Tổng quan luận án

Công trình "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời" là luận án tiến sĩ ngành Kỹ thuật điện (mã số: 9.01) của nghiên cứu sinh Nguyễn Đức Minh, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đỗ Như Ý và PGS.TS Trịnh Trọng Chưởng tại Trường Đại học Mỏ - Địa chất, bảo vệ năm 2022.

  • Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu: Hệ thống phát điện pin mặt trời (Photovoltaic - PV) bao gồm các tấm pin quang điện, bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC), bộ nghịch lưu một chiều - xoay chiều (DC-AC), hệ thống lưu trữ năng lượng và các thiết bị điều khiển, phụ trợ. Mục tiêu vận hành trọng tâm của hệ thống PV là luôn tận dụng tối đa công suất phát ở mọi thời điểm. Tuy nhiên, đặc tính công suất phát của pin mặt trời phụ thuộc phi tuyến vào cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường, hiện tượng bóng che một phần (Partial Shading Conditions - PSC) và hiệu suất biến đổi của các mạch điện tử công suất trung gian.

    Khoảng trống nghiên cứu được tác giả xác định là: các nghiên cứu trước đây chưa giải quyết triệt để bài toán suy giảm hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC khi hoạt động ở dải công suất thấp (dưới 40% công suất thiết kế — trạng thái chiếm nhiều giờ trong ngày khi bức xạ yếu hoặc thời tiết xấu). Đồng thời, cấu trúc mạch tăng áp truyền thống có hệ số nâng áp bị giới hạn, độ nhấp nhô dòng áp còn lớn. Bên cạnh đó, khi hệ thống làm việc dưới điều kiện bóng che không đồng nhất, đặc tuyến công suất - điện áp (P-V) xuất hiện nhiều cực trị địa phương (LMPP), khiến các giải thuật bám điểm công suất cực đại (MPPT) truyền thống dễ bị bẫy cục bộ, thời gian quá độ dài và làm thất thoát công suất ở các mô-đun bị che khuất.

  • Mục tiêu nghiên cứu:

    1. Đề xuất cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới nhằm nâng cao hệ số biến đổi điện áp và cải thiện hiệu suất làm việc của bộ biến đổi.
    2. Xây dựng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại áp dụng cho cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất, nhằm tăng tốc độ hội tụ và giảm dao động quá độ.

  • Đối tượng nghiên cứu: Bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn pin mặt trời có quy mô công suất dưới 1 kW.

  • Phạm vi nghiên cứu:

    • Nội dung: Tập trung vào thiết kế cấu trúc mạch DC-DC tăng áp mới cho hệ PV một pha; tính toán tổn thất công suất và tỷ số biến đổi điện áp; phát triển giải thuật MPPT cải tiến dựa trên thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) kết hợp tham số dòng điện điều khiển cho cấu hình liên kết DC-DC.
    • Không gian và thời gian thực nghiệm: Thực hiện khảo sát, đo đạc thực nghiệm liên tục trong 90 ngày đối với hệ thống PV nối lưới 250 Wp tại tỉnh Quảng Trị (khu vực miền Trung Việt Nam); chế tạo và kiểm nghiệm mô hình mạch phần cứng thực nghiệm tại phòng thí nghiệm và hiện trường với các dải tần số đóng cắt từ 15 kHz đến 40 kHz và tỷ số chu kỳ xung $D$ từ 0,35 đến 0,7.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Trong phần tổng quan, tác giả phân tích các hướng nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba nhóm bài toán kỹ thuật chính:

