Nghiên cứu cải tiến giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại của tấm pin năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán BAT và bộ điều khiển mờ luận văn thạc sĩ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC LẠC HỒNG * * * Phạm Hồng Sơn NGHIÊN CỨU CẢI TIẾN GIẢI THUẬT DÒ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA TẤM PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI SỬ DỤNG THUẬT TOÁN BAT

TỔNG QUAN VỀ NGHIÊN CỨU

Lý do chọn đề tài

Trong những thập kỷ gần đây, mối quan tâm đến biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đã tăng lên đáng kể Các nguồn năng lượng tái tạo (RES) được coi là giải pháp khả thi và hiệu quả, được sử dụng rộng rãi trong hệ thống điện nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng với chi phí vận hành và phát thải thấp RES có nhiều công nghệ khác nhau như gió, mặt trời, địa nhiệt và sinh khối, giúp đa dạng hóa cơ cấu phát điện và đảm bảo cung cấp phụ tải một cách an toàn Trong số các nguồn này, gió và mặt trời thu hút sự chú ý của các chuyên gia hệ thống điện và chính phủ vì tính sẵn có cao và công nghệ phát điện tiên tiến Hơn nữa, chi phí sản xuất điện từ mặt trời đã giảm đáng kể, lên tới khoảng 80% trong những năm gần đây và vẫn tiếp tục giảm.

Do đó, sự hiện diện của các hệ thống phát điện như vậy và cách lắp đặt của nó cần được xem xét cẩn thận và chi tiết

Dưới sự chỉ đạo của Chính phủ, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo đã có những bước phát triển đột phá, đặc biệt là điện mặt trời Để năng lượng mặt trời phát triển bền vững và bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia, sự tham gia của doanh nghiệp và các nhà nghiên cứu trong và ngoài nước là rất cần thiết Nhu cầu sử dụng điện ngày càng tăng tạo ra thách thức lớn cho ngành điện, trong khi nguồn cung nội địa từ than đá và dầu mỏ đã gần đạt giới hạn, khiến phụ thuộc vào nhập khẩu càng cao Biến đổi khí hậu toàn cầu dẫn đến hạn hán, thủy điện thiếu nước, làm nhiều dự án bị chậm tiến độ, và vì thế việc nâng cao hiệu suất khai thác các nguồn năng lượng luôn được các nhà khoa học quan tâm.

Hệ thống pin quang điện (PV) chuyển đổi bức xạ mặt trời trực tiếp thành điện năng Có hai cách phân loại PV: các tấm pin nối lưới và các tấm pin độc lập Hệ thống nối lưới thường kết hợp giữa hai mảng năng lượng của hệ thống lưới và trang trại PV, trong khi hệ thống độc lập chủ yếu cung cấp nguồn cho các thiết bị như máy bơm nước, hệ thống chiếu sáng, giao thông và các ứng dụng ngoài không gian Hai thách thức chính đối với các hệ thống PV là khai thác năng lượng hiệu quả trong các điều kiện khí tượng khác nhau và duy trì hiệu suất khi bức xạ mặt trời ở mức thấp Giải quyết các vấn đề này sẽ giúp tối ưu hóa tính toán đầu tư Các đặc tính I-V và P-V của hệ thống PV thay đổi phi tuyến theo mức bức xạ mặt trời và nhiệt độ.

Điểm công suất cực đại (MPPT) là trạng thái vận hành cho phép hệ thống PV đạt hiệu suất tối đa và công suất đầu ra lớn nhất có thể, dù dưới các điều kiện nhiệt và bức xạ khác nhau; điểm này có thể được xác định qua mô hình toán học hoặc các giải thuật tìm kiếm, và giải pháp tối ưu thường là một bộ điều khiển dò tìm MPPT giúp hệ thống luôn hoạt động ở điểm tối ưu trong các điều kiện khí hậu biến đổi và có thể bị ảnh hưởng bởi bóng râm Nhiều công trình nghiên cứu và bộ điều khiển khác nhau đã được phát triển nhằm nâng cao hiệu suất của tấm pin mặt trời, với đặc tính linh hoạt, số lượng cảm biến đa dạng, hiệu suất cao và khả năng hội tụ nhanh Các kỹ thuật được phân loại thành ba nhóm chính: trực tiếp, gián tiếp và trí tuệ nhân tạo (AI) Trong số các kỹ thuật gián tiếp, SCC và OCV đòi hỏi tham số vận hành của PV dưới các điều kiện khí hậu khác nhau, nhưng lại gặp hạn chế khi không theo dõi chính xác bức xạ mặt trời và nhiệt độ Để khắc phục, các nhà nghiên cứu áp dụng AI như logic mờ (fuzzy), mạng nơ-ron, PSO và các thuật toán tiến hóa nhằm đạt hiệu suất theo dõi MPPT vượt trội dưới thời tiết không ổn định và thay đổi đột ngột, đặc biệt khi hệ thống bị bóng râm che phủ Nghiên cứu này đề cập đến một giải thuật điều khiển kết hợp điều khiển mờ với BAT (Bat Algorithm), một thuật toán tối ưu hóa toàn cục dựa trên hành vi định vị bằng tiếng vang của dơi và được Xin-She Yang đề xuất năm 2010.

Hệ thống năng lượng được nghiên cứu bao gồm một tấm pin năng lượng mặt trời và pin lưu trữ Hệ thống này hoạt động ở chế độ hòa lưới Pin sẽ giúp tạo ra nguồn điện ổn định và liên tục trong suốt quá trình hoạt động Sơ đồ điều khiển được đề xuất có hiệu suất mong muốn ngay cả khi hệ thống hoạt động trong điều kiện khí hậu thay đổi và bị bóng râm che phủ một phần Nguyên tắc điều khiển được phát triển dựa trên việc xác định hệ số tỷ lệ của hàm liên thuộc và các trọng số của các luật điều khiển mờ bằng cách sử dụng thuật toán BAT Thuật toán này được nghiên cứu và đánh giá trong các điều kiện khác nhau với các giá trị khác nhau về nhiệt độ, bức xạ mặt trời và cả trong trường hợp bóng râm che phủ một phần.

Tình hình Nghiên cứu trong và ngoài nước

1.2.1 Tình hình Nghiên cứu trong nước

Pin quang điện (PV) được dùng để biến đổi điện năng từ bức xạ mặt trời Đặc tính làm việc của nó phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ, cường độ bức xạ mặt trời và môi trường xung quanh Trong quá trình hoạt động, hệ thống PV có thể bị che một phần hoặc toàn bộ do các hiện tượng tự nhiên như: đám mây, nhà cao tầng, bụi, động vật, cột điện, cây cối… làm thay đổi đặc tính công suất phát của nó Báo cáo này đề xuất một giải thuật dò tìm điểm phát công suất cực đại (MPPT) của hệ thống PV vận hành trong điều kiện bóng che một phần dựa trên thuật toán tối ưu hóa phần tử bày đàn (PSO) và một mô hình gồm 3 modul PV loại PHM60W36 được sử dụng để mô phỏng bằng phần mềm PSIM Tính hiệu quả của giải pháp đề xuất không những được so sánh với thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) mà còn được so sánh với các giải thuật tối ưu trước đó trong cùng điều kiện vận hành Bên cạnh đó, một mô hình thực nghiệm được phát triển để khảo sát đáp ứng của giải pháp đề xuất trong môi trường thực với bộ mô phỏng pin quang điện Chroma-62050H cũng được xem xét thảo luận Những kết quả thu được cho thấy sự vượt trội của giải pháp đề xuất trong việc nâng cao hiệu suất và tốc độ MPPT của hệ thống trong điều kiện vận hành phức tạp Giải pháp này đã được nhóm tác giả Bùi Văn Hiền, Trương Việt Anh và Quách Thanh Hải thực hiện thành công

Đề tài này vẫn còn tồn tại hạn chế khi gặp nhiều bóng che, vì số đỉnh đạt công suất cực đại tăng lên khiến việc xác định điểm phát công suất toàn cục trở nên phức tạp và độ chính xác của kết quả không cao Nguyên nhân chính là sự nhiễu loạn tín hiệu do bóng che gây ra, làm cho việc nhận diện và ước lượng vị trí điểm phát công suất trở nên khó khăn Để cải thiện, cần áp dụng các kỹ thuật xử lý tín hiệu và mô hình hóa bóng che phức tạp hơn, kết hợp với các phương pháp tối ưu hóa nhằm giảm sai số và nâng cao độ tin cậy của việc xác định điểm phát công suất toàn cục.

