NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Hệ thống năng lượng điện mặt trời là một thống lớn nên có rất nhiều vấn đề cần được cải tiến và phát triển cho hệ thống, trong khuôn khổ của luận án tác giả tập trung nghiên cứu phát tri

Lý do chọn đề tài

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng xanh và vô tận, ngày càng đóng vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại [1, 116] So với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, phong điện, nhiệt điện hay điện hạt nhân, NLMT nổi bật với đặc điểm không gây ô nhiễm môi trường, độ an toàn cao, và khả năng phân bố rộng khắp mọi nơi với các cấp công suất khác nhau từ vài chục W đến hàng trăm MW Chỉ cần chuyển hóa 0.1% năng lượng mặt trời trên toàn cầu thành điện năng với hiệu suất 5%, mỗi năm chúng ta có thể thu được khoảng 5.6×10^12 kWh, gấp 40 lần tổng sản lượng điện hiện tại của toàn cầu, thể hiện tiềm năng to lớn của nguồn năng lượng này để đáp ứng nhu cầu năng lượng tương lai.

Tại Châu Âu trong năm 2010, tổng lượng điện năng NLMT của khối EU đã đạt tới

Dự kiến, tổng công suất năng lượng mặt trời của Nhật Bản sẽ đạt 54 GW vào năm 2020, thể hiện sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng tái tạo tại quốc gia này Trong chiến lược phát triển năng lượng, Nhật Bản đặt mục tiêu đạt tổng sản lượng điện từ năng lượng mặt trời lên tới 1000 GW vào năm 2030, khẳng định cam kết đẩy mạnh ứng dụng năng lượng sạch và bền vững Châu Á, đặc biệt là Nhật Bản, hiện đang dẫn đầu về hệ thống năng lượng mặt trời lớn nhất khu vực, góp phần thúc đẩy chuyển đổi sang các nguồn năng lượng xanh.

Trung Quốc, với dân số lớn nhất thế giới và vị trí một trong các cường quốc kinh tế, đang nỗ lực phát triển hệ thống năng lượng mặt trời, dự kiến đến năm 2020 sản lượng điện NLMT của quốc gia này sẽ đạt 1.8 GW Trước năm 1999, Mỹ là quốc gia có sản lượng điện NLMT lớn nhất thế giới, nhưng hiện nay vị trí này đã thuộc về Nhật Bản và EU; Mỹ có tốc độ phát triển NLMT trung bình hàng năm khoảng 30% và dự kiến đến năm 2020, dung lượng điện NLMT của Mỹ sẽ đạt 36 GW, mở rộng lên tới 200 GW vào năm 2030.

Hình 1.1 thể hiện công suất điện được sản xuất bởi năng lượng mặt trời từ năm

2000 tới 2013 tại một số nước trên thế giới ngày càng phát triển, đặc biệt các nước Châu Âu phát triển rất mạnh.[126]

Hình 1.1 Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013

Hình 1.2 cho thấy sự giảm mạnh của giá pin quang điện tại Mỹ từ 76 USD/watt vào năm 1977 xuống còn 0,3 USD/watt vào năm 2015 Sự giảm giá này đã góp phần làm giảm chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời, tạo điều kiện thúc đẩy sự phát triển của các hệ thống điện mặt trời trên toàn cầu.

Hình 1.2 Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015

Lĩnh vực điện mặt trời trên thế giới đã trải qua quá trình phát triển chậm trong những năm đầu của thế kỷ 20, nhưng nhanh chóng tăng tốc vào cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 nhờ vào những tiến bộ công nghệ và chính sách hỗ trợ Sự bùng nổ của các dự án năng lượng mặt trời đã đưa ngành này trở thành một trong những lĩnh vực năng lượng sạch phát triển mạnh mẽ nhất hiện nay Các quốc gia trên thế giới đang đẩy mạnh đầu tư vào năng lượng mặt trời nhằm giảm phát thải khí nhà kính và hướng tới nền kinh tế xanh bền vững Trong giai đoạn hiện nay, lĩnh vực điện mặt trời có tiềm năng lớn để góp phần đảm bảo an ninh năng lượng và thúc đẩy phát triển kinh tế xanh.

Trong 10 năm gần đây, lĩnh vực năng lượng mặt trời đã phát triển mạnh mẽ và mang tính bộc phá, với số lượng các quốc gia gia nhập cộng đồng điện mặt trời ngày càng tăng Thứ hạng theo tổng công suất điện năng mặt trời cũng liên tục biến động từ năm này sang năm, phản ánh sự cạnh tranh và đổi mới không ngừng trong ngành Đặc biệt, trong khoảng 5 năm gần đây, các cường quốc về điện mặt trời đã có những bước tiến vượt bậc, và thứ tự xếp hạng của các quốc gia này thay đổi nhanh chóng theo từng năm.

