Tài liệu Nghiên cứu thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện (luận văn thạc sĩ)

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯƠNG QUỐC HÙNG NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CHO HỆ PIN QUANG ĐIỆN Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 8520201 LUẬN VĂN THẠC SĨ THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2022 Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh. Người hướng dẫn khoa học: TS. Lê Văn Đại Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ Trường Đại học Công Nghiệp TP. Hồ Chí Minh ngày 29 tháng 10 năm 2022 Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn Thạc sĩ gồm: 1. PGS.TS. Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng 2. PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ - Phản biện 1 3. PGS.TS. Trương Việt Anh - Phản biện 2 4. TS. Dương Thanh Long - Ủy viên 5. TS. Nguyễn Thanh Thuận - Thư ký CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: TRƯƠNG QUỐC HÙNG MSHV: 20000061 Ngày, tháng, năm sinh: 08/04/1984 Nơi sinh: Tây Ninh Ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN Mã ngành: 8520201 I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ▪ ▪ ▪ ▪ ▪ Tìm hiểu tổng quan về việc sử dụng năng lượng mặt trời; Nghiên cứu một số mạch biến đổi công suất DC-DC cho hệ pin quang điện; Nghiên cứu thuật toán MPPT cho hệ pin quang điện; Khảo sát các chế độ làm việc và đề xuất thuật toán MPPT cho hệ đang khảo sát; Kiểm chứng kết quả qua mô phỏng với phần mềm Matlab. II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: Quyết định số 880/QĐ-ĐHCN ngày 13/04/2022 III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: Ngày 10 tháng 10 năm 2022 IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Lê Văn Đại Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022 NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO (Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký) TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy, TS. Lê Văn Đại, người hướng dẫn và chỉ bảo tận tình cho tôi trong suốt quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn này. Tôi cũng xin cảm ơn quý Thầy, Cô giảng viên đã chỉ bảo trong suốt quá trình học tập tại Trường Đại học Công nghiệp Tp. Hồ Chí Minh. Cảm ơn các bạn cùng lớp đã giúp đỡ, trao đổi, góp ý kiến cho các vấn đề liên quan đến chuyên môn được trình bày trong luận văn này. Cuối cùng, tôi muốn gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè, những người đã hết sức ủng hộ, giúp đỡ và động viên tôi trong suốt quá trình học tập vừa qua. Học viên Trương Quốc Hùng i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ Pin quang điện mặt trời (PV) là một kỹ thuật khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) đang được phát triển nhanh và tỷ trọng tăng trưởng trong hệ thống điện do có nhiều ưu điểm: dãy công suất lắp đặt rộng từ rất nhỏ (vài W) đến rất lớn (hàng KW hoặc MW), triển khai nhanh chóng, hiệu suất cao, giá thành trên công suất lắp đặt ngày càng rẻ, Tuy nhiên, do đặc tính làm việc phi tuyến của nguồn PV và phụ thuộc vào điều kiện môi trường nên cần phải có bộ biến đổi và điều khiển công suất cùng với các giải thuật để dò tìm và điều khiển hệ PV hoạt động ở điểm công suất cực đại (MPPT) để có hiệu suất làm việc cao, tối ưu chi phí đầu tư, vận hành. Luận văn này sẽ trình bày về kỹ thuật khai thác quang điện mặt trời làm việc độc lập kết hợp bộ biến đổi công suất DC-DC và các giải thuật MPPT. Kết quả mô phỏng bởi phần mềm mô phỏng MATLAB/Simulink với hệ PV gồm 4 module ghép nối tiếp (4 x 60 Wp) cung cấp cho tải DC độc lập qua bộ biến đổi tăng áp DC-DC với các giải thuật MPPT tham khảo. Từ đó, đề xuất và so sánh các giải thuật MPPT trong các điều kiện làm việc khác nhau. Bên cạnh đó, luận văn cũng trình bày trường hợp các module PV chịu ảnh hưởng bởi điều kiện bóng râm (PSC) với nhiều điểm làm việc cực đại (MPP) trên đặc tuyến P-V và đề xuất giải thuật MPPT phù hợp. ii ABSTRACT Solar photovoltaic (PV) is a technique of harnessing solar energy that is being developed rapidly, and the proportion of growth in the power system due to many advantages such as a wide range of installed capacity from several kilowatts to megawatts, quick deployment, high efficiency, cheaper price/Wp. However, due to the nonlinear operational characteristics of the PV module and depending on environmental conditions, it is necessary to have a power converter and controller