Đạt được điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống lai điện gió và điện mặt trời nối lưới

Nghiên cứu thuật toán tối ưu công suất hệ thống điện gió mặt trời nối lưới. Tìm hiểu cách xác định, duy trì điểm làm việc hiệu quả nhất.

• Tác giả: Bùi Thị Huyền Trang
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Lại Khắc Lãi
• Trường học: Trường Đại học Công nghệ Thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống lai điện gió điện mặt trời nối lưới
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thái Nguyên

Tóm tắt

I. Tổng Quan Tối Ưu Công Suất Hệ Điện Gió Mặt Trời 55

Nguồn năng lượng truyền thống đang dần cạn kiệt, đòi hỏi tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế. Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời và năng lượng gió, là giải pháp tiềm năng. Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời, với số giờ nắng cao và bức xạ mặt trời lớn. Tuy nhiên, việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng này vẫn còn nhiều thách thức. Tối ưu hóa điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất của các hệ thống điện gió và điện mặt trời, giúp chúng hòa lưới điện một cách ổn định và hiệu quả. Điều này không chỉ góp phần giảm sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch mà còn đảm bảo an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường. Theo nghiên cứu của Đại học Thái Nguyên, Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo nhưng cần có các công nghệ hiện đại để khai thác hiệu quả.

1.1. Tiềm Năng Năng Lượng Tái Tạo Tại Việt Nam

Việt Nam có tiềm năng lớn về năng lượng tái tạo, đặc biệt là điện mặt trời và điện gió. Nằm trong khu vực có bức xạ mặt trời cao, Việt Nam có thể khai thác năng lượng mặt trời để sản xuất điện. Đồng thời, với bờ biển dài, tiềm năng năng lượng gió cũng rất lớn. Tuy nhiên, để khai thác hiệu quả các nguồn năng lượng này, cần có các công nghệ tiên tiến và giải pháp tối ưu hóa hiệu suất.

1.2. Vai Trò của MPPT trong Hệ Thống Điện Năng Lượng Tái Tạo

Tối ưu hóa điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất của các hệ thống điện mặt trời và điện gió. MPPT giúp hệ thống hoạt động ở điểm công suất tối đa, khai thác tối đa năng lượng từ các nguồn tái tạo. Việc này đặc biệt quan trọng trong điều kiện thời tiết thay đổi, khi điểm công suất cực đại có thể biến động liên tục.

II. Thách Thức Duy Trì Điểm Làm Việc Tối Ưu MPPT 58

Việc duy trì điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống điện gió và mặt trời nối lưới gặp nhiều thách thức. Điều kiện thời tiết thay đổi liên tục, đặc biệt là sự biến động của bức xạ mặt trời và tốc độ gió, khiến cho việc tìm kiếm và duy trì MPPT trở nên khó khăn. Ngoài ra, sự phức tạp của hệ thống nối lưới và yêu cầu về ổn định điện áp và tần số cũng đặt ra những bài toán khó khăn trong việc điều khiển MPPT. Các thuật toán MPPT truyền thống có thể không hoạt động hiệu quả trong các điều kiện này, đòi hỏi sự phát triển của các thuật toán MPPT tiên tiến hơn. Theo nghiên cứu của Bùi Thị Huyền Trang, điều kiện môi trường luôn thay đổi tác động trực tiếp đến MPPT.

2.1. Ảnh Hưởng Của Điều Kiện Thời Tiết Đến MPPT

Điều kiện thời tiết có ảnh hưởng lớn đến điểm làm việc công suất cực đại (MPPT) của hệ thống điện mặt trời và điện gió. Bức xạ mặt trời và nhiệt độ ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của tấm pin mặt trời, trong khi tốc độ gió ảnh hưởng đến công suất của tuabin gió. Việc thay đổi điều kiện thời tiết liên tục đòi hỏi các thuật toán MPPT phải thích ứng nhanh chóng để duy trì hiệu suất cao.

2.2. Vấn Đề Ổn Định Hệ Thống Điện Nối Lưới

Việc tích hợp hệ thống điện mặt trời và điện gió vào lưới điện đặt ra những thách thức về ổn định hệ thống. Sự biến động của nguồn năng lượng tái tạo có thể gây ra các vấn đề về điện áp và tần số trong lưới điện. Do đó, cần có các giải pháp điều khiển MPPT thông minh để đảm bảo sự ổn định của hệ thống.