Nghiên cứu của Trương Việt Anh và Nguyễn Thanh Thuận về thuật toán tìm điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT) nhằm đáp ứng các điều kiện môi trường biến đổi Thuật toán đề xuất phân chia đường đặc tuyến của pin mặt trời thành ba vùng: bên trái MPP, vùng MPP và bên phải MPP, giúp nhận diện nhanh vùng vận hành và điều chỉnh độ rộng xung của mạch boost để đưa nhanh về điểm MPP Kết quả mô phỏng và thực nghiệm cho thấy hệ thống dùng thuật toán này luôn vận hành tại các điểm có công suất tối đa So với thuật toán P&O, giải pháp mới cho速度 tìm MPP nhanh hơn, biên độ dao động công suất nhỏ hơn và khắc phục sai lệch MPP khi điều kiện bức xạ thay đổi nhanh; tuy vậy khi triển khai thực tế, công suất PV có thể dao động lớn và dễ sai lệch điểm MPP khi bức xạ biến đổi nhanh.

Trong bài báo “Điều chỉnh điện áp MPPT trong hệ thống điện mặt trời nối lưới ba pha” của Trần Quang Thọ và Trương Việt Anh, tác giả đề xuất một bộ điều chỉnh điện áp MPPT có gia tăng biến thiên nhằm giảm thiểu sóng hài và đáp ứng động nhanh cho hệ thống PV nối lưới ba pha Do công suất của dàn pin mặt trời thay đổi theo điều kiện thời tiết, bộ dò điểm công suất tối đa MPPT được dùng để tối ưu hóa lượng điện năng thu được Khi công suất biến đổi, điện áp MPPT được đưa về điểm tối đa một cách rất nhanh với mức gia tăng ban đầu lớn, sau đó gia số được giảm dần để hạn chế méo dạng của dòng và giảm THD Kết quả mô phỏng trên nền tảng Simulink/Matlab cho thấy thuật toán MPPT có gia số biến thiên cho khả năng truy vết điểm cực đại tốt hơn so với bộ điều chỉnh có gia số cố định.

Trong đề tài “Thiết kế bộ điều khiển MPPT cho turbine gió dùng máy phát đồng bộ nam châm vĩnh cửu”, các tác giả Trương Việt Anh, Huỳnh Quang Minh và Võ Hoài Thương cho thấy năng lượng gió và các nguồn năng lượng tái tạo đang ngày càng được phát triển để thay thế dần năng lượng hóa thạch, đặc biệt ở Việt Nam với tiềm năng gió lớn; một điểm làm việc tối ưu phụ thuộc vào tốc độ gió và tải, vì vậy bộ dò tìm công suất tối đa (MPPT) được dùng để tối ưu hoá công suất thu được; bài báo đề xuất bộ điều khiển MPPT dựa trên giải thuật nhiễu và quan sát cải tiến (P&O cải tiến) với hai hệ số K1 và K2 dùng khi điểm làm việc ở xa và gần điểm công suất tối đa, được thiết kế và thử nghiệm trong phòng thí nghiệm cho phép trích xuất công suất điện lớn nhất từ turbine gió mà không cần đo tốc độ gió hay đặc tính của hệ thống turbine Đề tài “Nâng cao hiệu suất pin năng lượng mặt trời kết hợp với hệ thống bơm tưới nước” của Lương Xuân Trường, Nguyễn Tùng Linh và Trương Việt Anh đề xuất thuật toán tối ưu hoá công suất cho hệ thống PV công suất nhỏ vận hành độc lập bằng cách vừa biến đổi điện áp vừa thay đổi tổng trở tải; kết quả ban đầu được thử nghiệm dựa trên PSIM và một mô hình thực tế sử dụng 3 động cơ DC Đề tài “Phân tích kinh tế cho hệ thống điện mặt trời trên mái nối lưới tại Thành phố Thủ Dầu Một, Bình Dương” của Lê Phương Trường, Trần Minh Bằng, Lợi Nguyễn Phúc Ân, Nguyễn Tấn Hòa trình bày phân tích tính khả thi kinh tế cho hệ thống điện mặt trời trên mái nối lưới dựa vào số liệu bức xạ và biểu đồ phụ tải hộ gia đình tại Thủ Dầu Một, với mô hình tính toán và phân tích bằng phần mềm PV Syst; kết quả cho thấy hệ thống 3 kW–5 kW cho hộ gia đình cho sản lượng 4,48–7,54 MWh/năm, chi phí đầu tư từ 2.827–4.260 USD và thời gian hoàn vốn từ 6–7 năm.

Các tác giả Lê Phương Trường và các cộng sự [7] đã nghiên cứu một thuật toán ước tính năng suất và phân tích hiệu suất cho nhà máy điện quang điện nối lưới, bao gồm hệ thống PV trên mái nhà và trang trại năng lượng mặt trời Mô hình được phát triển dựa trên mô hình PV thương mại trong môi trường MATLAB/Simulink Thực hiện mô phỏng kết nối với hệ thống PV trên mái nhà và trang trại năng lượng mặt trời, tổng công suất lắp đặt lần lượt là 0,986 MW và 30,7 MW Hiệu suất của cả hệ thống PV trên mái nhà và trang trại năng lượng mặt trời ở Việt Nam được đánh giá Kết quả cho thấy hệ thống đạt hiệu suất như mong đợi, với tỷ lệ hiệu suất trung bình đạt 70% đối với hệ thống PV trên mái nhà và 80,45% đối với trang trại năng lượng mặt trời trong khoảng thời gian sáu tháng, năm 2019 Tỷ lệ hiệu suất cũng được so sánh với mức trung bình toàn cầu từ 70% đến 80% cho một hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động tốt.

Ngoài ra, chúng tôi tập hợp và phân tích một số nghị quyết của Chính phủ liên quan đến phát triển năng lượng mặt trời ở Việt Nam nhằm phục vụ cho nghiên cứu đề tài Bản tổng hợp nêu rõ các chính sách hỗ trợ, mục tiêu và cơ chế triển khai, đồng thời đánh giá tác động của chúng đối với đầu tư, thị trường năng lượng tái tạo và sự phát triển của ngành năng lượng mặt trời tại Việt Nam.

Quyết định 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/4/2017 của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam đã được ban hành nhằm thiết lập khung khuyến khích đầu tư và triển khai các dự án điện mặt trời trên toàn quốc Theo Quyết định này, các cơ chế ưu đãi và điều kiện thực hiện được xây dựng để thúc đẩy sự tham gia của nhà đầu tư, doanh nghiệp và cá nhân vào lĩnh vực điện mặt trời, đồng thời đẩy mạnh phát triển nguồn năng lượng tái tạo và tăng cường an ninh năng lượng cho Việt Nam.

