Tổng quan nghiên cứu

Mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo vô cùng to lớn với tổng công suất bức xạ phát ra không gian ước tính đạt khoảng 3,8x10^20 MW. Tuy nhiên, hiệu suất chuyển đổi quang năng thành điện năng của các tấm pin silicon thương dụng hiện nay trong thực tế chỉ đạt mức dưới 25%. Đặc tính làm việc của pin quang điện (PV) mang tính phi tuyến sâu sắc, phụ thuộc mật thiết vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường xung quanh. Trên đường đặc tính công suất - điện áp (P-V) luôn tồn tại một điểm làm việc duy nhất mà tại đó hệ thống phát ra công suất cực đại (MPP). Do chi phí đầu tư ban đầu của hệ thống quang điện còn tương đối cao, việc tối ưu hóa khả năng trích xuất năng lượng từ mặt trời là một bài toán kỹ thuật cấp bách.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của tác giả Võ Minh Phúc, dưới sự hướng dẫn khoa học của Phó Giáo sư Nguyễn Thanh Phương tại Trường Đại học Công nghệ TP. Hồ Chí Minh (hoàn thành vào tháng 8 năm 2018), tập trung nghiên cứu giải pháp bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin mặt trời cấp nguồn cho tải một chiều (DC) thông qua bộ điều khiển logic mờ (FLC). Nghiên cứu phân tích các cấu trúc chuyển đổi điện áp DC-DC kết hợp giải thuật điều khiển thông minh trong điều kiện khí hậu nhiệt đới tại Việt Nam. Mục tiêu cụ thể là rút ngắn thời gian đáp ứng bám điểm cực đại xuống dưới 0,05 giây, triệt tiêu biên độ dao động công suất xác lập quanh điểm MPP xuống dưới mức 1%, qua đó nâng cao tổng hiệu suất khai thác năng lượng của toàn hệ thống thêm từ 3% đến 5% so với các phương pháp truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Cơ sở lý thuyết của đề tài được xây dựng từ sự tích hợp giữa vật lý quang điện bán dẫn, kỹ thuật điện tử công suất và lý thuyết điều khiển học thông minh.

Về mặt vật lý quang điện, công trình dựa trên lý thuyết bức xạ vật thể đen của Planck và định luật Stefan-Boltzmann với nhiệt độ bề mặt mặt trời giả định 5800 K, xác định phổ bức xạ chuẩn trên mặt đất theo tỷ số khối khí quyển AM1.5 với mật độ công suất trung bình 1000 W/m2. Mô hình toán học của pin quang điện được biểu diễn thông qua phương trình phi tuyến dòng - điện áp có xét đến ảnh hưởng của điện trở nối tiếp Rs và điện trở song song Rp, với hằng số Boltzmann k = 1,381x10^-23 J/K và điện tích nguyên tố q = 1,602x10^-19 C.

Về mặt điều khiển học, tác giả áp dụng lý thuyết logic mờ (Fuzzy Logic) do Lotfi Zadeh khởi xướng, kết hợp mô hình suy diễn mờ Mamdani và Sugeno với các hàm liên thuộc hình tam giác và hình thang. Năm khái niệm then chốt của luận văn gồm: Điểm công suất cực đại (MPP), Kỹ thuật bám điểm công suất cực đại (MPPT), Chu kỳ nhiệm vụ điều chế độ rộng xung (Duty cycle D), Bộ biến đổi điện áp DC-DC (Buck, Boost, Buck-Boost) và Hiện tượng che khuất bóng râm cục bộ (Partial Shading).

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu chủ đạo là mô hình hóa toán học kết hợp phân tích mô phỏng số động học trên môi trường Matlab/Simulink.

Cỡ mẫu mô phỏng được xác lập trên module PV tiêu chuẩn gồm 36 tế bào quang điện mắc nối tiếp để tạo ra điện áp danh định 12V DC, kết nối qua bộ biến đổi tăng áp Boost hoạt động ở tần số chuyển mạch cố định f = 100 kHz, điện trở tải định mức R = 10 Ohm và độ tự cảm lọc tối thiểu L = 25 uH nhằm duy trì chế độ dòng điện liên tục.

Phương pháp chọn mẫu kịch bản thử nghiệm sử dụng kỹ thuật quét đa điểm với dải bức xạ biến thiên từ 400 W/m2 đến 1000 W/m2 và dải nhiệt độ môi trường từ 25 độ C đến 50 độ C.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích mô phỏng Simulink là vì công cụ này cho phép khảo sát chính xác các trạng thái quá độ phi tuyến phức tạp của các khóa bán dẫn MOSFET/IGBT ở tần số cao, đồng thời triệt tiêu hoàn toàn rủi ro hư hỏng phần cứng khi thử nghiệm các tình huống quá dòng hay ngắn mạch. Toàn bộ tiến trình xây dựng mô hình, thu thập dữ liệu và phân tích đối chứng giữa bộ điều khiển FLC với thuật toán Leo đồi (P&O) được thực hiện trong thời gian 6 tháng (từ tháng 2/2018 đến tháng 8/2018).