along with algorithms to detect and control the PV system operating at the Maximum Power Point (MPP) for high working efficiency, optimize investment and operating costs. This dissertation will present the technique of harnessing solar photovoltaics working independently by combining DC-DC electronic power converters and MPPT algorithms. The simulation results by MATLAB/Simulink simulation software with a PV system consisting of 4 series modules having form 4x60 Wp supply to independent DC load by DC-DC boost converter with several most used MPPT algorithms in reference. From there, we propose and compare MPPT algorithms in different working conditions. In addition, the thesis also presented the case of PV modules affected by partial shading Condition (PSC) with multiple maximum power points (MPPs) on the P-V curve and proposed effective MPPT algorithms. iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tôi. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong luận văn là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Học viên Trương Quốc Hùng iv MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN .................................................................................................................. i TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .................................................................................ii ABSTRACT ............................................................................................................... iii LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................... iv MỤC LỤC ................................................................................................................. v DANH MỤC HÌNH ẢNH ........................................................................................... viii DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. xiii MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 1 1. Đặt vấn đề .................................................................................................................... 1 2. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 5 2.1 Tình hình nghiên cứu trong nước ............................................................................. 5 2.2 Tình hình nghiên cứu quốc tế ................................................................................... 6 2.3 Đánh giá tình hình nghiên cứu chung...................................................................... 15 2.4 Phương pháp giải quyết .......................................................................................... 17 3. Đối tượng và phạm vi trong đề tài ............................................................................. 17 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu ................................................................ 18 5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài ....................................................................................... 18 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ................................. 20 1.1 Tình hình phát triển năng lượng mặt trời ........................................................... 20 1.1.1 Năng lượng mặt trời (NLMT) ............................................................................ 20 1.1.2 Quá trình khai thác và sử dụng NLMT............................................................... 21 1.1.3 Khai thác NLMT để cung cấp năng lượng nhiệt ................................................ 24 1.1.4 Khai thác, sử dụng NLMT sản xuất điện............................................................ 29 1.2 Công nghệ pin quang điện (PV) mặt trời ........................................................... 31 1.2.1 Hiệu ứng quang điện ........................................................................................... 31 1.2.2 Cấu tạo pin mặt trời ............................................................................................ 32 1.2.3 Đặc tính làm việc của PV ................................................................................... 33 1.2.4 Ghép nối các tấm pin mặt trời ............................................................................ 34 1.2.5 Hiện tượng điểm nóng (Hot spot) ....................................................................... 