  • Bài toán cấu trúc chuyển đổi và thiết kế bộ biến đổi DC-DC: Tác giả hệ thống hóa hai mô hình cấu trúc chuyển đổi cơ bản trong các nhà máy điện mặt trời: mô hình một cấp chuyển đổi (Inverter trung tâm) và mô hình hai cấp chuyển đổi (Inverter chuỗi), được tổng hợp trong bảng so sánh kỹ thuật:
Đặc tính kỹ thuật Mô hình một cấp chuyển đổi Mô hình hai cấp chuyển đổi
Công suất xoay chiều (AC) Lên tới 4 MW 25 – 215 kW
Phương pháp lắp đặt Dùng cần cẩu nâng đặt trên đế bê tông 2 người nâng đặt lên khung giá đỡ
Thiết kế máy biến áp & làm mát Không cần máy biến áp, làm mát tự nhiên Sử dụng máy biến áp cách ly, làm mát tự nhiên
Đảm bảo hiệu suất khi chuỗi PV lệch hướng/góc nghiêng Không Có
Bảo dưỡng và sửa chữa Bắt buộc thực hiện tại chỗ Thực hiện tại chỗ hoặc chuyển về đơn vị sản xuất
Số lượng bộ lấy điểm cực đại (MPPT) Một hoặc hai bộ Nhiều bộ
Thời hạn bảo hành Khoảng 10 năm 5 – 10 năm
Suất đầu tư (cùng gam công suất) Thấp hơn Cao hơn
Chi phí lắp đặt và bảo dưỡng Cao hơn Thấp hơn

Điểm lại các công trình thiết kế mạch DC-DC, tác giả dẫn chứng:

  • Công trình của nhóm nghiên cứu tích hợp vi điều khiển STM32F103 với mạch lái MOSFET (Mosfet Driver) và giải thuật lai MPPT; tuy hiệu suất đạt mức khá nhưng chất lượng sóng điện áp ra chưa cao.

  • Nghiên cứu chế tạo bộ biến đổi DC-DC ghép từ các module công suất nhỏ nối song song đầu vào và nối tiếp đầu ra, sử dụng thuật toán Incremental Conductance (INC). Mạch có máy biến áp cách ly nên tổn thất còn lớn, hiệu suất cực đại đạt 91,5%, thời gian ổn định sau khi tìm MPP kéo dài (180 giây), độ nhấp nhô dòng - áp lớn và phạm vi hoạt động ổn định chỉ dưới 300 W.

  • Nghiên cứu cấu trúc DC-DC 200 W sử dụng 4 MOSFET nghịch lưu, 4 diode chỉnh lưu và 1 máy biến áp cách ly áp dụng cho tấm pin PEPV-48-200; kết quả nâng hiệu suất từ 58,12% lên 82,2%.

  • Bài toán cấu hình ghép nối bộ tăng áp DC-DC: Các công trình khảo sát cấu hình liên kết nối tiếp (Serial Configuration - SC), song song (Parallel Configuration - PC) và nối tiếp - song song (Serial-Parallel Configuration - SPC) trên hệ thống 6 module PV loại 72 tế bào quang điện. Kết quả cho thấy cấu hình PC đạt công suất lớn nhất và điện áp ổn định nhất; cấu hình SC cho mức điện áp cao nhất nhưng hiệu suất thấp hơn; cấu hình SPC cho hiệu suất và tính ổn định không cao. Hạn chế của các nghiên cứu này là thời gian quá độ khi bám MPPT còn lớn (0,25 giây) và chưa tối ưu hóa cấu trúc mạch DC-DC.

  • Bài toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT):

