Chương 1 Giới thiệu 1. Giới thiệu Vấn đề cạn kiệt năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng mặt trời.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó. Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều vùng. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2]. Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học. Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV).
Trong đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống 2 pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%); - Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau. Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. Tính cấp thiết của đề tài Cơ cấu nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống như nhiên liệu hóa thạch, nước.
Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được xem là cần thiết. Đối tượng nghiên cứu Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình của một hệ thống pin quang điện bao gồm: - Hệ thống pin quang điện; - Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC; - Giải thuật tìm điểm công suất cực đại; - Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện. 3 - Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống pin quang điện dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.
Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện. - Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại. - Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. - Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. Tổng quan tình hình nghiên cứu Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện chịu chi phối trực tiếp bởi các giải thuật tìm điểm công suất cực đại.
Vì vậy, trong thời gian gần đây, các giải thuật tìm điểm công suất cực đại đã được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng như giải thuật xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O), giải thuật gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, logic mờ, v. Các giải thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của giải thuật; giá trị hội tụ và tốc độ hội tụ của giải thuật; tính chất đơn giản của việc thực hiện các thực nghiệm nghiên cứu, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm.
Phương pháp này tương tự như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v.
Tuy nhiên, đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi lớn và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác và ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [3]. Để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D. Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc lấy thêm các mẫu trung gian. Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính.
Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [4]. Ariffin đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại. Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu.
Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu 5 này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể [5]. Bhowmik đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống PV. Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường.
Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6]. Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất cực đại thì các kỹ thuật khác liên quan đến việc nghiên cứu và thiết kế các hệ thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả năng khai thác được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất. Chaiko [7]-[9] đã thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời cho hệ thống PV. Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt trời.
Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng. Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng của mặt trời. Vasant [10] cũng đã giới thiệu một thiết kế khác cho hệ thống bám theo mặt trời. Hệ thống này được điều khiển bởi vi điều khiển PIC16F84A.