36 v CHƯƠNG 2 MẠCH BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT DC-DC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................................................ 39 2.1 Mạch biến đổi công suất DC−DC...................................................................... 39 2.2 Mạch biến đổi công suất DC-DC giảm áp ......................................................... 39 2.2.1 Hoạt động của mạch giảm áp ............................................................................. 40 2.2.2 Chế độ hoạt động của mạch ................................................................................ 41 2.2.3 Một số công thức tính toán mạch Buck .............................................................. 43 2.3 Mạch biến đổi công suất DC-DC tăng áp........................................................... 43 2.4 Mạch biến đổi công suất DC-DC tăng – giảm áp .............................................. 46 2.5 So sánh và lựa chọn các mạch biến đổi công suất.............................................. 48 2.6 Điều khiển mạch băm DC – DC bằng phương pháp PWM ............................... 49 CHƯƠNG 3 DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................................................ 51 3.1 Giới thiệu về MPPT của PV ............................................................................... 51 3.2 Phương pháp MPPT đối với hệ PV .................................................................... 52 3.2.1 Thuật toán nhiễu loạn & quan sát (Perturb & Observe - P&O) ......................... 54 3.2.2 Thuật toán gia tăng điện dẫn (INC) .................................................................... 56 3.2.3 Phương pháp hằng số điện áp (CV) .................................................................... 58 3.2.4 Phương pháp xung dòng diện ngắn mạch (SC) .................................................. 58 3.3 So sánh các thuật toán, phương pháp MPPT và giới hạn của MPPT ................. 59 3.3.1 Nhận định giới hạn của thuật toán P&O ............................................................. 61 3.3.2 Đề xuất điều chỉnh phương pháp P&O............................................................... 61 3.4 Module/dãy PV bị bóng râm một phần, giải thuật MPPT đề xuất ..................... 62 3.4.1 Đặc tuyến P-V khi module/dãy PV bị bóng râm một phần ................................ 62 3.4.2 Giải thuật P&O MPPT trong trường hợp PV bị bóng râm một phần ................. 65 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH .......................................... 69 4.1 Mô hình mô phỏng hệ PV .................................................................................. 69 4.1.1 Thông số mô hình mô phỏng .............................................................................. 69 4.1.2 Điều kiện môi trường thay đổi và ảnh hưởng đến MPP của dãy PV ................. 72 4.1.3 Kết quả mô phỏng phương pháp CV và IC ........................................................ 73 4.1.4 Kết quả mô phỏng giải thuật MPPT P&O .......................................................... 78 4.1.5 Kết quả mô phỏng giải thuật MPPT INC ........................................................... 80 4.1.6 Kết quả mô phỏng giải thuật MPPT P&O điều chỉnh ........................................ 82 vi 4.1.7 Kết quả mô phỏng giải thuật P&O MPPT cho hệ PV bị ảnh hưởng PSC .......... 86 4.2 So sánh kết quả mô phỏng giữa các phương pháp MPPT .................................. 89 4.2.1 So sánh kết quả mô phỏng giữa P&O điều chỉnh, P&O và Fuzzy ..................... 89 4.2.2 So sánh kết quả mô phỏng GMPPT giải thuật P&O và các giải thuật thông minh ............................................................................................................................ 94 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................................... 101 1. Kết luận ............................................................................................................ 101 2. Kiến nghị .......................................................................................................... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 103 PHỤ LỤC ............................................................................................................. 110 LÝ LỊCH TRÍCH NGANG CỦA HỌC VIÊN ........................................................... 