Tài liệu Luận văn mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm​

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- TRẦN VĂN THỪA MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- TRẦN VĂN THỪA MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Huỳnh Châu Duy (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT 1 2 3 4 5 Họ và tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày __ tháng __ năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Trần Văn Thừa Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm II- Nhiệm vụ và nội dung: - Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện. - Nghiên cứu, xây dựng và mô hình một hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu hiệu ứng bóng râm trong hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu và đề xuất giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm. - Mô phỏng hệ thống pin quang điện. - Mô phỏng giải thuật đề xuất giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Huỳnh Châu Duy CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Trần Văn Thừa LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM, Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn. Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn thiện luận văn này. Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn. Trần Văn Thừa Tóm tắt Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV. Thông thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện... Trong điều kiện bóng râm, đặc tính P-V phức tạp hơn, với nhiều điểm cực trị. Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP - maximum power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn. Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp. Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT được nhiều người nghiên cứu và phổ biến nhất là thuật toán P&O (Perturb and Observe). Luận văn này thực hiện nghiên cứu hệ PV dưới các điều kiện không đồng nhất của các tế bào pin mặt trời hay khi điều kiện môi trường thay đổi như tấm PV bị che một phần. Thuật toán P&O được đề xuất áp dụng cho việc tìm điểm công suất cực đại của hệ PV này. Đề tài luận văn “Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm” được lựa chọn thực hiện mà bao gồm các nội dung như sau: + Chương 1: Giới thiệu chung + Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện + Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm + Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai Abstract The performance of a photovoltaic (PV) array is affected by temperature, irradiation, shading and configuration. Normally, the PV array gets covered in full or partial shadows, by passing clouds, neighboring buildings, trees, poles, etc. In shaded conditions, the P-V characteristics are more complex, with many extreme points. This makes the monitoring of the maximum power point (MPP) to become a difficult task. The inherent limitations of wind and solar systems are their intermittent nature that makes them inefficient. To improve the efficiency and reliability of PV systems, there are many MPPT algorithm proposed. Among them, the P & O (Perturb and Observe) algorithm is the most popular MPPT technique. This thesis studies the PV system under heterogeneous conditions of solar cell or changed environmental conditions such as PV partially shading. The P & O algorithm is also proposed to apply for finding the MPP of this PV system under shading conditions. The topic thesis, "Simulation on a maximum power point searching algorithm considering partial shading conditions" is selected to implement which includes the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Background to photovoltaic systems + Chapter 3: Proposal a maximum power point searching algorithm considering partial shading + Chapter 4: Simulation results + Chapter 5: Conclusions and future works i MỤC LỤC Mục lục ........................................................................................................... i Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iii Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1 1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................. 1 1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2 1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 2 1.5. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................. 3 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................ 3 1.7. Bố cục của luận văn ............................................................................... 5 Chương 2 - Cơ sở lý thuyết pin quang điện ............................................. 6 2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 6 2.2. Hệ thống pin quang điện ....................................................................... 7 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của tế báo quang điện .................................... 11 2.2.2. Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện .............. 12 2.2.3. Phân loại hệ thống PV ...................................................................... 14 2.2.4. Ưu và khuyết điểm của năng lượng mặt trời .................................... 16 2.2.5. Hiệu chỉnh cơ khí ............................................................................. 17 2.3. Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại .............................................. 17 2.3.1. Khảo sát hệ PV trong điều kiện không bị che .................................. 19 2.3.2. Khảo sát hệ PV trong điều kiện có bóng râm ................................... 22 Chương 3 - Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ............................ 26 3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 26 3.2. Bộ biến đổi DC/DC ............................................................................. 28 ii 3.2.1. Bộ biến đổi Buck .............................................................................. 28 3.2.2. Bộ biến đổi Boost ............................................................................. 31 3.2.3. Bộ biến đổi Buck - Boost ................................................................. 