Việc huy động vốn cho các dự án điện mặt trời được thực hiện hợp pháp từ các tổ chức, cá nhân trong và ngoài nước để đầu tư theo quy định của pháp luật hiện hành Miễn, giảm thuế thu nhập doanh nghiệp cho dự án điện mặt trời được thực hiện như đối với dự án thuộc lĩnh vực ưu đãi đầu tư Căn cứ quy hoạch được cấp có thẩm quyền phê duyệt, Ủy ban nhân dân cấp tỉnh tạo điều kiện thu xếp quỹ đất cho chủ đầu tư thực hiện các dự án điện mặt trời Việc bồi thường, hỗ trợ giải phóng mặt bằng được thực hiện theo quy định của pháp luật hiện hành về đất đai Bên mua điện có trách nhiệm mua điện tại thời điểm giao nhận với giá 2.086 đồng/kWh (chưa VAT), tương đương 9,35 US cent/kWh, giá bán điện được điều chỉnh theo biến động của tỷ giá đồng/USD Giá điện này áp dụng cho các dự án nối lưới có hiệu suất tế bào quang điện lớn hơn 16% hoặc module lớn hơn 15% Các dự án trên mái nhà thực hiện cơ chế bù trừ điện năng sử dụng hệ thống đồng hồ hai chiều; trong một chu kỳ thanh toán, lượng điện phát ra từ các dự án trên mái nhà lớn hơn lượng điện tiêu thụ sẽ được chuyển sang chu kỳ thanh toán kế tiếp Khi kết thúc năm hoặc kết thúc hợp đồng mua điện, lượng điện dư sẽ được bán cho bên mua điện với giá quy định Chi phí mua điện từ các dự án điện mặt trời được tính toán và đưa đầy đủ trong thông số đầu vào của phương án giá bán điện hàng năm của Tập đoàn Điện lực Việt Nam.

Quyết định 13/2020/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển điện mặt trời tại Việt Nam quy định thiết bị chính của dự án mặt trời nối lưới phải đáp ứng tiêu chuẩn kỹ thuật Việt Nam hoặc IEC hoặc các tiêu chuẩn tương đương, chất lượng điện của dự án phải đáp ứng các yêu cầu về điện áp, tần số và vận hành hệ thống điện quốc gia theo quy định hiện hành Giá mua điện tại khoản 2 Điều này áp dụng cho hệ thống điện mặt trời mái nhà có thời điểm vào vận hành phát điện và xác nhận chỉ số công tơ trong giai đoạn từ ngày 01 tháng 7 năm 2019 đến ngày 31 tháng 12 năm 2020 và được áp dụng 20 năm kể từ ngày vào vận hành phát điện Chi phí mua điện từ các dự án điện mặt trời mái nhà được hạch toán và đưa đầy đủ trong thông số đầu vào của phương án giá điện bán buôn và bán lẻ hàng năm của Tập đoàn Điện lực Việt Nam Hóa đơn thanh toán được lập trên cơ sở sản lượng điện giao và sản lượng điện nhận riêng biệt Đối với tỉnh Ninh Thuận, giá mua điện từ các dự án điện mặt trời nối lưới đã có trong quy hoạch phát triển điện lực các cấp và có ngày vận hành thương mại trước ngày 01 tháng 01 năm 2021 với tổng công suất tích lũy không quá 2.000 MW là 2.086 đồng/kWh (chưa bao gồm thuế VAT, tương đương 9,35 UScents/kWh, theo tỷ giá trung tâm của đồng Việt Nam với đô la Mỹ do Ngân hàng Nhà nước Việt Nam công bố ngày 10 tháng 4 năm 2017 là 22.316 đồng/USD), được áp dụng 20 năm kể từ ngày vận hành thương mại Giá mua điện được điều chỉnh theo biến động của tỷ giá đồng/USD, tỷ giá áp dụng là tỷ giá trung tâm của đồng Việt Nam với đô la Mỹ do Ngân hàng Nhà nước Việt Nam công bố vào ngày bên bán điện xuất hoá đơn thanh toán.

1.2.2 Tình hình nghiên cứu ngoài nước

Trong những thập kỷ gần đây, mối quan tâm về biến đổi khí hậu và ô nhiễm môi trường đã gia tăng Năng lượng tái tạo được ứng dụng rộng rãi trong hệ thống điện nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với chi phí vận hành và phát thải thấp hơn Các nguồn năng lượng tái tạo, như năng lượng gió, năng lượng mặt trời, năng lượng địa nhiệt và năng lượng sinh khối, mang lại sự đa dạng cho cơ cấu phát điện và giúp đảm bảo nguồn cấp năng lượng an toàn cho phụ tải Trong số các nguồn này, năng lượng gió và năng lượng mặt trời thu hút sự chú ý của nhiều chuyên gia hệ thống điện và các chính phủ nhờ tính sẵn có cao và công nghệ phát điện tiên tiến, đồng thời chi phí đầu tư công nghệ sản xuất năng lượng mặt trời đã giảm tới khoảng 80% trong những năm gần đây và vẫn tiếp tục giảm Các hệ thống điện năng lượng mặt trời phát triển nhanh như vũ bão, vì vậy lĩnh vực này cần được xem xét một cách cẩn trọng và chi tiết.

Năng lượng mặt trời ở dạng tấm pin quang điện (PV) đang phát triển nhanh với các hệ thống nối lưới ở quy mô lớn và các hệ thống độc lập ở cấp phân phối và người dùng Dù PV mang lại nhiều lợi ích cho hệ thống điện, vẫn cần xem xét các vấn đề như tỷ suất sinh lời, hiệu suất và các thuật toán chẩn đoán lỗi để tối ưu hóa vận hành Nhiều dự án nghiên cứu tập trung giảm tổn thất năng lượng và đề xuất các thuật toán MPPT nhằm đạt được điểm công suất tối đa (MPP); các thuật toán này được phân thành hai nhóm chính là kỹ thuật phổ biến và trí tuệ nhân tạo, với các kỹ thuật thịnh hành như perturb and observe (P&O), incremental conductance (INC) và hill climbing (HC), cùng các phương pháp đơn giản hơn như đo dòng ngắn mạch phân đoạn và điện áp mở phân đoạn hay điều khiển tương quan gợn sóng Mặc dù hiệu suất của các thuật toán truyền thống có thể chấp nhận ở điều kiện bình thường, chúng gặp nhược điểm do biến động quanh điểm công suất tối đa dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể Các thuật toán dựa trên AI như mạng nơ-ron nhân tạo, bộ điều khiển logic mờ (FLC) và các thuật toán heuristic và meta-heuristic có khả năng giải quyết tốt các vấn đề này, dù phức tạp và đòi hỏi đào tạo cùng phần cứng mạnh Hai bộ điều khiển P&O dựa trên thứ tự phân số PID và bộ điều khiển PID phân số thụ động cũng đã được nghiên cứu cho ứng dụng MPPT trong hệ thống PV nối lưới và chịu ảnh hưởng của biến đổi thời tiết Điều kiện bóng che một phần (partial shading conditions - PSC) làm giảm hiệu suất đầu ra của hệ thống PV và đặt ra thách thức lớn cho các phương pháp MPPT, từ đó thúc đẩy tìm kiếm các giải pháp tối ưu và linh hoạt hơn.

Trong các điều kiện như vậy, đường cong P-V của hệ thống PV chứa nhiều điểm cực đại do hoạt động của diode rẽ nhánh, nhằm bảo vệ các ô quang điện khỏi bị bóng mờ Kỹ thuật MPPT thông dụng khó xử lý hiệu quả hiện tượng này, dẫn đến tổn thất điện năng đáng kể Các tác động tiêu cực của PSC đã được giảm thiểu nhờ tăng cường cơ chế của các phương pháp phổ biến, nhưng những điều chỉnh này đòi hỏi phần cứng đủ mạnh để đạt được MPP toàn cục.