III. Cách Tối Ưu Thuật Toán MPPT Thích Ứng Cao Cấp 57

Để giải quyết các thách thức trên, việc sử dụng các thuật toán MPPT thích ứng cao cấp là cần thiết. Các thuật toán này có khả năng theo dõi điểm làm việc công suất cực đại một cách nhanh chóng và chính xác, ngay cả trong điều kiện thời tiết biến động. Các thuật toán MPPT tiên tiến như Fuzzy Logic, Neural Network, và các thuật toán dựa trên Artificial Intelligence (AI) có khả năng học hỏi và thích ứng với các điều kiện khác nhau, giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống điện mặt trời và điện gió một cách đáng kể. Nghiên cứu của trường ĐH Công nghệ Thông tin và Truyền thông Thái Nguyên chú trọng nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì MPPT.

3.1. So Sánh Các Thuật Toán MPPT Phổ Biến

Có nhiều thuật toán MPPT khác nhau, mỗi thuật toán có ưu và nhược điểm riêng. Các thuật toán phổ biến bao gồm Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (IncCond), Fuzzy Logic, và Neural Network. P&O là thuật toán đơn giản nhưng dễ bị dao động. IncCond có độ chính xác cao hơn nhưng phức tạp hơn. Fuzzy Logic và Neural Network có khả năng thích ứng tốt nhưng đòi hỏi nhiều tài nguyên tính toán.

3.2. Thuật Toán MPPT Dựa Trên Trí Tuệ Nhân Tạo AI

Các thuật toán MPPT dựa trên trí tuệ nhân tạo (AI) có khả năng học hỏi và thích ứng với các điều kiện khác nhau, giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống điện mặt trời và điện gió một cách đáng kể. Các thuật toán này có thể dự đoán điểm làm việc công suất cực đại dựa trên dữ liệu lịch sử và điều kiện thời tiết hiện tại, giúp hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả.

IV. Hướng Dẫn Điều Khiển MPPT Cho Điện Gió và Mặt Trời 59

Điều khiển MPPT hiệu quả đòi hỏi sự kết hợp giữa thuật toán và phần cứng điều khiển. Các bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng trong việc điều chỉnh điện áp và dòng điện để đạt được điểm làm việc công suất cực đại. Việc lựa chọn bộ biến đổi DC-DC phù hợp với đặc tính của hệ thống điện mặt trời và điện gió là rất quan trọng. Ngoài ra, việc sử dụng các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng và chính xác cũng giúp nâng cao hiệu quả điều khiển MPPT. Bùi Thị Huyền Trang đã nghiên cứu các phương pháp điều khiển TS và phương pháp điều khiển PSF.

4.1. Lựa Chọn Bộ Biến Đổi DC DC Phù Hợp

Việc lựa chọn bộ biến đổi DC-DC phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả của hệ thống MPPT. Các loại bộ biến đổi DC-DC phổ biến bao gồm Buck, Boost, và Buck-Boost. Buck phù hợp cho việc giảm điện áp, Boost phù hợp cho việc tăng điện áp, và Buck-Boost có thể vừa tăng vừa giảm điện áp. Việc lựa chọn loại bộ biến đổi nào phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của hệ thống.

4.2. Ứng Dụng Vi Điều Khiển Trong Điều Khiển MPPT

Các bộ vi điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc thực hiện các thuật toán MPPT. Các bộ vi điều khiển có khả năng xử lý tín hiệu nhanh chóng và chính xác, giúp hệ thống MPPT hoạt động hiệu quả. Việc lựa chọn bộ vi điều khiển có đủ tài nguyên tính toán và bộ nhớ để thực hiện các thuật toán phức tạp là rất quan trọng.