32 3.3. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ........................................................... 33 3.3.1. Điều khiển điện áp hồi tiếp ............................................................... 34 3.3.2. Điều khiển dòng điện hồi tiếp .......................................................... 34 3.4. Thuật toán xác định điểm công suất cực đại ....................................... 35 3.4.1. Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) ............................... 35 3.4.2. Thuật toán Incremental Conductance (IC) ....................................... 38 3.4.3. Thuật toán điện áp không đổi ........................................................... 41 3.4.4. Thuật toán dòng điện ngắn mạch ..................................................... 42 Chương 4 - Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ............................ 44 4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 44 4.2. Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống pin quang điện ................. 44 4.3. Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện ............................... 49 4.3.1. Trường hợp không bị bóng râm ....................................................... 49 4.3.2. Trường hợp bị bóng râm ................................................................... 52 4.4. Kết luận ............................................................................................... 64 Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 65 5.1. Kết luận ............................................................................................... 65 5.2. Hướng phát triển tương lai .................................................................. 65 Tài liệu tham khảo .................................................................................... 67 iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Cấu trúc một mảng PV ................................................................. 7 Hình 2.2. Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu ................................. 8 Hình 2.3. Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu ............................................. 8 Hình 2.4. Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt Nam .............................................................................................................. 9 Hình 2.5. Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch ........................................... 9 Hình 2.6. Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất ........................................... 10 Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện .............................. 11 Hình 2.8. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ ................ 12 Hình 2.9. Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ .......................... 13 Hình 2.10. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ ................. 14 Hình 2.11. Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ ........................... 14 Hình 2.12. Hệ thống PV kết nối lưới điện .................................................. 15 Hình 2.13 Hệ thống PV độc lập ................................................................. 16 Hình 2.14. Hệ thống PV độc lập trực tiếp .................................................. 16 Hình 2.15. Hiệu chỉnh cơ khí trục đơn ở California ................................... 18 Hình 2.16. Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại ................................... 18 Hình 2.17. Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện lý tưởng 20 Hình 2.18. Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện thực tế .... 21 Hình 2.19. Điểm MPP trên đường đặc tính I-V và P-V ............................. 21 Hình 2.20. Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm .......... 23 Hình 2.21. Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm .. 24 Hình 2.22. Tỉ lệ bóng râm và tỉ lệ tổn thất công suất tương ứng ............... 25 Hình 3.1. Các đặc tính phi tuyến của PV ................................................... 27 Hình 3.2. Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau .......... 27 Hình 3.3. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ....................................... 28 Hình 3.4. Bộ giảm áp Buck ........................................................................ 29 v Hình 3.5 Bộ tăng áp Boost ......................................................................... 31 Hình 3.6. Bộ biến đổi Buck – Boost ........................................................... 32 Hình 3.7. Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp ............................................... 34 Hình 3.8. Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp ........................................... 35 Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán P&O .............................................................. 36 Hình 3.10. Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay đổi ............................................................................................................... 38 Hình 3.11. Thuật toán IC ............................................................................ 39 Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán IC ................................................................. 41 Hình 4.1. Cấu hình của mảng PV cần mô phỏng ....................................... 44 Hình 4.2. Một module gồm 4  6 cell ........................................................ 45 Hình 4.3. Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 ........................................ 46 Hình 4.4. Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 ....................................... 46 Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện ......................... 47 Hình 4.6. Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ................. 48 Hình 4.7. Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm ...................................................................................... 49 Hình 4.8. Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm ...................................................................................... 50 Hình 4.9. Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm ............................................................................ 50 Hình 4.10. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm ................................................................................... 51 Hình 4.11. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm .................................................... 51 Hình 4.12. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19 .................... 52 Hình 4.13. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ........ 52 Hình 4.14. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ....... 53 Hình 4.15. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ........ 53 Hình 4.16. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ............... 54 vi Hình 4.17. Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ...... 54 Hình 4.18. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 .... 55 Hình 4.19. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ........ 55 Hình 4.20. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ....... 56 Hình 4.21. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ........ 56 Hình 4.22. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ............... 57 Hình 4.23. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ........................................................................................................... 57 Hình 4.24. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19, 20 và 21 ........................................................................................................... 58 Hình 4.25. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 ........ 58 Hình 4.26. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 ....... 59 Hình 4.27. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ........ 59 Hình 4.28. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ............... 60 Hình 4.29. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ........................................................................................................... 60 Hình 4.30. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19, 20, 21 và 22 .................................................................................... 61 Hình 4.31. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 ........ 61 Hình 4.32. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 ....... 62 Hình 4.33. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ........ 62 Hình 4.34. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ............... 63 Hình 4.35. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ........................................................................................................... 63 1 Chương 1 Giới thiệu chung 1.1. Giới thiệu Ngành điện Việt Nam và thế giới hiện đang gặp phải những khó khăn như: nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh; sự khan hiếm của các nguồn nhiên liệu hóa thạch; sức ép phải giảm thải khí CO2 do ảnh hưởng đến môi trường. Điều này đã thúc đẩy chúng ta nỗ lực tìm nguồn năng lượng khác thay thế bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả. Với vị trí địa lý ở gần xích đạo, Việt Nam có số giờ có nắng trung bình 2.000 giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng tái tạo có thể đạt 4,08-5,15 kWh/m2/ngày. Điều đó chứng tỏ điều kiện tự nhiên của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Bên cạnh đó, năng lượng mặt trời là loại năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán được và đặc biệt là có năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện. Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng ngày càng có tầm quan trọng hơn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc áp dụng nên phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn còn có giá khá cao và vẫn cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai. Điều này thôi thúc các nhà nghiên cứu không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này. Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm” cũng không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường. 1.2. Mục tiêu nghiên cứu Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV. Thông thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một 2 phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện... Trong điều kiện bóng râm, đường đặc tính P-V có được phức tạp hơn với nhiều đỉnh. Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP maximum power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn. Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp. Để nâng cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) được nhiều người nghiên cứu, phổ biến nhất là thuật toán P&O (perturb and observe). Tuy nhiên, thuật toán này vẫn còn nhiều hạn chế như tốc độ xử lý chậm và thiếu chính xác khi có hiệu ứng bóng râm. Luận văn này giới thiệu thuật toán PSO như là một kỹ thuật MPPT tiên tiến để khắc phục các hạn chế của thuật toán P&O. Đây là một hệ thống điều khiển để bám điểm cực đại công suất toàn cục, ngay cả dưới điều kiện không đồng nhất của các tế bào pin mặt trời hay khi điều kiện môi trường thay đổi như tấm PV bị che một phần. 1.3. Phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt trời, một mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mô-đun có nhiều tế bào pin mặt trời kết nối với nhau theo một cấu hình cụ thể. - Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) của hệ thống quang điện này bằng kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO. 1.4. Nội dung nghiên cứu - Trong điều kiện module quang điện không có bóng râm, khảo sát đường cong đặc tính I-V, tìm công suất cực đại của hệ PV. - Trong điều kiện module quang điện bị che một phần, khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đến đặc tính I-V và điểm công suất cực đại toàn cục của hệ thống PV. 3 - Trình bày kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO và so sánh