    • Trong điều kiện bức xạ đồng nhất: Tác giả phân loại 5 nhóm kỹ thuật: (1) Tham số không đổi (hằng số điện áp, điện áp hở mạch $V_{OC}$, dòng ngắn mạch $I_{SC}$, gradient nhiệt độ); (2) Đo lường và so sánh (tra bảng, tối đa hóa điện áp/dòng điện tải, điều khiển dòng tuyến tính); (3) Thử nghiệm và sai số (nhiễu loạn và quan sát P&O, P&O cải tiến bước cố định); (4) Tính toán toán học (tọa độ tuyến tính định hướng lại LRCM, đường cong cân đối, điều khiển trượt); (5) Dự đoán thông minh (logic mờ, mạng nơ-ron). Nghiên cứu phân chia 3 vùng làm việc trên đặc tuyến PV đạt tốc độ dò tìm khoảng 7 giây, thời gian quá độ còn lớn.
    • Trong điều kiện bóng che một phần (PSC): Phân tích các thuật toán tìm điểm cực đại toàn cục (GMPPT) thay thế phương pháp truyền thống: tối ưu bầy đàn (PSO), PSO cải tiến (Modified PSO), đàn ong nhân tạo (ABC), đàn kiến (ACO), mô phỏng luyện kim (SA), đàn dơi (BA), lửa bay (FFA), pháo hoa (FWA), đom đóm (GSO), S-Jaya, thụ phấn hoa (FPA), sói xám (GWO), dạy-học (TLBO), nổ mìn (MBA), cá voi (WOA), tâm lý con người (HPO); cùng các giải thuật lai như INC-FFA, P&O-ANN, FWA-P&O, GWO-P&O, Bat-P&O, PSO-P&O, SA-PSO, Jaya-DE, WO-DE, PSO-SFLA.

  • Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết: Các thuật toán tối ưu thông minh chưa được tích hợp đồng bộ với cấu trúc DC-DC nâng cao; thời gian quá độ của đáp ứng dòng - áp còn dài; hiệu suất chuyển đổi của hệ thống ở một số mô hình công bố chỉ đạt trên 50%. Luận án chọn giải quyết việc thiết kế cấu trúc DC-DC tăng áp mới có tổn thất thấp kết hợp giải thuật PSO cải tiến sử dụng biến dòng điện để tối ưu hóa việc thu nhận năng lượng trên toàn bộ các chuỗi PV bị che bóng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

  • Cơ sở lý thuyết và mô hình toán học:

    • Mô hình tế bào quang điện (PV Cell): Mạch tương đương một diode gồm nguồn dòng quang điện $I_{ph}$, diode phân cực ngược $I_D$, điện trở nối tiếp $R_s$ và điện trở shunt $R_{sh}$. Dòng điện ngõ ra trên tải $I$ được mô tả qua phương trình: $$I = I_{ph} - I_D - I_{sh} = I_{ph} - I_{rsc}\left[\exp\left(\frac{q(V + R_s I)}{A k T_c}\right) - 1\right] - \frac{V + R_s I}{R_{sh}}$$ Trong đó: $I_{rsc}$ là dòng bão hòa ngược; $V$ là điện áp tải; $A$ là hệ số lý tưởng của diode; $q = 1{,}6 \times 10^{-19}\text{ C}$; $k = 1{,}38065 \times 10^{-23}\text{ J/K}$; $T_c$ là nhiệt độ tế bào (K). Đối với tế bào lý tưởng ($R_s = 0, R_{sh} = \infty$): $$I = I_{ph} - I_{rsc}\left[\exp\left(\frac{q V}{A k T_c}\right) - 1\right]$$
    • Mô hình phụ thuộc môi trường: Dòng quang điện $I_{ph}$ phụ thuộc cường độ bức xạ $H$ ($\text{W/m}^2$) và nhiệt độ $T_c$: $$I_{ph} = \left[I_{scr} + K_I(T_c - T_{ref})\right]\frac{H}{H_{ref}}$$ Với $I_{scr}$ là dòng ngắn mạch tại điều kiện tiêu chuẩn ($25^\circ\text{C}$); $K_I$ là hệ số nhiệt độ của dòng ngắn mạch; $T_{ref} = 25^\circ\text{C}$; dòng bão hòa $I_{sh}$ phụ thuộc vào năng lượng vùng cấm bán dẫn $E_G$: $$I_{sh} = I_{rsc}\left(\frac{T_c}{T_{ref}}\right)^3 \exp\left[\frac{q E_G}{k A}\left(\frac{1}{T_{ref}} - \frac{1}{T_c}\right)\right]$$
    • Mô hình module PV ghép nối: Gồm $N_s$ tế bào mắc nối tiếp và $N_p$ nhánh mắc song song: $$I = N_p I_{ph} - N_p I_s \left[\exp\left(\frac{\frac{V}{N_s} + \frac{I R_s}{N_p}}{\frac{k T_c A}{q}}\right) - 1\right] - \frac{\frac{N_p V}{N_s} + I R_s}{R_{sh}}$$
    • Lý thuyết bộ tăng áp DC-DC (Boost Converter):
      • Ở chế độ dẫn liên tục (CCM): Tỷ số truyền áp $V_{out} = \frac{V_{in}}{1 - D}$, dòng điện $I_{out} = I_{in}(1 - D)$, trở kháng đầu vào tối ưu $R_{ei}(D, R) = (1 - D)^2 R$.
      • Ở chế độ dẫn không liên tục (DCM): Tỷ số chu kỳ xung $D$ được tính theo dòng tải: $$D = \left[\frac{4}{27}\frac{V_{out}}{V_{in}}\left(\frac{V_{out}}{V_{in}} - 1\right)\frac{I_{out}}{I_{out,aver_max}}\right]^{0{,}5}$$ Với dòng điện trung bình cực đại tại biên dẫn liên tục: $I_{out,aver_max} = \frac{T_s V_{out}}{2 L_b} D (1 - D)^2$.
      • Giá trị điện cảm tới hạn ($L_{bc}$) phân định ranh giới giữa chế độ CCM và DCM: $$L_{bc} = \frac{R D (1 - D)^2}{2 F_s}$$ Trong đó $R$ là điện trở tải, $F_s$ là tần số chuyển mạch.