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình mô phỏng đối chứng trên phần mềm Matlab/Simulink đã mang lại bốn phát hiện kỹ thuật quan trọng:

Thứ nhất, bộ điều khiển logic mờ (FLC) thể hiện tốc độ đáp ứng động học vượt trội khi rút ngắn thời gian xác lập bám điểm MPP hơn 40% so với phương pháp P&O cổ điển khi cường độ bức xạ thay đổi đột ngột từ 600 W/m2 lên 1000 W/m2.

Thứ hai, biên độ dao động công suất ngõ ra ở trạng thái xác lập của bộ điều khiển FLC được kiểm soát ở mức cực thấp, chỉ dưới 0,8%, trong khi thuật toán P&O liên tục dao động trong dải từ 3,5% đến 5,2% quanh điểm cực đại, gây tổn thất năng lượng đáng kể.

Thứ ba, mạch chuyển đổi DC-DC Boost vận hành ở tần số 100 kHz duy trì độ gợn điện áp ngõ ra dưới 1% khi sử dụng cuộn cảm L lớn hơn 25 uH và bộ lọc tụ điện C được tính toán chuẩn xác, bảo đảm dòng điện cấp cho tải một chiều luôn liên tục và ổn định.

Thứ tư, khi xảy ra hiện tượng bóng râm che khuất một phần mảng pin, việc tích hợp diode bypass kết hợp thuật toán FLC giúp hệ thống bảo toàn hơn 82% công suất danh định, ngăn chặn hoàn toàn hiện tượng tạo điểm nóng (hot-spot) gây nguy hại cho tế bào pin.

Thảo luận kết quả

Ưu thế vượt trội của bộ điều khiển FLC xuất phát từ cơ chế điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ D thông qua ma trận 25 quy tắc hợp thành mờ dựa trên hai biến ngõ vào: sai số công suất E và độ biến thiên sai số CE. Khi điểm làm việc ở xa điểm cực đại, giải thuật mờ tự động thiết lập bước nhảy D lớn để rút ngắn thời gian tiếp cận; khi tiến sát điểm MPP, bước nhảy D tự động giảm về mức tiệm cận 0 để triệt tiêu hiện tượng dao động. Ngược lại, phương pháp leo đồi P&O truyền thống chỉ sử dụng một bước nhảy cố định nên luôn phải đánh đổi giữa tốc độ đáp ứng và độ chính xác ở trạng thái xác lập.

Các dữ liệu thu thập được có thể trình bày một cách tường minh qua biểu đồ đáp ứng công suất theo thời gian (P-t) và bảng tổng hợp các chỉ số chất lượng động học (độ vọt lố, thời gian quá độ). Kết quả so sánh cho thấy FLC giúp hệ thống đạt hiệu suất bám công suất trung bình trên 98,5%, cao hơn khoảng 4% so với phương pháp P&O, chứng minh tính ưu việt của điều khiển mờ trong môi trường bức xạ biến động liên tục.

Đề xuất và khuyến nghị

Một là, hiện thực hóa phần cứng điều khiển nhúng: Nhóm kỹ sư phát triển cần tiến hành nhúng thuật toán FLC lên các dòng chip xử lý tín hiệu số DSP hoặc FPGA có tốc độ cao nhằm điều khiển trực tiếp bộ biến đổi DC-DC ở tần số 100 kHz trong thời gian thực, đặt mục tiêu giảm độ trễ vòng lặp điều khiển xuống dưới 10 micro giây trong vòng 6 tháng tới.

Hai là, tối ưu hóa hệ mờ lai thích nghi: Các nhà nghiên cứu thuộc các viện và trường đại học nên tích hợp mạng nơ-ron nhân tạo với logic mờ (mô hình ANFIS) nhằm tự động hiệu chỉnh các hàm liên thuộc theo sự suy giảm hiệu suất của tấm pin sau 5 đến 10 năm vận hành, hướng tới mục tiêu duy trì hiệu suất bám cực đại ổn định trên 99%.

Ba là, hoàn thiện cấu trúc mạch biến đổi DC-DC đa tầng: Các doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất cần phát triển mạch Buck-Boost cầu chữ H với dải điện áp ngõ vào linh hoạt từ 12V đến 65V để tương thích tối đa với các hệ ắc quy lưu trữ công nghiệp, hoàn thành việc thử nghiệm thực tế trong vòng 1 năm.

Bốn là, ứng dụng đại trà trong các dự án năng lượng nông thôn: Đơn vị thi công và quản lý năng lượng cần ứng dụng bộ điều khiển MPPT mờ vào các hệ thống trạm bơm nước năng lượng mặt trời và lưới điện mặt trời độc lập tại khu vực Nam Trung Bộ và Tây Nguyên, với chỉ tiêu nâng cao sản lượng điện khai thác hằng năm thêm ít nhất 5%.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Công trình nghiên cứu mang lại giá trị học thuật và thực tiễn sâu sắc cho bốn nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) trong ngành điện tử công suất và năng lượng tái tạo, những người cần tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình tính toán thông số mạch DC-DC 100 kHz và bảng quy tắc mờ để tối ưu hóa bộ sạc mặt trời.

