Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo, đặc biệt là nguồn năng lượng quang điện mặt trời, đang trở thành giải pháp cốt lõi để thay thế dần nguồn nhiên liệu hóa thạch đang cạn kiệt và cắt giảm lượng khí thải nhà kính. Trong thập kỷ qua, chi phí sản xuất tấm pin quang điện đã ghi nhận mức giảm ấn tượng khoảng 80%, mở ra cơ hội thương mại hóa quy mô lớn từ cấp hộ gia đình đến các nhà máy điện mặt trời tập trung. Tại Việt Nam, sự bùng nổ của các dự án năng lượng mặt trời được thúc đẩy mạnh mẽ bởi khung chính sách từ Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg với mức giá mua điện 9,35 UScents/kWh (khoảng 2.086 đồng/kWh) và tiếp nối là Quyết định số 13/2020/QĐ-TTg với biểu giá từ 7,09 đến 8,38 UScents/kWh (1.644 đến 1.943 đồng/kWh).

Tuy nhiên, thách thức kỹ thuật lớn nhất đối với hệ thống quang điện chính là sự biến đổi phi tuyến của đặc tính dòng điện - điện áp và công suất - điện áp trước các biến động thời tiết. Đặc biệt, khi xảy ra hiện tượng bóng mờ một phần do mây che, bụi bẩn, cây cối hay công trình xung quanh, đường cong đặc tính công suất sẽ xuất hiện nhiều đỉnh cực đại cục bộ, khiến các bộ theo dõi điểm công suất cực đại truyền thống bị mắc kẹt, dẫn đến tổn thất từ 15% đến hơn 30% sản lượng điện phát ra.

Đề tài nghiên cứu được thực hiện tại Trường Đại học Lạc Hồng vào năm 2020 với mục tiêu phát triển giải thuật lai kết hợp giữa thuật toán bầy đàn nhuyễn thể sửa đổi trong không gian cực và bộ điều khiển chế độ trượt. Nghiên cứu tập trung vào hệ thống quang điện nối lưới công suất 7,3 kW gồm 81 tấm pin quang điện 90 W. Ý nghĩa then chốt của công trình là giải quyết triệt để bài toán tìm điểm công suất cực đại toàn cục trong điều kiện bóng che phức tạp, nâng cao hiệu suất bám dính công suất lên ngưỡng 99,0% và triệt tiêu đáng kể hiện tượng dao động công suất ở trạng thái xác lập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Khung lý thuyết của công trình được xây dựng trên nền tảng mô hình hóa toán học tế bào quang điện đơn diode và lý thuyết điều khiển cấu trúc biến phi tuyến. Mô hình một diode tương đương mô tả mối quan hệ phi tuyến giữa dòng điện ngõ ra, điện áp nhiệt, dòng quang điện, dòng bão hòa và các tham số điện trở ký sinh nối tiếp cùng điện trở song song shunt. Khi 81 tấm pin được kết nối theo các cấu hình hỗn hợp nối tiếp và song song, đặc tính đầu ra của hệ thống sẽ hình thành không gian trạng thái đa đỉnh khi có bóng che một phần.

Lý thuyết bộ điều khiển trượt được áp dụng nhằm thiết lập tính bền vững cao trước các sai lệch tham số và nhiễu loạn môi trường. Cấu trúc bộ điều khiển trượt bao gồm việc thiết kế bề mặt trượt phi tuyến phụ thuộc vào đạo hàm của dòng điện và điện áp, kết hợp với luật điều khiển chuyển mạch không liên tục để đưa quỹ đạo trạng thái hệ thống tiến nhanh về bề mặt trượt và triệt tiêu sai lệch bám dính.

Để giải quyết bài toán phi tuyến hóa cực trị, thuật toán bầy đàn nhuyễn thể sửa đổi trong không gian cực được tích hợp. Thuật toán này mô phỏng cơ chế chuyển động kiếm ăn của bầy nhuyễn thể dựa trên ba thành phần vận tốc: vận tốc cảm ứng giữa các cá thể lân cận, vận tốc di chuyển tìm kiếm thức ăn và thành phần khuếch tán ngẫu nhiên kết hợp bước nhảy ngẫu nhiên Levy. Bằng cách chuyển đổi không gian tìm kiếm sang miền góc pha hữu hạn từ trừ pi chia hai đến cộng pi chia hai, thuật toán gia tăng đáng kể tỷ lệ hội tụ và khả năng tối ưu hóa đồng thời 5 tham số trọng yếu của bộ điều khiển trượt. Các khái niệm cốt lõi được chuẩn hóa xuyên suốt gồm: điểm công suất cực đại toàn cục, điểm cực đại cục bộ, điều kiện bóng mờ một phần, chu kỳ điều chế độ rộng xung và hàm tiêu chuẩn tích phân sai số tuyệt đối.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng số định lượng chuyên sâu được xây dựng trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink, vận hành trên trạm máy tính phần cứng Intel Core i7 với bộ nhớ RAM 8 GB. Nguồn dữ liệu thực nghiệm mô phỏng được cấu hình dựa trên thông số chuẩn của 81 module quang điện Red Sun công suất định mức 90 W, tạo thành mảng pin 7,3 kW kết nối lưới xoay chiều 220 V tần số 60 Hz.

