện tối ưu hóa đa mục tiêu: vừa giảm thiểu số thao tác đóng ngắt ở bước hiện tại, vừa san bằng số lần làm việc giữa các khóa, giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ tổng thể của ma trận DES.

5. Quy mô và thông số của hệ thống thử nghiệm thực nghiệm trong luận án được thiết lập ra sao?

Mô hình thực nghiệm được xây dựng cho mảng 9 tấm pin quang điện kết nối theo cấu trúc TCT kích thước $3 \times 3$ ($m=3$ hàng, $n=3$ cột). Loại pin sử dụng là Schüco International KG MPE 240 PS 04 với công suất định mức mỗi tấm là 240W ở điều kiện tiêu chuẩn STC ($1000\text{ W/m}^2$, $25^\circ\text{C}$). Phần cứng bao gồm khối vi điều khiển, mạch đo dòng áp cảm biến độc lập cho 9 tấm pin và ma trận chuyển mạch DES gồm các khóa chuyển mạch được điều khiển tự động, thử nghiệm qua 11 kịch bản che phủ thực tế.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Ngọc Thành đã giải quyết bài toán tái cấu trúc hệ thống pin mặt trời mạch TCT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất thông qua việc tích hợp lý thuyết điều khiển tối ưu. Bằng việc xây dựng mô hình toán học kép và đề xuất các giải pháp thuật toán bao gồm thuật toán SmartChoice (cân bằng bức xạ) và thuật toán MAA cải tiến (tối ưu hóa và cân bằng chuyển mạch DES), công trình đã khắc phục được hiện tượng misleading, phục hồi công suất phát điện và kéo dài tuổi thọ thiết bị đóng cắt. Các kết quả mô phỏng trên Matlab-Simulink và kiểm chứng thực nghiệm trên mảng 9 tấm pin qua 11 kịch bản che phủ đã khẳng định tính đúng đắn, độ chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn của các phương pháp đề xuất.