112 vii DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 0.1 Pin mặt trời : (a) Cấu tạo; (b) Đặc tuyến làm việc .........................................3 Hình 0.2 Mô hình mạch điện của PV: (a) Mô hình lý tưởng 1 Diode, (b) Mô hình thực tế với điện trở Rs, (c) Mô hình thực tế với điện trở Rs và Rp .........................6 Hình 0.3 Đặc tuyến mô phỏng của PV: (a) I-V và (b) P-V ...........................................6 Hình 0.4 Mô hình hóa các modul PV: (a) Hệ thống PV trong môi trường PSIM: (a) Mô dun PV; (b) Đặc tuyến I−V và (c) Đặc tuyến P−V trong PSIM ..................7 Hình 0.5 Kết nối mô dun PV với tải qua mạch biến đổi DC−DC và bộ MPPT ..........8 Hình 0.6 Vùng làm việc và không làm việc của đặc tuyến I-V trong mạch Buck .......8 Hình 0.7 Vùng làm việc và không làm việc của đặc tuyến I-V trong mạch Boost .....9 Hình 0.8 Vùng làm việc và không làm việc của đặc tuyến I-V trong mạch Buck - Boost ........................................................................................................................9 Hình 0.9 Lưu đồ thuật toán phương pháp CV ............................................................10 Hình 0.10 Lưu đồ thuật toán phương pháp SC .............................................................11 Hình 0.11 Lưu đồ thuật toán OV ..................................................................................12 Hình 0.12 Lưu đồ thuật toán IC ....................................................................................13 Hình 0.13 Lưu đồ thuật toán P&O ................................................................................14 Hình 0.14 Dãy các modul PV ghép với nhau: (a) Ảnh hưởng PSC và (b) đặc tuyến P-V ......................................................................................................................15 Hình 0.15 Giải thuật P&O với độ lớn nhiễu loạn ΔD thay đổi .....................................16 Hình 0.16 Duty Scanning GMPPT cho hệ PV ..............................................................16 Hình 1.1 Công suất TBTNMT lắp đặt hàng năm trên thế giới ...................................22 Hình 1.2 Các nước dẫn đầu về công suất TBTNMT ..................................................23 Hình 1.3 Tổng công suất CPS toàn cầu giai đoạn 2010 - 2020 ..................................24 Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của bình thu nước nóng dùng NLMT ........................25 Hình 1.5 Hệ thống sử dụng NLMT trong làm mát, thông gió ......................................26 Hình 1.6 Xử lý nước sử dụng NLMT .........................................................................27 Hình 1.7 Nấu ăn sử dụng NLMT ................................................................................28 Hình 1.8 Sơ đồ khối khai thác nhiệt mặt trời ..............................................................29 Hình 1.9 Nhà máy điện mặt trời PS10 và PS20 ở Tây Ban Nha ...............................29 Hình 1.10 Sơ đồ khối phát điện nhiệt mặt trời ..............................................................30 viii Hình 1.11 Một trang trại pin mặt trời sản xuất điện .....................................................31 Hình 1.12 Công suất tạo ra từ tấm pin mặt trời khi thay đổi: (a) bức xạ; (b) nhiệt độ.32 Hình 1.13 Cấu tạo của tấm pin mặt trời. .......................................................................33 Hình 1.14 Đặc tính của pin mặt trời khi chịu ảnh hưởng: (a) bức xạ mặt trời, (b) nhiệt độ. .................................................................................................................34 Hình 1.15 Đặc tuyến P−V khi điều kiện bức xạ chiếu đến và ‘nhiệt độ thay đổi ........34 Hình 1.16 Modul PV ghép nối∴tiếp ..............................................................................35 Hình 1.17 Modul PV ghép song song ..........................................................................36 Hình 1.18 Hiện tượng điểm nóng và hình ảnh thực tế module bi ảnh hưởng...............37 Hình 2.1 Mạch giảm áp và hoạt động: (a) Sơ đồ mạch, (b) Khi khóa S đóng, (c) Khi khóa S mở ....................................................................................................41 Hình 2.2 Mạch tăng áp và hoạt động: (a) Sơ đồ mạch, (b) Khi khóa S đóng, (c) Khi khóa S mở ....................................................................................................44 Hình 2.3 Mạch tăng−giảm áp và hoạt động: (a) Sơ đồ mạch, (b) Khi khóa S đóng, (c) Khi khóa S mở .............................................................................................47 