Cỡ mẫu dữ liệu khảo sát bao gồm 350 bước thời gian lấy mẫu với chu kỳ tính toán cực ngắn 2 micro giây, đảm bảo ghi nhận đầy đủ các đáp ứng quá độ và trạng thái xác lập. Phương pháp chọn mẫu là phương pháp khảo sát có chủ đích theo kịch bản vận hành thực tế, phân chia thành 3 kịch bản kiểm thử nghiêm ngặt: kịch bản thay đổi đột ngột bức xạ từ 300 W/m2 đến 1000 W/m2, kịch bản biến thiên nhiệt độ môi trường từ 25 độ C đến các mức nhiệt độ cao, và kịch bản che bóng một phần phức tạp tạo ra các mức chiếu xạ không đồng đều giữa 4 cụm pin.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích tối ưu hóa sai số tuyệt đối tích phân kết hợp kiểm thử mô phỏng là vì đặc tính chuyển mạch cao tần của bộ biến đổi điện áp một chiều sang một chiều đòi hỏi khả năng quan sát chi tiết động học dòng áp ở cấp độ micro giây mà các mô hình giải tích tĩnh không thể đánh giá chính xác. Tiến trình nghiên cứu được triển khai liên tục trong giai đoạn 2019 - 2020. Toàn bộ kết quả của thuật toán đề xuất được đối chuẩn định lượng trực tiếp với 5 giải thuật phổ biến: thuật toán leo đồi, thuật toán tối ưu hóa bầy đàn cổ điển, thuật toán điện dẫn gia tăng, thuật toán logic mờ và phương pháp nhiễu loạn quan sát cố định bước.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng và phân tích định lượng đã mang lại 4 phát hiện khoa học quan trọng:

Thứ nhất, giải thuật lai giữa bầy đàn nhuyễn thể cực hóa và điều khiển trượt đạt hiệu suất theo dõi điểm công suất cực đại trung bình lên tới 99,0%. Con số này vượt trội hơn từ 4,5% đến 16,8% so với phương pháp nhiễu loạn quan sát cổ điển (đạt khoảng 82,2% đến 85,0% trong điều kiện bóng che) và cao hơn thuật toán điện dẫn gia tăng khoảng 5,2%.

Thứ hai, tốc độ hội tụ của thuật toán đề xuất đạt mức tối ưu vượt bậc khi hàm mục tiêu tích phân sai số tuyệt đối xác lập trạng thái ổn định tuyệt đối chỉ sau 19 chu kỳ lặp. Thời gian đáp ứng của hệ thống khi có sự thay đổi bức xạ đột ngột được rút ngắn xuống dưới 0,12 giây, nhanh hơn khoảng 40% so với giải thuật tối ưu hóa bầy đàn truyền thống và nhanh hơn 60% so với giải thuật logic mờ.

Thứ ba, hiện tượng rung lắc và dao động công suất xung quanh điểm công suất cực đại ở trạng thái xác lập giảm xuống mức dưới 0,5% công suất danh định, trong khi phương pháp leo đồi và nhiễu loạn quan sát ghi nhận biên độ dao động thất thoát lên tới 3,5% đến 5,0%.

Thứ tư, trong kịch bản bức xạ giảm thấp xuống 300 W/m2, hệ thống điều khiển vẫn duy trì sự ổn định của điện áp một chiều đầu ra, phối hợp nhịp nhàng với nguồn lưới chính 220 V để bù đắp phần thiếu hụt công suất tiêu thụ của phụ tải mà không gây mất ổn định hệ thống.

Thảo luận kết quả

Hiệu năng vượt trội của giải thuật lai xuất phát từ sự tương hỗ hoàn hảo giữa cơ chế tìm kiếm toàn cục của bầy nhuyễn thể và cơ chế điều khiển bền vững của bề mặt trượt. Khi bóng mờ xuất hiện, các điốt rẽ nhánh kích hoạt tạo ra nhiều đỉnh cục bộ trên đặc tuyến công suất - điện áp. Các thuật toán truyền thống như leo đồi hay nhiễu loạn quan sát dễ dàng bị đánh lừa bởi bước nhảy cố định, dẫn đến việc mắc kẹt tại đỉnh cục bộ thấp. Ngược lại, thuật toán bầy đàn trong không gian cực với cơ chế biến đổi góc pha và bước nhảy Levy đã mở rộng không gian tìm kiếm hiệu quả, nhanh chóng định vị vùng chứa điểm cực đại toàn cục. Đồng thời, bộ điều khiển trượt với 5 hệ số tối ưu hóa trực tuyến liên tục điều chỉnh chu kỳ xung PWM, đưa sai lệch động học về giá trị 0 một cách mượt mà.