Ngoài ra, còn có các thuật toán trực tiếp dựa trên các phương pháp như logic mờ kết hợp với bộ điều khiển cực, bộ điều khiển tìm kiếm cực trị tuần tự và bộ điều khiển tìm kiếm theo hình chữ nhật Những thuật toán này đòi hỏi chi phí đầu tư cao và yêu cầu phần cứng phức tạp hơn [29] Mặt khác, các thuật toán meta-heuristic có khả năng giải quyết các vấn đề do PSC gây ra Trong tài liệu [30], thuật toán di truyền được sử dụng để điều chỉnh hàm liên thuộc của bộ điều khiển mờ nhằm tìm ra điểm công suất cực đại Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (particle swarm optimization - PSO) thay đổi thời gian lấy mẫu nhằm đạt được điểm công suất cực đại như trình bày trong [31] Trong tài liệu [32], thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (ant colony optimization - ACO) giúp giảm bớt các thông số phải điều khiển Thuật toán tìm kiếm cuckoo (cuckoo search algorithm - CSA) [33] giúp tăng tỷ lệ hội tụ.

Mục tiêu nghiên cứu

Làm rõ các đặc tính của hệ thống năng lượng mặt trời

Đề tài này tổng hợp kinh nghiệm ứng dụng các giải thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cho tấm pin năng lượng mặt trời từ các nghiên cứu trong nước và nước ngoài, nhằm rút ra bài học và phương án triển khai hiệu quả Bài viết phân tích ưu nhược điểm của các giải thuật MPPT phổ biến như Perturb and Observe, Incremental Conductance và các biến thể cải tiến, đồng thời xem xét ảnh hưởng của điều kiện ánh sáng, nhiệt độ và đặc tính hệ thống đến hiệu suất tối ưu Qua so sánh thực nghiệm và lý thuyết, đề xuất lựa chọn giải thuật phù hợp với quy mô hệ thống, mục tiêu vận hành và yêu cầu ổn định công suất Các kinh nghiệm thực tiễn được tổng hợp từ các đề tài quốc tế và địa phương, tạo khung tham chiếu cho quá trình nghiên cứu và đề xuất các bước triển khai cụ thể để thực hiện đề tài này một cách hiệu quả.

Đề tài nghiên cứu và phát triển tập trung thiết kế một sơ đồ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời, liên kết giữa tấm pin quang điện và hệ thống lưu trữ năng lượng nhằm tối ưu hóa quản lý nguồn điện, nâng cao hiệu suất chuyển đổi và đảm bảo nguồn cấp ổn định từ nguồn mặt trời Sơ đồ này được xây dựng để giám sát tham số vận hành, điều chỉnh luồng điện giữa tấm pin, bộ biến đổi nguồn và pin lưu trữ, đồng thời tối ưu hóa chi phí và hiệu quả lưu trữ năng lượng cho các ứng dụng trong gia đình và công nghiệp.

Nghiên cứu đề xuất sự kết hợp giữa bộ điều khiển mờ và thuật toán BAT để tìm các giá trị tối ưu của các tham số của bộ điều khiển nhằm tối ưu hóa MPPT và đảm bảo theo dõi điểm tối đa của công suất Thuật toán BAT điều chỉnh các hàm liên thuộc (MF – Membership Function) của bộ điều khiển mờ để xử lý trường hợp không ổn định trong việc đo bức xạ và nhiệt độ, từ đó tăng độ chính xác và tính ổn định của quá trình theo dõi công suất tối đa Việc điều chỉnh MF bởi BAT giúp hệ thống thích nghi tốt hơn với sự biến thiên của môi trường, giảm sai số đo và cải thiện hiệu suất tổng thể.

Trong bài viết này, chúng tôi thực hiện các bài mô phỏng để kiểm chứng thuật toán đề xuất và so sánh với một số giải pháp nổi tiếng như FUZZY, INC và P&O nhằm đánh giá hiệu quả của phương pháp Quá trình mô phỏng và phân tích được tiến hành dựa trên các tiêu chí hiệu suất, độ chính xác và tính khả thi thực tế, từ đó rút ra các ưu nhược điểm và đề xuất các hướng cải tiến Bài viết cũng ghi nhận kết quả so sánh để làm cơ sở đánh giá tính khả thi của thuật toán so với các giải pháp tham chiếu Đáng chú ý, bài báo này đã được đăng trên tạp chí Khoa học Lạc Hồng.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Việc nghiên cứu kinh nghiệm ứng dụng các giải thuật tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cho tấm pin năng lượng mặt trời từ các đề tài trong và ngoài nước giúp tổng hợp các phương pháp tối ưu hóa hệ thống quang điện Các nghiên cứu đề xuất nhiều giải thuật như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (IC) và các biến thể cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất và sự ổn định khi thay đổi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ Việc so sánh hiệu quả giữa các giải thuật trong các điều kiện thời tiết khác nhau cho phép rút ra các kinh nghiệm thực tiễn về tham số, cấu hình hệ thống và chiến lược điều khiển MPPT Những bài học này giúp đề tài được triển khai hiệu quả hơn thông qua lựa chọn thuật toán phù hợp với đặc tính đường cong I-V của tấm pin, tích hợp cảm biến và hệ thống giám sát, cũng như đánh giá hiệu suất theo các tiêu chuẩn công suất và tối ưu hóa năng lượng.

Đề tài nghiên cứu và phát triển một sơ đồ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời, tích hợp tấm pin quang điện và hệ thống lưu trữ năng lượng, nhằm tối ưu hoá hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống Mục tiêu là thiết kế các thuật toán điều khiển để cân bằng giữa sản lượng từ PV và lưu trữ, giám sát các thông số công suất, điện áp và trạng thái lưu trữ, đồng thời điều chỉnh quá trình sạc và xả để phù hợp với điều kiện thời tiết và nhu cầu tải Việc áp dụng sơ đồ điều khiển này giúp hệ thống tự động thích nghi với biến động ánh sáng mặt trời, tối ưu hoá sản lượng điện và giảm thiểu tổn thất năng lượng, phù hợp cho ứng dụng trên lưới hoặc hệ thống độc lập.

Lập giải thuật điều khiển tìm điểm phát công suất cực đại của tấm pin năng lượng mặt trời nối lưới trong trường hợp có pin lưu trữ

Sử dụng matlab/simulink để mô phỏng, đánh giá thuật toán và so sánh đánh giá hiệu quả với các thuật toán như FUZZY, INC và P&O

Viết các bài báo khoa học đăng trên Hội nghị chuyên đề quốc tế về công nghệ mới và bền vững năm 2020 tại Đài loan Trung Quốc

Nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển mờ và thuật toán BAT để tìm các giá trị tối ưu của các tham số của bộ điều khiển cho MPPT

Nghiên cứu này đề xuất sử dụng thuật toán BAT để tối ưu hóa các hàm liên thuộc (MF – Membership Function) của bộ điều khiển mờ nhằm xử lý hiệu quả các trường hợp không ổn định trong quá trình đo bức xạ và nhiệt độ Bằng cách điều chỉnh các tham số của MF như ngưỡng và phạm vi biến thiên thông qua cơ chế tối ưu hóa của BAT, hệ thống điều khiển mờ sẽ nâng cao độ ổn định, giảm nhiễu và cải thiện độ chính xác đo lường trong điều kiện biến động mạnh Phương pháp này cho phép nhận diện và thích nghi với sự thay đổi môi trường, từ đó tăng tính tin cậy của hệ thống giám sát bức xạ và nhiệt độ Kết quả dự kiến là tăng hiệu suất điều khiển mờ và mở rộng ứng dụng trong công nghiệp đo lường, giám sát từ xa và các hệ thống tự động hóa có yêu cầu đo lường lớn và ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp phân tích hệ thống là công cụ thiết yếu để vận dụng và phân tích nhằm làm sáng tỏ tương tác giữa các môi trường xung quanh và ảnh hưởng của chúng tới điều kiện vận hành của hệ thống pin năng lượng mặt trời Thông qua phương pháp này, các yếu tố như nhiệt độ, cường độ ánh sáng, độ ẩm, gió và bức xạ mặt trời được xem xét và đánh giá tác động lên hiệu suất, độ tin cậy và tuổi thọ của hệ thống Nhận diện các tương tác môi trường cho phép tối ưu thiết kế, lựa chọn vật liệu và chiến lược bảo trì, từ đó nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu rủi ro dưới các điều kiện khí hậu khác nhau Kết quả phân tích hệ thống cung cấp cái nhìn toàn diện về điều kiện vận hành, hỗ trợ quyết định vận hành và bảo trì tối ưu cho hệ thống pin năng lượng mặt trời.