Hình 2.4 Kỹ thuật PWM cho mạch tăng áp DC: (a) Sơ đồ mạch, (b) khi khóa S “ON”, (c) khi khóa S “OFF” và (d) dạng sóng đầu ra ............................................50 Hình 3.1 Đặc tính của PV và của tải thay đổi tạo thành các điểm làm việc khác nhau ......................................................................................................................52 Hình 3.2 Điều chỉnh tổng trở vào Ri bằng D ...............................................................53 Hình 3.3 Đặc tuyến của PV trường hợp CĐBX thay đổi ở cùng giá trị nhiệt độ là 250C ......................................................................................................................54 Hình 3.4 Đặc tuyến của PV trường hợp nhiệt độ thay đổi ở cùng giá trị CĐBX 1000 W/m2 ...................................................................................................54 Hình 3.5 Hoạt động của thuật toán P&O ....................................................................55 Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật P&O .................................................................................56 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán INC .................................................................................57 Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán phương pháp CV ............................................................58 Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán phương pháp SC [50] .....................................................59 Hình 3.10 Hoạt động của thuật toán P&O điều chỉnh tìm MPP nhanh hơn .................62 Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật P&O điều chỉnh ...............................................................63 ix Hình 3.12 Cấu hình 4 module PV ghép nối tiếp trong các điều kiện bóng râm khác nhau ......................................................................................................................64 Hình 3.13 Đường cong đặc tính P−V trong điều kiện bóng râm không đều tại các trường hợp a, b, c, d ở Hình 3.12 .............................................................................65 Hình 3.14 Lưu đồ giải thuật PSO - MPPT ....................................................................67 Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán DSC_GMPPT .................................................................68 Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink ........................................................69 Hình 4.2 Thiết lập thông số module PV 60 W ............................................................70 Hình 4.3 Đặc tuyến I-V và P-V của dãy PV ................................................................73 Hình 4.4 Cường độ bức xạ lên PV, nhiệt độ 250C ......................................................73 Hình 4.5 Sơ đồ mạch mô phỏng MPPT cho hệ PV bằng phương pháp CV ...............74 Hình 4.6 Kết quả mô phỏng MPPT phương pháp CV: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện .....................................................................................................75 Hình 4.7 Phóng lớn tại t (0.3s – 3.02s) từ Hinh 4.6 cho thấy sự dao động khi hệ PV làm việc: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện ................................76 Hình 4.8 Sơ đồ mạch mô phỏng MPPT cho hệ PV bằng phương pháp SC................76 Hình 4.9 Kết quả mô phỏng MPPT bằng phương pháp SC: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện ...........................................................................................77 Hình 4.10 Phóng lớn tại t (0.3s – 3.02s) từ Hinh 4.9 cho thấy sự dao động khi hệ PV làm việc: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện ................................78 Hình 4.11 Kết quả mô phỏng phương pháp MPPT bằng giải thuật P&O, ΔD = 5x10-3: : (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện ................................................79 Hình 4.12 Chu kỳ làm việc D (duty) với giải thuật P&O, ΔD = 5x10-3: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện .............................................................................80 Hình 4.13 Kết quả mô phỏng phương pháp MPPT bằng giải thuật INC, ΔD = 5x10-3: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện ................................................81 