  • Phương pháp nghiên cứu:

    • Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Thiết lập phương trình giải tích toán học mô tả động thái năng lượng của PV, tổn thất công suất trên các khóa bán dẫn (IGBT/MOSFET, diode) và các phần tử thụ động ($L, C$).
    • Phương pháp mô hình hóa và mô phỏng: Xây dựng mô hình tính toán trên phần mềm MATLAB/Simulink và phần mềm mô phỏng điện tử công suất PSIM để kiểm chứng đáp ứng điện áp, dòng điện và hiệu suất mạch.
    • Phương pháp thực nghiệm: Thiết kế, chế tạo mạch in phần cứng gồm mạch lực DC-DC, mạch kích lái (Driver), kit điều khiển trung tâm sử dụng bộ xử lý DSP/vi điều khiển STM32F103; thu thập dữ liệu dạng sóng bằng dao động ký (Oscilloscope) với các dạng phụ tải thuần trở và tải động cơ.

  • Nguồn tư liệu và dữ liệu:

    • Dữ liệu bức xạ và nhiệt độ thực nghiệm thu thập trong 90 ngày tại Quảng Trị trên 2 hệ thống PV 250 Wp.
    • Dữ liệu đo đạc thực nghiệm từ mô hình bộ biến đổi chế tạo với điện áp ngõ vào danh định $V_{in} = 74\text{ V}$, khảo sát biến thiên theo các cấp tần số đóng cắt 15 kHz, 20 kHz, 25 kHz, 30 kHz, 40 kHz và độ rộng xung $D = 0{,}35; 0{,}5; 0{,}7$.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan vấn đề nghiên cứu

Chương 1 trình bày nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện dựa trên hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn, cấu trúc mảng PV ghép nối tiếp - song song và vai trò của các diode bypass, diode chặn. Phân tích hiện tượng che bóng một phần (PSC) do mây, bóng cây, công trình, bụi bẩn làm biến dạng đặc tuyến P-V từ đơn cực trị sang đa cực trị (nhiều đỉnh LMPP và một đỉnh GMPP).