V. Kết Quả Nâng Cao Hiệu Suất Hệ Thống Điện Nối Lưới 52

Việc tối ưu hóa điểm làm việc công suất cực đại giúp nâng cao hiệu suất của hệ thống điện mặt trời và điện gió nối lưới. Điều này dẫn đến việc tăng sản lượng điện, giảm chi phí sản xuất điện, và giảm phát thải khí nhà kính. Ngoài ra, việc tối ưu hóa MPPT còn giúp cải thiện độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống. Các nghiên cứu thực tế đã chứng minh rằng việc áp dụng các thuật toán MPPT tiên tiến có thể tăng hiệu suất hệ thống lên đến 20-30%. Luận văn thạc sĩ từ ĐH Thái Nguyên, đã mô phỏng kiểm nghiệm và đánh giá các thuật toán MPPT

5.1. Đánh Giá Hiệu Quả Kinh Tế Của MPPT

Việc tối ưu hóa MPPT mang lại hiệu quả kinh tế rõ rệt. Sản lượng điện tăng lên giúp giảm chi phí sản xuất điện. Đồng thời, việc giảm phát thải khí nhà kính giúp giảm chi phí môi trường. Việc này làm tăng tính cạnh tranh của điện mặt trời và điện gió so với các nguồn năng lượng truyền thống.

5.2. Cải Thiện Độ Tin Cậy và Tuổi Thọ Hệ Thống

Việc tối ưu hóa MPPT giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn, giảm thiểu các sự cố và kéo dài tuổi thọ của các thành phần. Điều này giúp giảm chi phí bảo trì và thay thế, tăng hiệu quả đầu tư.

VI. Tương Lai Phát Triển MPPT Cho Lưới Điện Thông Minh 55

Trong tương lai, MPPT sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng lưới điện thông minh. Các hệ thống MPPT sẽ được tích hợp với các hệ thống quản lý năng lượng thông minh, cho phép điều khiển và phân phối năng lượng một cách hiệu quả. Các thuật toán MPPT sẽ được phát triển để đáp ứng các yêu cầu ngày càng cao của lưới điện thông minh, đảm bảo sự ổn định và tin cậy của hệ thống. Việc này hướng đến việc phát triển các hệ thống điện sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo, đóng góp vào sự phát triển bền vững của xã hội.

6.1. Tích Hợp MPPT Vào Lưới Điện Thông Minh

Việc tích hợp MPPT vào lưới điện thông minh cho phép điều khiển và phân phối năng lượng một cách hiệu quả. Các hệ thống MPPT sẽ được kết nối với các hệ thống quản lý năng lượng trung tâm, cho phép điều chỉnh sản lượng điện theo nhu cầu của lưới điện.

6.2. Hướng Đến Hệ Thống Điện Hoàn Toàn Tái Tạo

Việc phát triển các hệ thống MPPT tiên tiến là một bước quan trọng để hướng đến các hệ thống điện sử dụng hoàn toàn năng lượng tái tạo. Điều này đòi hỏi sự nỗ lực của các nhà nghiên cứu, kỹ sư, và chính phủ để tạo ra một tương lai năng lượng bền vững.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan về lý thuyết sử dụng trong đề tài. Chương 2 : Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời Chương 3: Điều khiễn bám điểm lâm việc tốt vu của hệ thống điện gió và điện mặt trời nối lưới CHUONG 1 TONG QUANLY THUYET SU’ DUNG TRONG BE TAT 1. B6 biến đỗi một chiều- một chiều(DC-DC) 1. Chúc năng bộ biển đổi DC-DC TBộ biến đỗi 1 chiều 1 chiều (Boot converte) có nhiệm vụ biến đỗi điện ấp “một chiều về tr số phi hop với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 400V).

Đồng thời thông qua bộ Boost comverter này đễ thực hiện điều khiển bám. điểm công suất cực đại cho hệ thống Các bộ biển đỗi DC.DC được chị làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly, Loại cách ly sử đọng mấy biển ấp caotẫn, chủng cánh fy nguễn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điềo chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sở dụng cho các nguồn cắp một chiều sở dụng khoá điện tử và cho hệ thống lai. Leại DC/DC khô; tg cách ly không sở đụng mấy biển ấp cách ly.

Chúng luôn được dòng trong các bộ điều khiễn động cơ một chiều. “Các loại bộ biển đổi DC/DC thường đòng trong hệ PV gằm Bộ giảm áp (buck) Bộ tăng ấp (booz) Bộ biến đổi tăng - giảm áp Coke Bộ giảm áp buek có thể định được điểm làm việc cô công suất tối ve mdi khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đối, trường hợp này ít thục hiện được khi cường độ búc xạ của ảnh căng xuống thấp TBộ tăng áp boost có thể định điểm làm tiệc tối u ngay cả với cường độ ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới đồng bộ Boost để tăng điện áp ra cép cho tai trước khí đua vào bộ biển đổi DC/AC. Bộ biển đối DC-DC không cách lỉ a) Mach Buck Sơ đỗ nguyên If mach buck được chỉ ra trên hình 1.