Dữ liệu so sánh có thể được trực quan hóa sinh động thông qua biểu đồ cột thể hiện hiệu suất bám dính công suất (%) giữa 6 thuật toán, kết hợp đồ thị đường biểu diễn đáp ứng thời gian thực của công suất ngõ ra (kW) và các đường cong đặc tính dòng - áp, công suất - áp trong 3 kịch bản thử nghiệm. Kết quả này hoàn toàn vượt trội so với các công trình nghiên cứu sử dụng thuật toán bầy đàn tiêu chuẩn hay mạng nơ-ron truyền thống trong nước, vốn đòi hỏi năng lực tính toán phần cứng rất lớn nhưng vẫn gặp khó khăn khi bức xạ thay đổi với tốc độ cao.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm chuyển hóa các kết quả nghiên cứu thành giá trị thực tiễn cho ngành năng lượng tái tạo, 4 nhóm giải pháp cụ thể được đề xuất:

Một là, tích hợp trực tiếp giải thuật điều khiển bầy đàn kết hợp điều khiển trượt vào vi xử lý tín hiệu số hoặc vi mạch khả trình FPGA của các bộ biến tần năng lượng mặt trời thương mại. Mục tiêu nâng cao hiệu suất khai thác thực tế của các hệ thống điện mặt trời phân tán lên trên 98,5%, thực hiện trong lộ trình 12 tháng bởi các doanh nghiệp nghiên cứu và sản xuất thiết bị điện tử công suất.

Hai là, chuẩn hóa cấu hình kết nối mảng pin và quy trình định kỳ rà soát các điểm che bóng vật lý tại các nhà máy điện mặt trời áp mái và trang trại năng lượng mặt trời. Mục tiêu giảm thiểu tổn thất công suất phát sinh do bóng che xuống dưới mức 3,0%, triển khai định kỳ 3 tháng một lần do các kỹ sư vận hành và bảo trì nhà máy thực hiện.

Ba là, phát triển giải pháp tích hợp hệ thống lưu trữ năng lượng pin kết hợp thuật toán điều khiển thích nghi để ổn định chất lượng điện năng hòa lưới. Mục tiêu duy trì tổng độ méo hài dòng điện ở mức dưới 3,0% và ổn định điện áp thanh cái theo tiêu chuẩn lưới điện 220 V tần số 60 Hz hoặc 50 Hz, thực hiện trong vòng 18 đến 24 tháng bởi Tập đoàn Điện lực Việt Nam phối hợp cùng các viện nghiên cứu.

Bốn là, hoàn thiện khung tiêu chuẩn kỹ thuật quốc gia về đánh giá hiệu suất bộ điều khiển theo dõi điểm công suất cực đại trong điều kiện bóng che phức tạp. Mục tiêu ban hành bộ quy chuẩn kiểm định biến tần nối lưới, nâng cao tuổi thọ vận hành thiết bị quang điện từ 15 năm lên trên 20 năm, do Bộ Công Thương và các cơ quan quản lý năng lượng chủ trì trong giai đoạn tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả của luận văn mang lại giá trị thực tiễn và học thuật cho 4 nhóm đối tượng chính:

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư nghiên cứu và phát triển phần mềm nhúng, kỹ sư thiết kế phần cứng điện tử công suất tại các công ty chế tạo biến tần quang điện. Luận văn cung cấp trọn vẹn mô hình toán học, phương trình bề mặt trượt và mã giải thuật tối ưu hóa thông số để ứng dụng trực tiếp vào sản phẩm.

Nhóm thứ hai là các nhà khoa học, giảng viên, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Kỹ thuật điều khiển - tự động hóa. Tài liệu này là nguồn tham khảo mẫu mực về phương pháp nghiên cứu mô phỏng phi tuyến trên MATLAB/Simulink và kỹ thuật kết hợp giải thuật tiến hóa sinh học với điều khiển cấu trúc biến.

Nhóm thứ ba là các đơn vị tư vấn thiết kế, tổng thầu EPC và ban quản lý vận hành bảo dưỡng các trang trại điện mặt trời, hệ thống điện mặt trời công nghiệp. Luận văn cung cấp góc nhìn chuyên sâu về cách thức suy giảm sản lượng do bóng mờ và giải pháp phục hồi tổn thất công suất.