Hình 4.14 Chu kỳ làm việc D (duty) với giải thuật INC, ΔD = 5x10-3 ........................82 Hình 4.15 So sánh D (duty) P&O (ΔD = 5x10-3) và P&OMod ....................................83 Hình 4.16 So sánh P&O (ΔD = 5x10-3) và P&Omod: (a) Công suất; (b) Điện áp và (c) Dòng điện .....................................................................................................84 Hình 4.17 So sánh chi tiết ở mức cường độ bức xạ a 1000 W/m2 và b 300 W/m2 ở 250C: (a) D (duty); (b) Dòng điện; (c) Công suất và (d) Điện áp ..........................85 x Hình 4.18 Đường cong đặc tính P−V khi bị PSC các trường hợp b, c, d .....................87 Hình 4.19 Kết quả mô phỏng 3 trường hợp PV bị ảnh hưởng PSC các TH (b), (c), (d) ......................................................................................................................88 Hình 4.20 Thuật toán MPPT dựa trên FLC và mô hình trong Matlab/Simulink ..........90 Hình 4.21 Cấu trúc bộ FLC ...........................................................................................90 Hình 4.22 Đặc tính của module PV và vùng giá trị của E ............................................91 Hình 4.23 Các hàm liên thuộc Input (E, ΔE) Output (ΔD) trong FLC .........................92 Hình 4.24 Luật mờ của MPPT trên nền tảng FLC ........................................................93 Hình 4.25 Mặt phẳng 3-D tín hiệu ngõ ra ΔD của FLC................................................94 Hình 4.26 Kết quả mô phỏng MPPT với 3 giải thuật P&O, P&OMod và FLC: (a) Duty, (b) Công suất Ppv, (c) Điện áp Vpv, (d) Dòng điện Ipv ..............................95 Hình 4.27 Kết quả mô phỏng trường hợp (b) với 2 giải thuật PSO và DSC_GMPPT: (a) Duty, (b) Công suất Ppv, (c) Điện áp Vpv, (d) Dòng điện Ipv ....................97 Hình 4.28 Kết quả mô phỏng trường hợp (c) với 2 giải thuật PSO và DSC_GMPPT: (a) Duty, (b) Công suất Ppv, (c) Điện áp Vpv, (d) Dòng điện Ipv ....................98 Hình 4.29 Kết quả mô phỏng trường hợp (d) với 2 giải thuật PSO và DSC_GMPPT: (a) Duty, (b) Công suất Ppv, (c) Điện áp Vpv, (d) Dòng điện Ipv ....................99 xi DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 0.1 Tiềm năng về NLMT ở theo các khu vực ở Việt Nam ..................................2 Bảng 2.1 So sánh chế độ làm việc dòng điện ..............................................................42 Bảng 3.1 Tóm tắt phương pháp P&O ..........................................................................56 Bảng 3.2 So sánh tổng quan một số kỹ thuật MPPT thường được sử dụng ...............61 Bảng 3.3 Thông số tấm pin PV – Model MSP-60 W ..................................................64 Bảng 3.4 Các điều kiện bóng râm khác nhau của các tấm PV ở Hình 3.12 ...............64 Bảng 4.1 Thông số đặc tính của hệ PV khảo sát .........................................................72 Bảng 4.2 Kết quả mô phỏng bằng giải thuật P&O .....................................................80 Bảng 4.3 Kết quả mô phỏng bằng giải thuật INC .......................................................82 Bảng 4.4 Kết quả mô phỏng MPPT bằng giải thuật P&OMod ...................................86 Bảng 4.5 So sánh hiệu quả của giải thuật P&OMod và P&O .....................................86 Bảng 4.6 Bảng luật mờ (Fuzzy)...................................................................................92 Bảng 4.7 So sánh hiệu quả của giải thuật ....................................................................96 xii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ACO ANN BCO CS CSP DSC ĐMT FISE FIT FLC GMPP GMPPT IC/ INC LMPP MPP MPPT NLMT NLTT P&O/PnO PI PSC PSO PV PWM RE SODIS Ant Colony Optimization Artificial Neural Network Bee Colony Optimization Cuckoo Search Concentrated Solar Power Duty Scanning Điện mặt trời Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems Feed - in tariff Fuzzy Logic Controller Global Maximum Power Point Global Maximum Power Point Tracking Incremental Conductance Local Maximum Power Point Maximum Power Point Maximum Power Point Tracking Năng lượng mặt trời Năng lượng tái tạo Perturb and Observer Proportional Integral Partial Shadding Condition Particle Swarm Optimization Photovoltaic Pulse Width Modulation Renewable Energy Solar Water Micro-Organism Disinfection xiii MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Sự phát triển kinh tế kỹ thuật và nâng cao chất lượng cuộc sống