Phương pháp mô hình toán được thực hiện bằng cách sử dụng Matlab để mô phỏng thử nghiệm giải thuật điều khiển và đánh giá ảnh hưởng của các thông số môi trường lên hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời Quá trình mô phỏng cho phép tối ưu hóa các tham số điều khiển và phân tích tác động của nhiệt độ môi trường, cường độ bức xạ mặt trời, góc tới và điều kiện thời tiết đến sản lượng điện và hiệu suất của hệ thống PV Kết quả mô phỏng hỗ trợ dự báo hiệu suất dưới các điều kiện khác nhau và phục vụ cho quá trình thiết kế, tối ưu hóa hệ thống PV và vận hành hiệu quả hơn.

Phương pháp thống kê toán học được sử dụng để chỉnh lý và hiệu chỉnh thông tin phục vụ các mô hình toán học Đề tài tiến hành nghiên cứu định lượng, xây dựng thuật toán và thiết kế mô hình mô phỏng nhằm chứng minh độ tin cậy và hiệu quả của giải thuật điều khiển Quá trình làm việc tập trung vào thu thập dữ liệu, ước lượng tham số, và đánh giá tính ổn định cũng như độ chính xác của hệ thống thông qua các tiêu chí thống kê và kiểm định Kết quả mô phỏng cho phép đánh giá hiệu suất trong các tình huống biến đổi và từ đó đề xuất các tối ưu hóa ứng dụng thực tế của giải thuật điều khiển.

Nội dung Luận văn

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 3: Mô hình hoá trên phần mềm Matlab và kết quả mô phỏng

Chương 4: Kết luận và hướng phát triển của đề tài

Dự kiến kết quả đạt được

Kết quả nghiên cứu sẽ góp phần tạo ra sự chuyển biến rõ rệt về hiệu suất của tấm pin năng lượng mặt trời

Nâng cao chất lượng và hiệu quả khai thác tấm pin năng lượng mặt trời giúp tối ưu hiệu suất chuyển đổi, gia tăng độ tin cậy và kéo dài tuổi thọ hệ thống Qua đó, sản phẩm pin năng lượng mặt trời trở nên cạnh tranh hơn trên thị trường nhờ hiệu suất cao, tiết kiệm chi phí vận hành và bảo trì được tối ưu Việc áp dụng công nghệ tiên tiến, quy trình kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt và tối ưu hóa quy trình sản xuất là chìa khóa để nâng cao hiệu quả khai thác tấm pin năng lượng mặt trời và nâng cao năng lực cạnh tranh của sản phẩm Điều này mang lại lợi ích cho khách hàng bằng hiệu quả sử dụng năng lượng và chi phí tổng thể thấp hơn.

Bài báo đăng trên Hội nghị chuyên đề quốc tế về công nghệ mới và bền vững năm 2020 tại Đài loan Trung Quốc

Chương 1 của báo cáo nhấn mạnh tầm quan trọng của nguồn năng lượng mặt trời và giới thiệu các thuật toán nhằm xác định điểm cực đại của mô-đun PV Chương này phân tích đặc tính của hệ thống PV và điều kiện vận hành để xác định điểm cực đại công suất (MPP), đồng thời trình bày các phương pháp tối ưu hóa và so sánh hiệu quả của từng thuật toán nhằm đảm bảo thu được công suất tối đa một cách tin cậy.

Ngoài ra, còn đưa ra được tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước để nêu ra được tầm ảnh hưởng của nguồn năng lượng sạch này.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Mô hình Quang điện

Một tấm pin năng lượng mặt trời gồm nhiều tế bào quang điện được kết nối mắc nối tiếp và song song để cung cấp các giá trị đầu ra cần thiết Có nhiều cấu hình khác nhau cho hệ thống PV, nhưng để tránh phức tạp, báo cáo này sử dụng cấu hình một diode làm công cụ mô hình hóa hiệu quả cho các hệ thống như vậy Biểu diễn mạch của cấu hình được đề cập đã được cho trong hình 2.1, và phương trình (2.1) mô tả đặc tính I–V của cấu hình được nghiên cứu.

Hình 2.1 Mạch tương đương một diode của pin mặt trời [33, 34]

VPV – điện áp ra của PV (V)

IPV - Dòng điện ra của PV (A).

IPh – Dòng điện ngắn mạch của PV (A)

IPV 0 – Dòng điện bão hòa của diode (A) q – điện tích của electron (1,602.10−19C) k - hằng số Boltzman (1,381.10−23J/K)

T - nhiệt độ lớp tiếp xúc (K)

Trong mô hình tế bào quang điện, Rs và Rsh lần lượt là điện trở nối tiếp và điện trở shunt (song song); dòng quang điện được ký hiệu Iph và hệ số lý tưởng n mô tả đặc tính đường giao thoa p-n, I0 là dòng điện bão hòa và hằng số Boltzmann k được dùng với giá trị 1,38×10^-23 J/K; điện tích q được gán là 1,602×10^-19 C; nhiệt độ của tế bào được thể hiện bằng T tính bằng Kelvin; đặc tính I-V và P-V được phác thảo trong Hình 2.2 cho các điểm mẫu khác nhau của bức xạ mặt trời, được thể hiện bằng G và nhiệt độ; như dự kiến, năng lượng do hệ thống được sinh ra từ sự tương tác giữa bức xạ mặt trời và các tham số Rs, Rsh, Iph, n, I0, q và T, thể hiện rõ qua các trạng thái P-V khi biến đổi điều kiện bức xạ mặt trời G.

PV tạo ra sẽ tăng theo mức độ gia tăng của cường độ bức xạ mặt trời; đồng thời, giá trị dòng điện và sản lượng điện sẽ giảm khi nhiệt độ tăng so với điều kiện kỹ thuật tiêu chuẩn (STC) Hai hiện tượng này được mô tả lần lượt trong Hình 2.2(a) và Hình 2.2(b) Cũng cần lưu ý rằng cường độ bức xạ mặt trời trên tất cả các mô-đun là đồng nhất, do đó mỗi điểm cực đại công suất (MPP) xuất hiện riêng biệt trên đường cong P-V của hệ thống.

2.2(b) Hình 2.2 Đường cong P-V cho các giá trị điển hình của (a) Bức xạ mặt trời; (b) Nhiệt

Mô hình Pin

Sự gia tăng của các nguồn năng lượng gián đoạn đang đẩy mạnh nhu cầu lắp đặt các hệ thống lưu trữ điện Trong số các loại hệ thống lưu trữ điện hiện có, pin được chú ý nhiều nhờ mật độ năng lượng cao và tính linh hoạt, có thể được triển khai ở nhiều địa điểm khác nhau Hạn chế chính của các hệ thống này trước đây là chi phí vốn cao, nhưng những năm gần đây chi phí đã giảm, khiến chúng trở thành lựa chọn khả thi để cung cấp các giải pháp dự trữ bắt buộc.