Chương này tổng kết hai mô hình chuyển đổi nguồn điện mặt trời (Inverter trung tâm và Inverter chuỗi), phân tích đặc tính suy giảm hiệu suất của các bộ DC-DC thông thường khi công suất truyền tải xuống dưới mức 40%. Trên cơ sở tổng quan các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về cấu trúc mạch DC-DC, cấu hình ghép nối và thuật toán MPPT, chương 1 xác lập hướng tiếp cận: thiết kế cấu trúc tăng áp DC-DC mới có hiệu suất cao, dải nâng áp lớn và xây dựng giải thuật GMPPT cải tiến bám điểm cực đại toàn cục cho hệ thống liên kết.

Chương 2: Đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc của bộ biến đổi DC-DC nguồn pin mặt trời

Chương 2 thiết lập mô hình toán học chi tiết của hệ thống PV ghép nối với bộ tăng áp DC-DC. Phân tích định lượng các yếu tố môi trường tác động lên tế bào quang điện: khi bức xạ $H$ tăng, dòng ngắn mạch $I_{SC}$ tăng tuyến tính theo tỷ lệ $\frac{H}{H_{ref}}$; khi nhiệt độ tăng, điện áp hở mạch $V_{OC}$ của vật liệu Silic giảm khoảng $0{,}37%/^\circ\text{C}$ trong khi dòng điện chỉ tăng nhẹ khoảng $0{,}05%/^\circ\text{C}$, dẫn đến công suất cực đại suy giảm khi pin bị nung nóng.

Tác giả trình bày kết quả thử nghiệm thực nghiệm so sánh trong 90 ngày tại Quảng Trị giữa hệ thống PV 250 Wp cố định và hệ thống PV 250 Wp có trục xoay định hướng theo vị trí mặt trời. Dữ liệu thực nghiệm chỉ ra:

  • Vào những ngày mưa, sản lượng điện năng trung bình của hệ thống PV giảm gần 3 lần so với ngày nắng.
  • Vào những ngày nhiều mây, sản lượng điện năng giảm gần một nửa so với ngày nắng.
  • Hệ thống PV có trục xoay định hướng cải thiện sản lượng điện năng thêm 15,2% so với hệ thống lắp đặt cố định sau khi đã trừ năng lượng tiêu thụ của bộ truyền động xoay.

Chương 2 cũng phân tích cơ chế tổn hao trong bộ biến đổi DC-DC boost truyền thống, đánh giá quan hệ phi tuyến giữa hiệu suất biến đổi với tần số điều chế xung ($F_s$) và độ rộng xung ($D$). Khi tần số $F_s$ tăng cao, tổn thất đóng cắt trên khóa bán dẫn tăng làm giảm hiệu suất; ngược lại khi $F_s$ quá thấp, kích thước cuộn cảm $L$ và tụ điện $C$ tăng lên, làm tăng tổn hao thuần trở và độ nhấp nhô dòng điện.

Chương 3: Xây dựng cấu trúc bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời

Chương 3 đề xuất cấu trúc mạch tăng áp DC-DC mới cho hệ PV nhằm khắc phục hạn chế về tỷ số biến đổi điện áp và tổn thất công suất của mạch Boost kinh điển. Tác giả tiến hành tính toán giải tích xác định tỷ số biến đổi điện áp, dòng điện qua các phần tử bán dẫn và công thức tính tổn thất công suất trong mạch.

Mô hình mô phỏng trên phần mềm chuyên dụng được thiết lập với điện áp đầu vào $V_{in} = 74\text{ V}$. Kết quả mô phỏng cho thấy mạch đề xuất duy trì điện áp ra ổn định và hiệu suất cao ngay cả khi một tấm pin trong chuỗi bị che khuất.

Để kiểm chứng, tác giả thiết kế và chế tạo mô hình thực nghiệm hoàn chỉnh gồm:

  • Mạch lực công suất DC-DC tích hợp linh kiện đóng cắt MOSFET/IGBT và diode suy hao thấp.
  • Mạch lái (Driver) phát xung cách ly điều khiển cổng khóa bán dẫn.
  • Mạch in kit điều khiển vi xử lý/DSP lập trình giải thuật PWM.