với thuật toán P&O cổ điển trong trường hợp có hiệu ứng bóng râm. - Dựa trên giá trị GMPP vừa tìm được, khảo sát hệ thống PV làm việc với giá trị này để cung cấp nguồn cho một tải DC. 1.5. Ý nghĩa của đề tài Hiện nay có nhiều đề tại nghiên cứu về kỹ thuật MPPT cho hệ thống pin quang điện mặt trời. Thuật toán PSO gần đây được một số học giả nghiên cứu với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Đề tài này cũng nghiên cứu kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO nhưng theo một cách tiếp cận riêng nhằm cải thiện kỹ thuật MPPT hiện đang sử dụng. Nói cách khác, đề tài được nghiên cứu nhằm đem lại sự tối ưu trong hướng giải quyết vấn đề về hệ thống quang điện nói riêng và các bài toán tối ưu nói chung. Giải quyết bài toán năng lượng và bài toán môi trường hiện nay càng lúc càng cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời (năng lượng tái tạo nói chung) là hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi chúng ta phải hiệu quả trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Đề tài được nghiên cứu nhằm mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng nhằm góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này 1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu và các kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O) [1] - [4], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, IC) [1] - [5], mạng nơ-rôn nhân tạo [6], logic mờ [7], v. v . . . Các kỹ thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp. Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C. Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự 4 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. v . . . Tuy nhiên đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh 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, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [8]. Tương tự, để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D. Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu và F. 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 [9]. M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin [10] 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 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 5 P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể. B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [11] 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. Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang điện như sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt là hiện tưởng bóng râm. Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi một đám mây thoáng qua, một tòa nhà cao tầng, . . . , các mô phỏng và thực nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới điều kiện bóng râm đã được thực hiện [12]-[14]. 1.7. Bố cục của luận văn Bố cục của luận văn gồm 5 chương: + Chương 1: Giới thiệu chung + Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện + Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm + Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai 6 Chương 2 Cơ sở lý thuyết pin quang điện 2.1. Giới thiệu Những thách thức trong việc đảm bảo nguồn năng lượng cần thiết sau khi sự suy giảm của năng lượng không tái sinh trên toàn cầu hiện tại đã được giải quyết trong những năm gần đây với sự phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời và gió. Đây là một bước quan trọng trong việc đảm bảo vấn đề cung cấp năng lượng không tái sinh trong tương lai. Để có cài nhìn tổng quan về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nói chung và việc tối ưu hóa trong việc sử dụng năng lượng mặt trời nói riêng, chúng tôi giới thiệu sơ lược về một số thành tựu như sau: - Các tế bào pin quang điện đầu tiên đã được sản xuất trong những năm 1950, và trong suốt những năm 1960, chủ yếu được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các vệ tinh xoay quanh trái đất . Trong những năm 1970, cuộc khủng hoảng năng lượng đã thúc đẩy những cải tiến trong sản xuất, hiệu quả và chất lượng của các module PV đã giúp giảm đáng kể chi phí. Ngày nay, sản xuất của ngành công nghiệp của các module PV đang tăng trưởng khoảng 25% mỗi năm. Các chương trình lớn ở Mỹ, Nhật Bản và châu Âu đang nhanh chóng đẩy nhanh tiến độ thực hiện của các hệ thống PV trên các tòa nhà và kết nối với lưới điện quốc gia. - Vào đầu những năm 2000, người ta xây dựng thành công mô hình động, trong đó có xét đến nhiều ảnh hưởng của các yếu tố môi trường cho hệ thống năng lượng mặt trời. Người ta bắt đầu mô phỏng dựa trên các mô hình và không ngừng hoàn thiện nó. Ví dụ, trong Matlab Simulnik, người ta thành lập các mô hình từ các bộ blockset toán học. Đến năm 2009, lần đầu tiên các mô hình này được Matlab tích hợp vào bộ blockset Simscape làm cho việc mô phỏng dễ dàng hơn. - Vào năm 2005, người ta phát triển thuật toán P&O, nhằm tối ưu hóa công suất của hệ PV dưới tác động của môi trường. Sau đó, các kỹ thuật MPPT 7 khác ra đời nhằm cải thiện thuật toán này như P&O hai bước, P&O hai bước cải tiến kết nối lưới điện vào năm 2009. - Những năm sau đó với sự pháp triển của trí tuệ nhân tạo, người ta phát triển các kỹ thuật MPPT dựa trên lý thuyết mờ, thuật toán di truyền,... Một số tác giả đã tổng hợp và so sánh các kỹ thuật MPPT. - Gần đây, thuật toán tối ưu hóa PSO phát triển, người ta đang có xu hướng phát triển kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán này. 2.2. Hệ thống pin quang điện Hình 2.1 cho thấy sự khác biệt giữa một tế bào năng lượng mặt trời (cell), mô-đun (module) và mảng (array). Hình này cho thấy một mô-đun được tạo thành từ một số tế bào và một mảng được tạo thành từ một số mô-đun. Hình 2.1. Cấu trúc một mảng PV - Năng lượng mặt trời đã trở nên quan trọng trên toàn cầu trong những năm gần đây do khủng hoảng năng lượng toàn cầu thế giới phải đối mặt. - Các tấm năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng ánh sáng từ mặt trời để tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện. - Quang điện là một phương pháp tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức xạ mặt trời thành điện một chiều (DC), sử dụng chất bán dẫn có biểu hiện hiệu ứng quang điện.