Về mặt công nghệ lưu trữ năng lượng, đến nay đã có nhiều công nghệ pin khác nhau được phát triển, và pin axit-chì (LA) đã cho thấy hiệu suất ấn tượng Báo cáo này tập trung so sánh các công nghệ pin để làm nổi bật ưu điểm của LA, đồng thời sử dụng pin axit-chì làm tiêu điểm phân tích nhằm đánh giá hiệu suất, độ bền và chi phí cho các ứng dụng thực tế.

Để làm việc hiệu quả với hệ thống PV, hệ thống lưu trữ năng lượng BES được trang bị bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều và kết nối pin với bus DC BES hoạt động để cung cấp thêm phụ tải trong trường hợp sản lượng điện từ hệ thống PV có biến động, giúp BES ổn định điện áp tại liên kết DC chung và từ đó dẫn đến ổn định điện áp của bus hệ thống.

DC Điện áp pin được biểu thị như sau [12]:

Trong đó điện áp bên trong của hệ thống BES được biểu thị bằng Ebatt và được xác định như sau:

2.3 Các ảnh hưởng đến hệ thống PV

Các hệ thống PV chịu sự ảnh hưởng bởi các yếu tố như sau:

2.3.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng

Yếu tố ảnh hưởng từ cường độ ánh sáng cũng rất quan trọng đối với hệ thống PV, nếu cường độ ánh sáng lớn thì công suất thu về được của PV cũng lớn, dòng Isc càng lớn, hình 2.3

Hình 2.3 Đặc tuyến V-I của hệ thống PV thay đổi do cường độ anh sang khác nhau ở nhiệt độ 25 0 C

2.3.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ của môi trường tác động lên PV càng cao thì sẽ làm tiêu hao điện áp khi thu được, hình 2.4

Hình 2.4 Đặc tuyến V-I của PV thay đổi với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2 2.3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ bóng râm

Hiện tượng bóng râm được xác định khi PV bị vật thể che phủ một phần làm giảm hiệu suất của PV hình 2.5

(a) (b) Hình 2.5 Module PV với n PV trong trường hợp không bị che khuất (a) bị che khuất

Tại thời điểm đó, điện áp của module PV sẽ là:

Ta thay (2.7) vào (2.6) thì ta có:

Khi đó, hiệu suất điện áp giảm bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:

Mặt khác, do Rp >> Rs Khi ấy:

∆𝑉~ + 𝐼Rp (2.11) Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như hình 2.6

Hình 2.6 mô tả đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, cho thấy sự thay đổi của đường đặc tuyến với điều kiện ánh sáng bị hạn chế Trong trường hợp module PV bị che khuất nhiều, đường đặc tuyến (đường IV) sẽ được biểu diễn như hình 2.7.

Hình 2.7 minh họa một module PV bị che khuất bởi bóng râm, cho thấy hiệu suất của module PV phụ thuộc vào nhiều yếu tố như mức độ và dạng bóng râm (che phủ một phần hoặc ở nhiều điểm trên chuỗi tế bào), vị trí che khuất trên module (đầu, giữa hay cuối chuỗi) và điều kiện ánh sáng cùng nhiệt độ môi trường Khi một phần tế bào bị che khuất, hiệu suất giảm do mất cân bằng điện áp và tổn thất ghép, có thể sinh nóng tại vùng bị che và làm giảm công suất tổng quát Các biện pháp giảm thiểu bao gồm sử dụng diode bypass, thiết kế chuỗi tối ưu, áp dụng MPPT hiệu quả và tối ưu hóa bố trí hệ thống để hạn chế tiếp xúc với bóng râm; ngoài ra, công nghệ phân phối nguồn ở mức tế bào hoặc mô-đun (microinverters hoặc power electronics ở mô-đun) có thể cải thiện hiệu suất trong điều kiện bóng râm.

- Phân bố bóng che trên các bộ PV

- Dạng thiết kế của module PV

Hiệu ứng bóng râm là hiện tượng khó tránh khỏi trong quá trình vận hành hệ thống PV Khi bóng râm xuất hiện, tổn thất công suất có thể rất lớn, ngay cả khi vùng bóng râm chỉ chiếm một phần nhỏ trên bề mặt tấm pin Do đó, việc tối ưu hóa thiết kế và vận hành để giảm thiểu bóng râm là cần thiết để duy trì hiệu suất và đảm bảo hiệu quả của hệ thống PV.

Những giải thuật điều khiển để tìm điểm MPPT của tấm pin mặt trời đang được sử dụng

Thuật toán MPPT đóng vai trò then chốt trong các hệ thống PV bằng cách điều chỉnh chu kỳ hoạt động của bộ tăng cường thông qua tín hiệu tham chiếu do bộ điều khiển cấp, nhằm kéo mảng PV vận hành tại điểm công suất tối đa (MPP) Các kỹ thuật MPPT dựa trên logic mờ (FLC) đã được chứng minh là hiệu quả, thường gồm ba bước chính: làm mờ (fuzzification) các biến đầu vào, suy luận mờ với tập quy tắc dựa trên kiến thức thủ tục, và giải mờ (defuzzification) để chuyển dữ liệu mờ thành tín hiệu điều khiển thực sự Hình 2.8 minh họa trình tự ba bước này Ở bước đầu, các biến đầu vào được chuyển sang các thuật ngữ ngôn ngữ; ở bước tiếp theo, các thuật ngữ này được kiểm soát bằng quy tắc liên quan đến kiến thức thủ tục, tạo hệ thống suy luận; bước cuối cùng giải mờ giúp biến dữ liệu mờ từ bước trước thành thông tin không mờ phục vụ cho điều chỉnh MPPT và tối ưu hóa MPP.

Dữ liệu đầu ra được sử dụng cho quy trình kiểm soát [34, 35]

Các thuật toán MPPT dựa trên FLC được thiết kế với một đầu ra duy nhất và hai đầu vào nhằm đạt được điểm công suất tối đa cho hệ thống PV Các mối quan hệ giữa các biến đầu vào được dùng để đặc trưng cho tính chất của hệ thống, hỗ trợ quá trình tối ưu và theo dõi MPP một cách chính xác Theo tham khảo [8], những mối quan hệ này được mô tả để xác định các biến đầu vào và phục vụ cho điều khiển MPPT dựa trên fuzzy logic.

∆𝐸(𝐾) = 𝐸(𝐾) − 𝐸(𝐾 − 1) = ∆𝐸 (2.13) Tương tự như vậy, biến đầu ra cũng được định nghĩa là:

Trong đó E (k), ΔE (k) và ΔD lần lượt là sai số, sự thay đổi của sai số và sự biến thiên trong chu kỳ làm việc

Trong hệ FLC được đề xuất, năm hàm liên thuộc cho đầu vào và đầu ra được phân định thành PL (dương lớn), PS (dương nhỏ), ZO (không), NS (âm nhỏ) và NL (âm lớn) Các quy tắc nêu trong Bảng 2.1 được sử dụng để giảm dao động ở tốc độ theo dõi cao trong trạng thái ổn định Thuật toán min–max, một kỹ thuật nổi tiếng, được áp dụng trong báo cáo này để tối ưu hóa quá trình suy luận của hệ điều khiển Quá trình khử mờ sử dụng khu vực trung tâm (COA) và được định nghĩa như sau, trong đó Dj là tâm của thuật toán tiếp cận max-min trong hàm thành viên đầu ra [8].