Kết quả đo đạc thực nghiệm trên dao động ký (Oscilloscope) với tải trở và tải động cơ được khảo sát chi tiết qua các cặp thông số:

  • Các tần số đóng cắt: 15 kHz, 20 kHz, 25 kHz, 30 kHz, 40 kHz.
  • Các độ rộng xung điều chế: $D = 0{,}35; D = 0{,}5; D = 0{,}7$. Dữ liệu thực nghiệm xác nhận dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra có độ méo hài thấp, đáp ứng quá độ ổn định và các đường đặc tính hiệu suất đo được khớp với kết quả mô phỏng lý thuyết.

Chương 4: Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi tăng áp DC-DC nguồn pin mặt trời

Chương 4 nghiên cứu giải pháp kết nối liên kết nhiều bộ biến đổi DC-DC tăng áp tương ứng với các phân đoạn mảng pin mặt trời làm việc trong điều kiện chiếu sáng đồng nhất và không đồng nhất (PSC). Phân tích đặc tính dòng - áp ($I-V$) và công suất - điện áp ($P-V$) chỉ ra rằng việc kích hoạt các diode bypass khi có bóng che tạo ra nhiều đỉnh cực trị địa phương, khiến giải thuật MPPT thông thường bỏ qua các module nhận ít bức xạ, gây lãng phí công suất.

Tác giả đề xuất cấu trúc liên kết các bộ biến đổi DC-DC kết hợp giải thuật tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cải tiến. Trong thuật toán đề xuất:

  • Giá trị dòng điện được đưa vào làm một tham số điều khiển chủ đạo trong hàm mục tiêu nhằm ổn định thông số ngõ ra và gia tăng tốc độ hội tụ của bầy hạt.
  • Thuật toán không bỏ qua các module nhận mức bức xạ thấp, cho phép trích xuất năng lượng từ toàn bộ các chuỗi PV.
  • Tiến hành mô phỏng so sánh giải thuật đề xuất với giải thuật PSO tiêu chuẩn dưới các kịch bản: thay đổi bức xạ từ $1000\text{ W/m}^2$ xuống $500\text{ W/m}^2$ ở $25^\circ\text{C}$, và thay đổi nhiệt độ từ $25^\circ\text{C}$ lên $60^\circ\text{C}$ ở $1000\text{ W/m}^2$. Kết quả mô phỏng khẳng định giải thuật đề xuất xác định chính xác điểm cực đại toàn cục GMPPT với tốc độ tính toán nhanh hơn và thời gian quá độ được rút ngắn đáng kể.

Kết quả và những đóng góp mới

  • Các đóng góp mới về mặt khoa học:

    1. Phân tích và đánh giá định lượng được mức độ ảnh hưởng của các yếu tố điều kiện thời tiết, môi trường xung quanh đến hiệu quả phát công suất của hệ thống pin mặt trời (PV). Xác định được mối quan hệ phụ thuộc giữa độ rộng xung điều chế ($D$) và tần số đóng cắt mạch ($F_s$) đến tổn thất và hiệu suất làm việc của bộ biến đổi DC-DC.
    2. Đề xuất cấu trúc mới và thiết kế, chế tạo thành công mô hình thực nghiệm bộ biến đổi tăng áp DC-DC cho hệ thống nguồn PV dựa trên mối quan hệ tổn thất công suất với thông số mạch lực và thông số điều khiển. Cấu trúc DC-DC đề xuất đạt hiệu suất cao, dải nâng áp lớn, dễ điều khiển và vận hành ổn định.
    3. Xây dựng cấu trúc liên kết các bộ biến đổi DC-DC và thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPPT) cải tiến áp dụng cho hệ thống làm việc trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất (PSC), sử dụng tham số dòng điện để tăng tốc độ tính toán, đáp ứng quá độ nhanh và giảm thiểu tổn thất công suất.