Khôa K trong ‘mach là những khóa điện tit BJT, MOSFET, hay IGBT. Mach Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện ấp nạp ie quy. Khéa transitor dope d6ng “mổ với tẫ số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thúc sau p= B= Ton foc ay Treng đồ Tạ là thời gian khốa K mỗ, T là chu kỷ làm việc cña khóa, foc tần số đông cắt „ u Hink 1.

1 So 48 nguyén bj mach Buck Trong thoi gian md, khỏa K thông cho đồng đi qua, điện áp một chiều được nap vio ty C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn khẳng L. Trong thời gian đồng, khôs K đông lại không cho đồng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0 Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đậy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện đo Diode khép kín mạch. Nhơ vậy cuộn khẳng và t điện c tác dụng lv giờ nãng lượng trong thời in ngắn để dơy t mạch khi khôa đồng Vout = UgD a2 Cảng thức (L2) che thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiễn hệ số làm việc, Hệ số làm việc được điềo khiển bằng cảch phương pháp điều chính độ rộng xung thời gian mổ tạ. Do đó, bộ biến đổi nấy còn được biết đến như là bộ điều chế xong PM Bộ Budk có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhdt.

BG Buck cũng thường được đồng để nạp ắc quy nhưng nổ cổ nhược điểm là đồng vào khô liền tục vì khóa điện tử được bể trí ở vị trí đầu vào, vì vây cần phải có bộ lọc tốt. Mach Buck thich hop si dụng khi điện áp pin cao hon dién ap Ấc quy. Dong công suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chủ kỳ đông mỡ của khóa điện tử. Bộ Buck có thể lâm việc tại điểm MPP trong hau hết kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ.

Nhưng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xã xuống thấp. Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phân tăng ấp by Mach Boost Sơ đồ nguyên lý mạch Boostnhư hình L2 [12] Hinh 1. 2: Sơ đề nguyên bj mach Boost Giếng như bộ Buck, hoat động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L. Chuyển mạch K đồng mở theo chu kỳ.

Khi K mỡ cho đồng qua (tas) cuộn kháng tích năng lượng, khi K déng (toa) cuộn kháng giải phóng năng lượng — Up = a133 Us đ3) Mach niy tng din dp vồng khi phông cña ắc quy lên 6 dip sng dita gp ra. Khi théa K mỗ, cuộn cảm được nối với ngudn 1 chiéu. Khóa KK đồng, dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua Điết Với hệ số làm việc D của khóa , điện ấp ra được tính the q4) `Với phương pháp nây công cổ thể dit chính Tạ: trong chế độ dẫntiên tục để điều chính điện áp vào Vì ở điểm công suất cực đại heo thể của tải Ve ©) Mach Buck - Boost Sơ để nguyênlý như bình 1. 3:80 08 nguyên ‘mach Buck- Boost thức (1.4): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện ấp vào.

Vì vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ cổ thể giảm điện ấpvào. Kết hợp cả hai mạch nay với nhau tạo thành mạch Buck — Boost vita c6 thé ting và giảm điện áp vào. “Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện căm, làm đồng điện trong điện cảm, tăng dẫn theo thời gian. Khi khóa ngất điện căm có khuynh hướng duy tr đồng điện qua nỗ sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điết phân cục thuận.

Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đồng khôa và mở khóa mã gi tị điện áp ra có thể nhỗ hơn, bằng bay lớn hơn giá trị điện ấp vào. Trong mọi tường hợp thì dẫu của điện ấp ra là ngược với dẫu của điện áp vào, do đó dồng điện đã qua điện cảm sẽ giảm dẫn theo thi gian Ta có công thức: Vous = S82 as) Công thúc (1.5) cho thay điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D: Khi D=. 5 thì Un = Uan; Khi D< 0.5 thì Ui > Uns; Khi D> 0.5 thì Ủy € Uạc 4) Mach Cuk Sơ để nguyênlý như bình 1. 4: So dé bién a6i Cuk BG Cok vita có thể tăng, vừa có thể giảm ap.