đòi hỏi nhu cầu năng lượng của con người rất cao. Hiện nay, có nhiều dạng năng lượng khác nhau như nhiệt năng, cơ năng, năng lượng ánh sáng, hóa năng, điện năng,… Do đặc điểm của điện năng là khả năng biến đổi nhanh chóng và dễ dàng thành các dạng năng lượng khác. Vì vậy, điện năng là một chỉ tiêu quan trọng trong việc đánh giá trình độ phát triển khoa học kỹ thuật cũng như nền kinh tế của xã hội. Tuy nhiên, nó được sản xuất từ các dạng năng lượng khác, trong đó quan trọng nhất là than đá, dầu mỏ, khí đốt, ... Các dạng năng lượng này khi được đốt để sinh nhiệt sản xuất điện sẽ tạo ra rất nhiều chất thải, ảnh hưởng trực tiếp đến môi trường và dẫn đến ảnh hưởng đến sức khỏe con người, mặt khác góp phần thúc đẩy hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, nguồn nhiên liệu hóa thạch không thể tái tạo sau một thời gian khai thác ngày càng cạn kiệt. Vì vậy, hiện nay các nguồn năng lượng mới như mặt trời, gió, thủy triều, ... đã được nghiên cứu sử dụng rộng rãi và ngày càng chiếm tỷ trọng lớn trong những năm gần đây trên thế giới cũng như Việt Nam [1]. Những nguồn năng lượng này được coi là vô tận đối với con người, vì hoạt động khai thác tạo ra ít hoặc không có chất thải, tiếng ồn hoặc ô nhiễm môi trường [2]. Mỗi giây mặt trời phát ra một năng lượng rất lớn vào hệ mặt trời, chỉ một phần nhỏ trong tổng bức xạ tới trái đất với công suất khoảng 1.367 MW/ m2 ở lớp ngoài trái đất, 30% bức xạ này bị phản xạ trở lại không gian, 70% được hấp thụ bởi mặt đất, đại dương và khí quyển thành nhiệt sau đó bức xạ trở lại không gian. Mặt trời là một nguồn năng lượng mà con người có thể tận dụng đó là nguồn năng lượng sạch, đáng tin cậy, gần như vô tận và ở khắp mọi nơi. Việc khai thác năng lượng mặt trời (NLMT) không thải ra nước và khí độc hại nên không góp phần gây ra vấn đề ô nhiễm môi trường và hiệu ứng nhà kính. Tiềm năng về NLMT phân bố không đều trên trái đất, năng lượng mặt trời phát triển mạnh nhất ở vùng xích đạo, nhiệt đới và một số nơi khô hạn nhưng giảm dần về các cực của trái đất. Tiềm năng kinh tế khi khai thác NLMT phụ thuộc vào vị trí, đặc điểm khí 1 hậu, thời tiết cụ thể của từng vùng. Theo thống kê, bức xạ trung bình của một nơi trên thế giới vào khoảng 2000 kWh / m2 / năm [2]. Nhu cầu điện tăng trưởng do sự phát triển kinh tế của Việt Nam luôn tăng đều trong các năm qua, vào khoảng 10% hàng năm. Bên cạnh đó, sự gia tăng dân số cũng kéo theo nhu cầu dùng điện tăng lên cùng với quá trình đô thị hóa và được dự báo xu hướng tăng này tiếp tục kéo dài trong những năm tới. Với tiềm năng về NLTT lớn và đặc biệt là NLMT, Việt Nam đã có những nỗ lực để đa dạng hóa nguồn điện sử dụng NLTT bên cạnh các nguồn nhiên liệu truyền thống đã khiến cho công suất NLTT được lắp đặt cả hòa lưới lẫn độc lập ngày càng cao (xem Bảng 0.1). Theo số liệu gần nhất, tính đến 2021 Việt Nam đã có tổng công suất lắp đặt điện PV vào khoảng 16,5 GW và vẫn đang có nhiều dự án lắp đặt mới vào năm 2022 gấp hơn 50 lần so với 2019. Việt Nam được xem là một trong những nơi trên thế giới có tiềm năng về NLMT lớn nhất. Bảng 0.1 Tiềm năng về NLMT ở theo các khu vực ở Việt Nam Khu vực/Vùng/miền Khu vực Đông bắc bộ Khu vực Tây bắc bộ Khu vực Bắc trung bộ Khu vực Tây nguyên và Nam trung bộ Khu vực Nam bộ Trung bình chung Số giờ nắng trong năm (giờ) 1.500− 1.700 Bức xạ (kWh/m2/ ngày) Tiềm năng và sự khả dụng 3,3 – 4,1 Dưới trung bình 1.750− 1.900 1.700− 2.000 4,1 – 4,9 4,6 – 5,2 Trung bình Tốt 2.000− 2.600 4,9 – 5,7 Rất tốt 2.200− 2.500 4,3 – 4,9 Rất tốt 1.700− 2.500 4,6 Tốt Trở ngại chính trong việc khai thác nguồn NLMT là chi phí đầu tư của hệ thống pin quang điện lớn. Bên cạnh đó, khai thác NLMT phụ thuộc vào thời tiết, công suất điện thay đổi theo thời gian và điều kiện khí hậu trong ngày. Bên cạnh đó, hiệu suất chuyển đổi NLMT từ bức xạ sang năng lượng điện vẫn còn thấp, nên cần diện tích lớn để lắp đặt hệ thống Photovoltaic (PV) khi có nhu cầu công suất lớn. Công suất phát ra phụ thuộc vào điện áp làm việc của PV. Do đặc điểm của công nghệ, PV có 1 điểm làm việc ở điện áp đó sẽ có công suất tương ứng lớn nhất gọi là điểm làm việc cực đại trên đặc tuyến P−V, xem Hình 0.1 (b). Nhưng điểm này lại dịch chuyển tùy theo những điều kiện làm việc là bức xạ chiếu vào PV và nhiệt độ môi trường tác động lên PV. Do đó, 2 giải thuật MPPT trong hệ thống PV và bộ điều khiển bộ chuyển đổi công suất sẽ điều khiển hệ PV luôn ở điểm làm việc cực đại (MPP) này [3]. Giải