  • Ý nghĩa khoa học và thực tiễn:

    • Ý nghĩa khoa học: Cung cấp phương pháp luận giải tích và mô hình tính toán hoàn chỉnh về mối quan hệ giữa thông số điều khiển xung và tổn hao mạch lực DC-DC, đồng thời bổ sung thuật toán tối ưu bầy đàn cải tiến cho bài toán GMPPT đa cực trị.
    • Ý nghĩa thực tiễn: Cung cấp giải pháp phần cứng và thuật toán điều khiển có khả năng ứng dụng trực tiếp cho các đơn vị thiết kế, chế tạo bộ nghịch lưu nối lưới và các hệ thống phát điện pin mặt trời quy mô nhỏ, góp phần nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng tái tạo.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế:

    • Đối tượng nghiên cứu thực nghiệm của luận án giới hạn ở dải công suất dưới 1 kW, áp dụng cho hệ thống PV một pha.
    • Khảo sát thực nghiệm thời tiết môi trường thực hiện tại một vùng địa lý cụ thể (Quảng Trị) trong khung thời gian 90 ngày.
    • Các thử nghiệm mạch thực nghiệm mới tập trung vào dải tần số đóng cắt từ 15 kHz đến 40 kHz và một số giá trị tải thuần trở, tải động cơ tiêu biểu.

  • Hướng nghiên cứu tiếp:

    • Mở rộng nghiên cứu áp dụng cấu trúc bộ biến đổi và giải thuật điều khiển cho hệ thống nguồn pin mặt trời công suất lớn hơn (> 1 kW) và hệ thống nối lưới ba pha.
    • Nghiên cứu tối ưu hóa phần cứng tích hợp sâu mạch điều khiển trên các chip vi xử lý chuyên dụng tốc độ cao nhằm nâng cao hơn nữa tần số đóng cắt và giảm kích thước phần tử thụ động.
    • Thử nghiệm giải thuật MPPT cải tiến dưới các kịch bản bóng che động phức tạp và biến thiên nhanh theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

  • Đối tượng thụ hưởng:

    • Nghiên cứu sinh, học viên cao học, sinh viên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo, Điện tử công suất: Sử dụng làm tài liệu tham khảo chuyên sâu về mô hình toán học PV cell, phương pháp tính toán mạch DC-DC tăng áp và kỹ thuật lập trình giải thuật MPPT thông minh.
    • Giảng viên đại học: Sử dụng các dữ liệu mô phỏng, sơ đồ mạch thực nghiệm và số liệu đo đạc làm học liệu phục vụ giảng dạy các học phần Điện tử công suất, Năng lượng tái tạo và Điều khiển số.
    • Kỹ sư thiết kế, nhà sản xuất thiết bị năng lượng mặt trời: Tham khảo sơ đồ nguyên lý mạch DC-DC mới, thiết kế mạch driver MOSFET/IGBT và thuật toán bám GMPP để ứng dụng vào việc phát triển bộ điều khiển sạc mặt trời hoặc Inverter chuỗi thương mại.

  • Các nội dung đáng tham khảo:

    • Hệ thống phương trình giải tích xác định điện áp, dòng điện và điện cảm tới hạn $L_{bc}$ trong các chế độ dẫn CCM và DCM của bộ tăng áp.
    • Quy trình thiết kế, chế tạo mạch in phần cứng thực nghiệm và kết quả đo dạng sóng trên dao động ký ở các cấp tần số và độ rộng xung khác nhau.
    • Lưu đồ và thuật toán PSO cải tiến kết hợp tham số dòng điện xử lý hiện tượng bóng che một phần (PSC).