Hình 2.9 mô tả các chức năng của thành viên gồm (a) Lỗi (E), (b) Thay đổi sai số (CE) và (c) đầu ra Hoạt động mong muốn của hệ FLC phụ thuộc chủ yếu vào các quy định và chức năng của thành viên; các tham số này cần được xác định bằng cách thu thập thông tin chính xác về hệ thống Do đó, FLC thông dụng có thể không đạt hiệu suất tối ưu trong mọi điều kiện vận hành Trong báo cáo này, thuật toán BAT được áp dụng để giải quyết các vấn đề của FLC thông thường bằng cách xác định một cách tối ưu các hệ số tỷ lệ của MF (các hàm thành viên) [13].

Bảng 2.1 Các quy tắc mờ được sử dụng trong nghiên cứu này

NL NS ZO PS PL

NL ZO ZO ZO NL PS

NS ZO ZO NS NS NS

ZO NS ZO ZO ZO PS

PS PS PS PS ZO ZO

PL PL PL PL ZO ZO

Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) là một trong những thuật toán xác định điểm cực đại phổ biến nhất trong các hệ thống MPPT (Maximum Power Point Tracking) cho nguồn PV Thuật toán này dựa trên nguyên tắc perturbation biên độ điện áp ΔV để quan sát sự biến thiên của công suất ΔP, từ đó điều chỉnh sao cho công suất nhận được từ hệ thống PV đạt cực đại Lưu đồ của thuật toán P&O được mô tả ở hình 2.10 Trên cơ sở đó, tín hiệu điều khiển được xác định để điều khiển bộ điều khiển DC/DC, nhằm duy trì MPPT và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV.

Hình 2.10 Lưu đồ thuật toán P&O Thuật toán P&O được mô tả như sau:

- Nếu tăng điện áp và công suất nhận lại được tăng -> chu kỳ sau sẽ tăng điện áp

- Nếu tăng điện áp và công suất nhận lại được giảm -> chu kỳ sau sẽ giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp và công suất nhận lại được tăng -> chu kỳ sau sẽ giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp và công suất nhận lại được giảm -> chu kỳ sau sẽ tăng điện áp

Suy ra lưu đồ thuật toán P&O sẽ như sau:

- Xác định giá trị ban đầu cho PV bao gồm: V, I, P tại thời điểm k

- Đo và kiểm tra giá trị từ PV bao gồm: V, I, P tại thời điểm k+1

- So sánh P(k+1) và P(k) o Nếu P(k+1) = P(k) thì V(k) = V(k+1) o Nếu P(k+1)  P(k) thì tiếp tục so sánh V(k+1) và V(k) và sau đó, ra quyết định tăng hoặc giảm điện áp.

Thuật toán Perturb and Observe (P&O) phụ thuộc rất lớn vào thời gian lấy mẫu để so sánh; khi cường độ chiếu sáng không đổi, P&O hoạt động tốt và xác định chính xác điểm công suất tối đa (MPP) của hệ PV Ngược lại, nếu cường độ chiếu sáng biến động, thuật toán có thể xác định sai vị trí của điểm MPP Ví dụ minh họa trong hình 2.11 cho thấy khi cường độ bức xạ tăng lên, đường cong công suất thay đổi từ P1 sang P2, cho thấy tính nhạy của thuật toán với sự biến thiên của điều kiện chiếu sáng.

Vào thời điểm k, hệ thống tìm điểm cực đại (P&O) đang điều khiển hệ thống PV ở điểm A Đến thời điểm k+1, cường độ bức xạ tăng nhanh; theo điều kiện P(k+1) > P(k) và V(k+1) > V(k) của thuật toán P&O, hệ thống sẽ tăng điện áp và điểm làm việc lúc này sẽ trở thành điểm C, tuy nhiên điểm C tại thời điểm này chưa phải là điểm cực đại thực sự.

Trong hệ thống PV dùng thuật toán P&O để xác định điểm cực đại công suất, vị trí MPPT có thể bị lệch sau vài chu kỳ lấy mẫu khi cường độ bức xạ thay đổi nhanh Thuật toán Perturb and Observe thực hiện các lần điều chỉnh và quan sát công suất, nhưng biến động đột ngột của bức xạ mặt trời khiến tín hiệu lấy mẫu không kịp thích nghi, dẫn đến sai lệch điểm tối ưu và giảm hiệu suất hệ thống Để khắc phục, có thể tăng tần số lấy mẫu, áp dụng lọc tín hiệu hoặc kết hợp P&O với các phương pháp MPPT khác như incremental conductance để duy trì tối ưu liên tục bất chấp biến thiên bức xạ.

Trong trường hợp cường độ bức xạ tăng hoặc giảm, thuật toán P&O có thể bị sai khi chu kỳ lấy mẫu không đúng Hệ thống tìm điểm công suất cực đại (MPPT) không phân biệt được sự tăng công suất do thay đổi cường độ bức xạ với sự dao động của điện áp khi vận hành, khiến thuật toán liên tục tăng hoặc giảm điện áp để theo dõi cực đại và làm giảm hiệu suất hệ thống.

Hình 2.11 Sự xác định sai điểm cực đại của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ không ổn định

Thuật toán INC có thể khắc phục nhược điểm của thuật toán P&O trong điều kiện thời tiết không ổn định, giúp tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống PV Nhờ dựa trên tổng điện dẫn gia tăng của hệ thống PV, INC xác định điểm công suất cực đại một cách hiệu quả và ổn định hơn so với P&O.

Thuật toán INC sử dụng dựa theo đặc điểm của độ dốc đường đặc tính P-V của hệ thống PV như ở hình 2.12

Hình 2.12 Thuật toán INC Thuật toán INC có thể được mô tả lại như sau:

∆ (2.17) Tại thời điểm đó, (1) có thể được mô tả lại như sau:

Thuật toán INC hoạt động bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời và giá trị điện dẫn gia tăng ∆

Trong hệ thống PV, mục tiêu là xác định và vận hành tại điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) Tại MPP, điện áp tham chiếu Vref bằng với VMPP Khi MPP được xác định, hệ thống PV được duy trì ở điểm làm việc tối ưu này trừ khi có sự biến đổi của dòng điện ΔI phản ánh sự biến đổi của điều kiện thời tiết và của vị trí MPP Độ lớn của điện dẫn tăng lên sẽ quyết định tốc độ tìm ra MPP: nếu điện dẫn tăng quá nhiều, hệ thống có thể hoạt động sai lệch tại MPP và xảy ra dao động Ưu điểm chính của thuật toán INC là cho kết quả tốt nhất khi thời tiết biến đổi nhanh, đồng thời nó có dao động quanh MPP nhỏ hơn so với thuật toán P&O; tuy nhiên, nhược điểm của INC là mạch điều khiển phức tạp hơn so với P&O.

Lưu đồ của thuật toán IC được biểu diễn như hình 2.13

Hình 2.13 Lưu đồ thuật toán của thuật toán điện dẫn gia tăng INC

Giới thiệu thuật toán BAT và bộ điều khiển mờ

Thuật toán tối ưu hóa dơi là một thuật toán metaheuristic lấy cảm hứng từ hành vi săn mồi bằng tiếng vang của dơi, được đề xuất vào năm 2010 bởi Yang Khả năng định vị bằng tiếng vang giúp dơi ước lượng khoảng cách tới con mồi và xác định hướng di chuyển dựa trên tín hiệu hồi đáp, và trong cơ chế này mỗi dơi đại diện cho một nghiệm với vị trí x_i, vận tốc v_i, tần số f_i và các tham số liên quan đến tín hiệu như A_i (độ lớn) và r_i (tần suất phát) Dơi di chuyển trong không gian tìm kiếm bằng cách cập nhật vị trí và vận tốc dựa trên tín hiệu và hàm mục tiêu, đồng thời khi tìm thấy nghiệm tốt hơn sẽ cập nhật vị trí tốt nhất toàn cục Khi đến gần con mồi, tín hiệu phát ra tăng lên và độ lớn tín hiệu giảm xuống, tạo điều kiện chuyển từ khám phá sang khai thác, từ đó tăng khả năng tìm ra lời giải tối ưu cho các bài toán phức tạp Nhờ sự kết hợp giữa cơ chế định vị bằng tiếng vang và điều chỉnh tham số liên tục, thuật toán BAT cho hiệu suất đáng kể trên các bài toán tối ưu hóa khó khăn.