Cuk đùng một tụ điện để lưu giữ năng lượng vi vay đồng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cuk t gây tên hao trên khoá điện tờ hơn và cho hiệu quả cao. Nhược điểm của Cul: là điện áp ra có cục tính “ngược với điện áp vào nhưng bộ Cu cho đặc tính đông ra tốt hơn do cỗ cuộn căm đặt ở tằngra. Chính từ wu diém chính nay cba Cufk (tức là cỗ đặc tính đồng vào và đồng ra tố) "Nguyên lý hoạt động của Culc là chế độ dẫn liên tục.

Ở trạng thấi ôn định, điện ấp trung bình oi trên cuộn căm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchốp ở vòng "mạch ngoài cũng hình vẽ 1.4 ta có: ve: Vs+ Vụ Giả sử tụ C¡ có dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc đù nổ lưugiữ và chuyển một lượng năng lượng lớn tờ đầu vào đến đầu ra Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào được cấp và khoá SW khoá không cho dong chy qua. Điết D phân cực thuận, tụ C: được nạp. Hoạt động của mạch được chỉa thành 2 chế độ. Chế độ 1: Khi khoá SW mé thing đồng, mạch như ở hình vẽ 1.

5: Sơ đỗ mạch bộ Cuk bi hóa Sĩ mở thông ding Điện ấp trên ty C¡ làm điệt D phân cực ngược và Điết khoá. Tự C¡ phống sang tải qua đường SWU, Ca, Re, và La. Cuộn cảm đỏ lồn nên giã thiết rằng đồng điện trên cuộn cảm không gon sng. Vi vay ta cổ mỗi quan hệ sau: lo, = hey a6 Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho đồng chây qua, mạch c dạng như tình vẽ16[12] Tình 1.

6: Sơ mạch bộ Cuk khi khóa SI đồng. “Tụ C¡ được nạp từ nguôn vào Vs qua cuộn cảm Lị. Năng lượng lưu trên cuộn. cảm L2 được chuyển sang tãi qua đường D, C2, và R.

Vì vậy ta có: kạn ly an ĐỂ hoạt động theo chủ kỷ, dong điện trong bình của tọ là 0. Ta cổ, loolgy„DT+1,|gy„„.4~D)T=0 va, as) “hyDT+1.0-DyT=0 as) fa, OF 1) 1-D (1.10) Trong đó: D ta tif tim việc cũa khoá SW (0 < D.< 1) và T là chủ kỹ đồng cất Giả sỡ tũng đây à bộ biến đổi ý trồng, công suất trong bình do nguẫn cong cắp phải ng với công suất trong bình tả hấp thụ được. Por Poa aay sla Volta (1 weak q19 Kết hợp công thúc (1.13) vào ta có: 10 (4) Tờ công thức (1.5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào, NếuD' 3: Đầu ra bằngđầu vào, Név 0.< Ì: Đẫu ra lớn hơn đẫu vào Từ công thức (1.14) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khối bộ biến đối DCDC bằng cách điều chỉnh lệ làm việc D của khoá SW ‘Nhu vay nguyên tắc điều khiển điện ấp ra của các bộ biến đỗitrên đều bằng cách điều chính tần số đồng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biển đổi não trong bệ là tủy thuộc vào nh cầu và mục đích sở đụng Để điềo khiển tần số đồng mỡ của khóa để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu nhất, ta phải đồng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) sé được trình bày chỉ tiết ở chương tiếp sav.

Bộ biến đổi DC- DC có cách ly Bộ chuyển đổi DC-DC được mô tả tong hình L7 [3]. Bộ chuyển đổi bao gŠm một tụ lọc đầu vào C¡, 6 chuyển mạch đồng MOSEET (M:-M), sáu diét xoay ty do, hai điệt chỉnh lư, Di và Da, một biến áp cao tẫn với hệ số biển áp bằng Kí và một tụ hồa C2 Hinh 1. 7: B6 chuyên đổi DC— DC có cách by .Mây biến áp cung cấp điện áp cách ly gida bảng mạch PV và lưới, nâng cao độ an toàn cho toàn hệ thống. Điện cảm rò (Lx) được sử dụng như 1 phần tử chuyển.

đỗi nguằn, loại bỗ những vẫn đề quá áp thiết bị vã cần thiết cho sợ chẳng rung các „ ‘bing mach.