Thứ hai, học viên cao học và sinh viên chuyên ngành Kỹ thuật điện, Tự động hóa, có thể sử dụng luận văn làm tài liệu nghiên cứu chuẩn mực về phương pháp mô hình hóa pin PV và kỹ thuật mô phỏng giải thuật mờ Mamdani trên Matlab/Simulink.

Thứ ba, các doanh nghiệp sản xuất bộ biến tần quang điện (Solar Inverter), nhằm khai thác thuật toán điều khiển mờ để nâng cấp firmware điều khiển cho sản phẩm, nâng cao hiệu suất cạnh tranh với các thiết bị ngoại nhập.

Thứ tư, các kỹ sư tư vấn thiết kế và vận hành hệ thống điện mặt trời độc lập (Off-grid 12V đến 65V), có thể ứng dụng các phân tích về hiện tượng bóng râm và phương pháp mắc diode bypass để giảm thiểu tối đa tổn hao năng lượng trong các dự án thực tế.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao hệ thống pin quang điện bắt buộc phải tích hợp bộ điều khiển MPPT? Do đặc tính dòng - áp của pin mặt trời có tính phi tuyến mạnh và thay đổi liên tục theo thời tiết, bộ điều khiển MPPT giúp phối hợp trở kháng giữa nguồn và tải, đảm bảo pin luôn phát 100% công suất khả dụng thay vì chỉ đạt từ 60% đến 70% công suất danh định khi kết nối trực tiếp.

Thuật toán Logic mờ (FLC) vượt trội hơn phương pháp Leo đồi (P&O) ở điểm nào? Thuật toán P&O truyền thống sử dụng bước nhảy cố định nên gây dao động công suất xác lập từ 3% đến 5% và dễ bám sai khi trời đổi nắng nhanh. FLC sử dụng các tập mờ ngôn ngữ giúp tự co giãn bước nhảy, triệt tiêu dao động xuống dưới 0,8% và tăng tốc độ bám điểm cực đại.

Tần số chuyển mạch 100 kHz của bộ chuyển đổi DC-DC mang lại lợi ích gì? Tần số đóng cắt cao 100 kHz cho phép thu nhỏ đáng kể kích thước cuộn cảm lọc (xuống mức 25 uH) và tụ điện, giảm tổn hao chuyển mạch, hạn chế độ gợn điện áp ngõ ra dưới 1% và nâng cao hiệu suất chuyển đổi toàn mạch lên trên 95%.

Hiện tượng bóng râm ảnh hưởng thế nào đến tấm pin và cách giải quyết ra sao? Khi một tế bào pin bị che bóng, nó biến thành tải tiêu thụ, làm sụt giảm nghiêm trọng dòng điện của toàn chuỗi và gây quá nhiệt. Luận văn giải quyết vấn đề này bằng cách mắc song song diode bypass, giúp bảo toàn hơn 82% công suất của cả hệ thống khi bị che khuất một phần.

Làm thế nào để lựa chọn cấu trúc giữa các bộ biến đổi Buck, Boost và Buck-Boost? Việc lựa chọn phụ thuộc vào tương quan điện áp giữa giàn pin và tải DC. Mạch Buck được dùng khi điện áp pin luôn cao hơn tải; mạch Boost dùng khi điện áp pin thấp hơn điện áp tải; còn mạch Buck-Boost được ưu tiên khi điện áp pin dao động ở cả hai phía so với điện áp tải (từ 12V đến 65V).

Kết luận

Luận văn đã giải quyết trọn vẹn và khoa học bài toán tối ưu hóa công suất trong hệ thống pin quang điện với các đóng góp trọng tâm:

  • Xây dựng thành công mô hình toán học chi tiết cho pin quang điện PV có tính đến đầy đủ các thông số tổn hao ký sinh Rs và Rp.
  • Thiết lập hoàn chỉnh cấu trúc bộ điều khiển logic mờ FLC với 2 biến ngõ vào và 25 quy tắc điều khiển ngôn ngữ tối ưu.
  • Chứng minh tính vượt trội của FLC so với giải thuật P&O truyền thống thông qua việc rút ngắn 40% thời gian xác lập và giữ độ dao động công suất dưới mức 0,8%.
  • Tính toán và mô phỏng chính xác các bộ biến đổi DC-DC (Buck, Boost, Buck-Boost) ở tần số 100 kHz đạt độ gợn điện áp dưới 1%.
  • Đề xuất giải pháp bảo vệ bằng diode bypass giúp mảng pin duy trì trên 82% công suất khi gặp hiện tượng bóng râm cục bộ.

Trong lộ trình nghiên cứu từ 1 đến 2 năm tới, việc triển khai giải thuật mờ lên vi xử lý DSP thời gian thực sẽ là bước đi quan trọng để thương mại hóa sản phẩm. Hãy tham khảo toàn văn luận văn để áp dụng ngay giải pháp điều khiển tiên tiến này vào các dự án năng lượng tái tạo thực tế!