Nghiên cứu này đề xuất sự kết hợp giữa BAT (Bat Algorithm) và FLC (Fuzzy Logic Controller) để tối ưu MPPT trong các hệ thống điện mặt trời thuộc PSC Thuật toán BAT mô tả quá trình tìm kiếm bằng cách các con dơi bay theo các hướng ngẫu nhiên với vận tốc vi và vị trí xi để săn mồi, dựa trên khả năng định vị bằng tiếng vang ở tần số cố định với bước sóng thay đổi Quá trình bắt đầu với một quần thể chính gồm n con dơi ảo và mỗi con dơi chỉ ra một giải pháp khả thi được phân bố ngẫu nhiên trong vùng tìm kiếm Việc kết hợp FLC cho phép điều chỉnh tham số của BAT, từ đó tăng cường ổn định vận hành và hiệu suất MPPT cho hệ thống điện mặt trời PSC.

Quy trình tiến hành đánh giá vị trí của tất cả các con dơi và chỉ định con có giá trị thể lực (fitness) phù hợp nhất với mức thể lực mong muốn nhất Sau đó, các con dơi được cập nhật vị trí và tốc độ bằng các phương trình (2.19)–(2.21) Các vị trí cập nhật của tất cả các con dơi được đánh giá lại và sắp xếp theo giá trị thể lực, và hoạt động này được lặp đi lặp lại cho đến khi xác định được con dơi tốt nhất có vị trí tối ưu, nhằm đạt được sản lượng điện PV mong muốn [32] min ( max min ) f i = f + f − f α (2.19)

Trong thuật toán dơi, mỗi dơi i có vị trí x_i và vận tốc ν_i tại thời điểm t, và tần số f_i được sinh ngẫu nhiên trong khoảng f_min đến f_max cho từng con dơi; giá trị ngẫu nhiên α được sinh từ khoảng [0,1] và coi là bắt buộc Vị trí của giải pháp tổng thể được biểu thị bằng x*, trong khi tần số f_i thay đổi theo giới hạn f_min và f_max cho dơi i Vị trí mới và vận tốc cho lần lặp tiếp theo được biểu thị bằng x_i^t và ν_i^t Công thức cập nhật vị trí được cho ở dạng x_i^{t,new} = x_i^{t,old} + ε L_t, với ε ∈ [-1,1] cho biết một số ngẫu nhiên và L_t thể hiện âm lượng của mỗi con dơi tại thời điểm này L_min = 0 có nghĩa là dơi đã phát hiện con mồi và tạm thời ngừng truyền âm thanh.

L    L (2.23) Cần lưu ý rằng β biểu thị một hằng số có giá trị trong khoảng [0, 1] Hình 2.14 chỉ ra cơ chế của thuật toán tối ưu hóa BAT

Hình 2.14 Lưu đồ của thuật toán tối ưu BAT

Vấn đề chính với FLC phổ biến liên quan đến việc xác định chức năng thành viên không phù hợp Vì vậy, nhiều giải pháp đã được đưa ra để giải quyết vấn đề này Các giải pháp này dựa trên việc sử dụng các thuật toán tối ưu hóa heuristic và meta-heuristic nhằm điều chỉnh các hệ số tỷ lệ một cách mong muốn Tham khảo [27].

Bài viết trình bày một số thuật toán điều chỉnh tham số của hệ thống điều khiển FLC Trong đó, thuật toán tối ưu hóa BAT được dùng do mức độ phức tạp của bài toán và nhằm thiết lập các hệ số tỉ lệ cho các hàm thành viên của FLC Hình 2.4.1.1 mô tả cấu hình sơ đồ điều khiển được đề xuất Điểm mấu chốt là số biến tối ưu hóa sẽ giảm đáng kể khi thay thế các khoảng tập mờ bằng các hệ số tỉ lệ của các hàm liên thuộc Các quy trình được mô tả nhằm đạt được MPP ở tốc độ cao Chỉ số sai số tuyệt đối theo thời gian tích phân (ITAE) được sử dụng làm hàm mục tiêu và được thể hiện bởi công thức (2.24).

Trong đề xuất FLC thích ứng, thuật toán MPPT được khởi tạo với chu kỳ nhiệm vụ chính Đồng thời, PPV(k) được xác định dựa trên điện áp VPV và dòng IPV của bộ kích điện Dựa trên biến thiên của sản lượng điện, chu kỳ làm việc được xác định sao cho phù hợp Các giá trị điện áp và dòng điện mới được lấy mẫu và công suất PPV mới tại bước (k+1) được tính Bằng cách so sánh công suất hiện tại với công suất ở bước trước, giá trị của chu kỳ nhiệm vụ được điều chỉnh và quá trình tiếp tục cho đến khi đạt được MPP.

Chương 2 nêu rõ cấu tạo của mô hình quang điện và mô hình pin mặt trời, đồng thời phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của module PV gây ra sự giảm khi vận hành thực tế Bên cạnh đó, bài viết trình bày các thuật toán tìm điểm cực đại công suất (MPP) của tấm pin mặt trời nhằm đánh giá và so sánh hiệu quả với thuật toán lai BAT-FLC Việc nắm được cấu trúc và các yếu tố giảm hiệu suất giúp hiểu rõ hơn về cách tối ưu hoá PV và lựa chọn phương pháp tối ưu cho việc đạt MPP ở các điều kiện vận hành khác nhau.

MÔ HÌNH HOÁ TRÊN PHẦN MỀM MATLAB VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG

Kết quả mô phỏng và bàn luận

Đây là một phương pháp MPPT tổ hợp dựa trên thuật toán BAT và FLC cho các ứng dụng điện mặt trời, với một mảng PV gồm năm mô-đun và hệ BES kèm theo Sơ đồ kiểm soát được trình bày đã được đánh giá bằng mô phỏng các nghiên cứu điển hình Kết quả cho thấy BAT-FLC thể hiện hiệu suất tốt so với các kỹ thuật MPPT nổi tiếng như P&O, INC và FLC, đặc biệt khi đối phó với những thay đổi đột ngột của điều kiện khí hậu Kết quả xác minh rằng hiệu suất của hệ PV trang bị BAT-FLC đạt tới 99,9%, trong khi các kỹ thuật khác chỉ đạt tối đa 98% Mô phỏng cũng cho thấy dao động quanh MPP được hạn chế và tốc độ theo dõi nhanh hơn so với các thuật toán khác Khi PSC xảy ra, các kỹ thuật MPPT phổ biến không có khả năng tìm GM và bị mắc kẹt ở LM; thuật toán được đề xuất có khả năng cung cấp sản lượng điện ổn định đồng thời đạt GM và MPPT Hệ thống được trình bày cũng có thể hoạt động hiệu quả cho dòng điện giữa lưới điện và hệ thống năng lượng lai.

4.2 Ưu Nhược điểm của các Phương pháp

 Ưu điểm Đạt được tốc độ theo dõi cao hơn hơn, hiệu suất tối đa thu được cao hơn và dao động xung quanh MPP rất hạn chế

- Hệ thống phức tạp hơn

- Tiêu tốn năng lượng nhiều hơn

- Kinh phí để thực hiện sẽ cao hơn

- Khó có thể ứng dụng điều khiển online

4.3 Hướng Nghiên cứu tiếp theo Tiếp theo

 Thực hiện chương trình điều khiển đã phát triển trên bảng PV thực để đánh giá các khía cạnh thực tế;