thuật MPPT phải có khả năng đáp ứng nhanh, điều khiển bộ biến đổi hoạt động chính xác ở điểm làm việc cực đại của PV và luôn bám theo điểm làm việc ở chế độ này khi các điều kiện môi trường thay đổi [4]. Tấm PV và đặc tuyến làm việc được trình bày trong Hình 0.1. Ipv,Ppv Isc Ipv UMPP, IMPP MPP Uoc (a) Upv (b) Hình 0.1 Pin mặt trời : (a) Cấu tạo; (b) Đặc tuyến làm việc [5] Nhiều nghiên cứu về nâng cao hiệu quả của hệ thống phát điện công nghệ PV và có thể chia thành các hướng chính là nâng cao hiệu suất của môđun PV, nghiên cứu bộ chuyển đổi công suất cho hệ thống PV, nghiên cứu thuật toán MPPT cho điều khiển hệ thống PV. Trong thuật toán MPPT lại được chia thành 2 hướng chính: điều khiển góc quay của modul PV để thu lượng bức xạ mặt trời lớn nhất và điều khiển bộ biến đổi công suất của hệ thống PV sao cho năng lượng điện tạo ra là lớn nhất. Nâng cao hiệu quả làm việc của các module PV trong lĩnh vực vật liệu và công nghệ bán dẫn, đòi hỏi ngoài kiến thức chuyên môn, phải có đủ công nghệ thử nghiệm, khai thác và mức đầu tư lớn nhưng khá khó khăn trong điều kiện Việt Nam hiện nay. Tuỳ thuộc vào điện áp của module PV và cách kết nối các module PV thành hệ thống những hàng và dãy mà điện áp ngõ ra sẽ khác nhau. Do đó, tuỳ thuộc vào điện áp yêu cầu của tải mà có nhiều dạng mạch biến đổi công suất cho hệ thống PV, một số loại cơ bản như mạch giảm áp, mạch tăng áp, mạch tăng−giảm áp,… đã được các nhà nghiên cứu trình bày tại các tài liệu [6-12]. Đối với giải thuật MPPT điều khiển hướng xoay của module PV, giải thuật này điều khiển các bộ phận cơ điện sao để module PV luôn hướng về phía mặt trời, đây là vị trí mà module PV thu được lượng bức xạ cực đại từ mặt trời [13, 14]. Có nhiều đề tài nghiên cứu về điều khiển xoay trục nâng đỡ modul PV để tăng hiệu suất thu NLMT ở 3 nước ngoài lẫn trong nước. Tuy nhiên trong luận văn này sẽ chỉ tập trung giới thiệu về kỹ thuật MPPT trong điều khiển mạch biến đổi công suất của hệ PV. Có nhiều nghiên cứu trong và ngoài nước về giải thuật MPPT cho các kiểu bộ biến đổi công suất khác nhau của hệ thống PV. Đầu tiên là giải thuật MPPT dùng bảng tra, chứa các thông số MPP để điều khiển hệ thống làm việc. Đặc điểm của giải thuật này là quá trình tính toán được thực hiện và kiểm tra trước nên bộ điều khiển làm việc ít hơn, tuy nhiên dữ liệu được lưu trữ lại chiếm dung lượng khá lớn nên gặp nhiều khó khăn về bộ nhớ trong bộ vi xử lý [15]. Trong nghiên cứu [16], vấn đề khó khắn này được đề xuất xử lý bằng phương pháp thực nghiệm để tìm ra các mối quan hệ trên đặc tuyến làm việc nhằm giảm khối lượng dữ liệu lưu trữ và đưa ra được tỷ lệ giữa điện áp làm việc điện áp hở mạch và điện áp khi PV làm việc tại MPP. Tuy nhiên, phương pháp này bị giới hạn bởi các modul PV khác nhau về hãng sản xuất, công nghệ sẽ có kết quả khác nhau và phụ thuộc vào nhiệt độ tấm pin. Các giải thuật mới sử dụng kỹ thuật P&O (Perturb and Observe) hay cải tiến của P&O đã khắc phục được một phần nào nhược điểm nói trên [17-21]. Tuy nhiên, công suất PV thu được bị dao động lớn và dễ tìm sai điểm MPP toàn cục khi bức xạ thay đổi hoặc điều kiện bị bóng râm một phần của module PV hay dãy PV [21-24]. Gần đây với sự phát triển về công nghệ bán dẫn các bộ vi điều khiển được chế tạo có khả năng tính toán mạnh mẽ xuất hiện, nhiều giải thuật thông minh đối với MPPT cho hệ thống PV cũng được nhiều tác giả trình bày, những giải thuật này có thể tính toán nhanh và chính xác điểm MPP cũng như hệ thống PV làm việc ít dao động khi ổn định như giải thuật Fuzzy [25-27], giải thuật ANN [27, 28], giải thuật PSO [2931] và các biến thể cải tiến của các giải thuật này [19, 21, 27, 32-39]. Những nghiên cứu chỉ thực hiện trên các phần mềm mô phỏng, một số được thực nghiệm ghi nhận được cho kết quả rất tốt khi so sánh với các giải thuật truyền thống. Tuy nhiên đối với những ứng dụng nhỏ thì việc sử dụng các bộ vi điều khiển có đủ sức để xử lý các thuật toán phức tạp khiến cho giá thành bị nâng lên nên khó áp dụng. Nói chung, công suất phát ra của một modul hoặc hệ thống PV phụ thuộc vào công nghệ chế tạo modul PV, hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt trời, phụ thuộc vào điều kiện môi trường tác động: bức xạ mặt trời, nhiệt độ, điều kiện bị các vật thể khác che phủ, ... Bên cạnh đó, thông số tải cũng ảnh hưởng đến quá trình làm việc và hiệu suất của hệ thống. Do đó, việc tìm hiểu về NLMT, công nghệ PV, kỹ thuật biến đổi công suất trong 4