Câu hỏi thường gặp

1. Luận án giải quyết vấn đề gì đối với hiện tượng bóng che một phần (PSC)?
Khi xảy ra bóng che một phần, đặc tuyến P-V của dàn pin xuất hiện nhiều điểm cực đại địa phương (LMPP) và một điểm cực đại toàn cục (GMPP). Luận án đề xuất cấu trúc liên kết các bộ biến đổi DC-DC kết hợp giải thuật tối ưu bầy đàn cải tiến sử dụng thêm tham số dòng điện điều khiển, giúp bám chính xác điểm GMPP, rút ngắn thời gian quá độ và tận dụng công suất từ cả những module PV bị che khuất.

2. Kết quả đo đạc thực nghiệm 90 ngày tại Quảng Trị cho thấy năng lượng PV bị ảnh hưởng bởi thời tiết ra sao?
Dữ liệu thực nghiệm trên hệ thống PV 250 Wp ghi nhận: sản lượng điện năng vào ngày mưa giảm gần 3 lần so với ngày nắng; vào ngày nhiều mây giảm gần một nửa so với ngày nắng. Hệ thống có trục xoay định hướng theo vị trí mặt trời cải thiện được 15,2% sản lượng điện năng so với hệ thống lắp đặt cố định (đã trừ năng lượng tiêu thụ của bộ truyền động).

3. Tại sao bộ biến đổi DC-DC truyền thống có hiệu suất thấp trong vận hành thực tế nguồn pin mặt trời?
Hiệu suất của bộ biến đổi DC-DC thông thường đạt cực đại ở mức 50% – 60% công suất thiết kế và giảm mạnh khi công suất truyền tải nhỏ hơn 40%. Trong khi đó, nguồn pin mặt trời có công suất biến thiên liên tục và thường xuyên hoạt động ở mức công suất thấp vào sáng sớm, chiều muộn hoặc khi trời nhiều mây, dẫn đến tổn thất lớn trong bộ biến đổi.

4. Dải thông số thực nghiệm được khảo sát trên mô hình bộ biến đổi DC-DC của luận án là bao nhiêu?
Mô hình thực nghiệm được thiết kế cho hệ thống công suất dưới 1 kW, điện áp đầu vào danh định $V_{in} = 74\text{ V}$, khảo sát với 5 mức tần số đóng cắt gồm 15 kHz, 20 kHz, 25 kHz, 30 kHz, 40 kHz và 3 giá trị độ rộng xung điều chế $D = 0{,}35; 0{,}5; 0{,}7$ trên các tải thuần trở và tải động cơ.

5. Điều kiện ranh giới giữa chế độ dẫn liên tục (CCM) và không liên tục (DCM) trong mạch tăng áp được xác định bằng công thức nào?
Ranh giới này được xác định thông qua giá trị điện cảm tới hạn $L_{bc}$ theo công thức: $$L_{bc} = \frac{R D (1 - D)^2}{2 F_s}$$ Trong đó $R$ là điện trở tải tương đương, $D$ là độ rộng xung điều khiển và $F_s$ là tần số chuyển mạch của mạch biến đổi.

Kết luận

Luận án "Nghiên cứu nâng cao hiệu quả làm việc bộ biến đổi tăng áp DC-DC trong hệ thống nguồn Pin Mặt trời" của tác giả Nguyễn Đức Minh đã giải quyết trọn vẹn bài toán nâng cao hiệu suất và khả năng thích ứng của bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống phát điện quang điện dưới 1 kW. Tác giả đã phân tích toàn diện ảnh hưởng của môi trường và thông số điều khiển ($D, F_s$) đến tổn hao năng lượng, đề xuất cấu trúc mạch DC-DC tăng áp mới và chế tạo thành công mô hình thực nghiệm được kiểm chứng qua đo đạc thực tế. Đồng thời, giải thuật MPPT tối ưu bầy đàn cải tiến cho cấu trúc liên kết các bộ biến đổi đã khắc phục hiệu quả hiện tượng bẫy cực đại địa phương khi bị che bóng một phần, mang lại đóng góp thiết thực cho kỹ thuật điều khiển và khai thác nguồn năng lượng tái tạo.