Nhóm thứ tư là các nhà hoạch định chính sách phát triển năng lượng xanh và chuyên gia thẩm định dự án năng lượng. Tài liệu mang đến luận cứ khoa học chính xác về hiệu quả đầu tư, tỷ suất hoàn vốn và các yêu cầu kỹ thuật kết nối lưới điện an toàn.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng bóng mờ một phần ảnh hưởng như thế nào đến đường đặc tính của pin mặt trời? Khi xảy ra bóng che một phần do mây hoặc vật cản, cường độ bức xạ trên các tế bào quang điện không đồng đều, kích hoạt các điốt rẽ nhánh hoạt động. Điều này làm đường đặc tính công suất - điện áp biến dạng từ dạng một đỉnh duy nhất thành dạng đa đỉnh với nhiều điểm cực đại địa phương và một điểm cực đại toàn cục, khiến các thuật toán truyền thống dễ rơi vào điểm bẫy sai.

Thuật toán bầy đàn sửa đổi trong không gian cực mang lại ưu thế gì vượt trội so với thuật toán di truyền hay bầy đàn nguyên bản? Thuật toán chuyển đổi không gian tìm kiếm đa chiều thành dải góc pha hữu hạn từ trừ pi chia hai đến cộng pi chia hai, kết hợp toán tử bước nhảy Levy. Cải tiến này giúp bầy cá thể phân tán rộng khắp không gian tìm kiếm, tránh hiện tượng rơi vào cực trị địa phương và đạt tốc độ hội tụ nhanh vượt trội, ổn định hàm mục tiêu chỉ sau 19 bước lặp.

Bộ điều khiển trượt đóng vai trò gì trong việc triệt tiêu hiện tượng dao động công suất quanh điểm cực đại? Bộ điều khiển trượt sử dụng cấu trúc điều khiển chuyển mạch phi tuyến theo bề mặt trượt được định nghĩa từ biến thiên dòng và áp. Nhờ vậy, trạng thái hệ thống được ép buộc bám dính liên tục theo quỹ đạo định sẵn, giảm thiểu tối đa hiện tượng rung lắc công suất ở trạng thái xác lập xuống dưới 0,5% và loại bỏ độ nhạy trước các nhiễu loạn môi trường.

Hệ thống mô phỏng 7,3 kW trong luận văn có khả năng mở rộng lên các quy mô công nghiệp lớn hơn không? Hoàn toàn có thể mở rộng. Mô hình gồm 81 tấm pin quang điện 90 W được xây dựng theo các phương trình vi phân tổng quát cho mảng pin nối tiếp và song song. Do đó, các thông số bề mặt trượt và cơ chế tìm kiếm của thuật toán có thể dễ dàng tái cấu hình cho các hệ thống điện mặt trời mái nhà từ hàng chục kW đến các nhà máy điện mặt trời quy mô hàng chục MW.

Việc ứng dụng giải thuật lai này vào thực tế có đòi hỏi nâng cấp phần cứng quá tốn kém không? Không đòi hỏi phần cứng phức tạp. Nhờ thuật toán hội tụ cực nhanh và thuật toán điều khiển trượt có cấu trúc tính toán đại số đơn giản, giải thuật có thể vận hành mượt mà trên các dòng chip vi điều khiển DSP hoặc ARM phổ thông hiện nay với tần số quét tiêu chuẩn, giúp tiết kiệm tối đa chi phí đầu tư thương mại.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết xuất sắc bài toán nâng cao hiệu suất thu hoạch năng lượng mặt trời thông qua giải thuật lai kết hợp giữa bầy đàn nhuyễn thể trong không gian cực và bộ điều khiển chế độ trượt.
  • Hệ thống điều khiển đề xuất đạt hiệu suất bám điểm công suất cực đại ấn tượng 99,0%, thời gian đáp ứng quá độ dưới 0,12 giây và hội tụ tối ưu chỉ sau 19 chu kỳ lặp.
  • Hiện tượng dao động công suất quanh điểm cực đại ở trạng thái xác lập được triệt tiêu hiệu quả xuống dưới 0,5%, bảo toàn năng lượng tối đa khi hòa vào lưới điện 220 V.
  • Trong lộ trình 12 đến 24 tháng tới, hướng phát triển trọng tâm là hoàn thiện thử nghiệm phần cứng thực nghiệm với bộ mô phỏng pin quang điện công suất lớn và tích hợp giải thuật vào các bộ biến tần hòa lưới thông minh.
  • Các nhà nghiên cứu, kỹ sư hệ thống điện và doanh nghiệp công nghệ năng lượng tái tạo hãy chủ động tham khảo chi tiết luận văn để áp dụng và mở rộng giải thuật điều khiển tiên tiến này vào các dự án thực tiễn.