Hoa Kỳ là một trường hợp đặc biệt trong lĩnh vực phát triển năng lượng mặt trời khi đất nước này bắt đầu tiến hành từ muộn nhưng lại đạt được tốc độ phát triển ấn tượng, thể hiện tiềm năng lớn của quốc gia cường quốc giàu mạnh nhất thế giới trong chuyển dịch năng lượng sạch.

Hình 1.3 Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farm (Hoa Kỳ)

Trong vòng 4-5 năm gần đây, Mỹ đã vượt qua nhiều quốc gia để vươn lên vị trí thứ 5 trong bảng xếp hạng năng lượng mặt trời toàn cầu Chính phủ Mỹ đã đầu tư xây dựng các nhà máy điện mặt trời quy mô lớn nhất thế giới, chiếm lĩnh 5 vị trí hàng đầu về quy mô cả về điện mặt trời quang điện (SVP) và điện mặt trời nhiệt quang tập trung (CSP) Sự phát triển này cho thấy tổng công suất và diện tích lắp đặt các nhà máy năng lượng mặt trời tại Mỹ đã tăng đột biến, phản ánh cam kết của quốc gia này trong việc thúc đẩy năng lượng sạch và bền vững.

Việt Nam là quốc gia có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời (NLMT), nhưng lĩnh vực nghiên cứu và ứng dụng năng lượng này vẫn đang trong giai đoạn phát triển Trước đây, nguồn điện quốc gia chủ yếu dựa vào thủy điện và nhiệt điện, tuy nhiên, việc khai thác năng lượng mặt trời hứa hẹn mang lại nhiều cơ hội để đa dạng hóa nguồn năng lượng quốc gia.

Phát triển các dự án năng lượng mặt trời đóng vai trò quan trọng trong việc bổ sung nguồn năng lượng sạch cho hệ thống điện quốc gia Ngoài các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện và thủy điện, năng lượng mặt trời giúp giảm phát thải nhà kính và bảo vệ môi trường Việc mở rộng năng lượng gió cũng góp phần đa dạng hóa nguồn cung năng lượng tái tạo, thúc đẩy phát triển bền vững cho đất nước Tổng thể, các dự án năng lượng sạch này đóng góp tích cực vào mục tiêu giảm thiểu tác động tiêu cực của biến đổi khí hậu.

Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển năng lượng mặt trời với tổng bức xạ trung bình từ 4,3-5,7 triệu kWh/m², đặc biệt ở phía Nam với khoảng 2.000-2.600 giờ nắng/năm và lượng bức xạ tăng 20% so với phía Bắc, tạo điều kiện thuận lợi để khai thác tiềm năng NLMT quanh năm Tuy nhiên, thực tế hiện nay, việc khai thác NLMT chưa tương xứng với tiềm năng do phần lớn các dự án tập trung ở phía Nam trung bộ và công nghệ nối lưới còn mới mẻ tại Việt Nam Theo Quyết định số 2068/QĐ-TTg ban hành ngày 25/11/2015, Chính phủ đã đặt mục tiêu phát triển điện mặt trời đến năm 2050, nâng tỷ lệ sản xuất điện từ NLMT từ mức không đáng kể lên 0,5% vào năm 2020, 6% vào năm 2030 và 20% vào năm 2050 Quy hoạch điện VII (được điều chỉnh) cũng yêu cầu đẩy nhanh tiến độ các dự án điện mặt trời, phấn đấu đạt công suất khoảng 850 MW vào năm 2020 và 4.000 MW vào năm 2025, bao gồm các nguồn năng lượng mặt trời lắp đặt trên mặt đất và trên mái nhà.

Đến năm 2030, tổng công suất điện mặt trời của Việt Nam dự kiến đạt 12.000 MW Theo lộ trình phát triển năng lượng sạch, từ nay đến năm 2020, Việt Nam cần xây dựng các dự án điện mặt trời với công suất 200 MW mỗi năm để đáp ứng mục tiêu chung Trong giai đoạn 2020 - 2025, cần lắp đặt hơn 600 MW mỗi năm nhằm đẩy nhanh sự phát triển năng lượng tái tạo Từ năm 2025 đến 2030, quốc gia đặt mục tiêu lắp đặt thêm 1.600 MW mỗi năm để hoàn thành kế hoạch xây dựng hệ thống điện mặt trời đủ để đạt đến mức 12.000 MW vào năm 2030.

Thách thức lớn nhất đối với phát triển điện mặt trời là chi phí đầu tư ban đầu cao, do công nghệ và thiết bị sản xuất đều phải nhập khẩu từ nước ngoài.

Hầu hết các dự án điện mặt trời lớn đều được tài trợ bằng nguồn vốn viện trợ hoặc vay vốn từ các tổ chức quốc tế Tuy nhiên, việc lắp đặt các dự án này thường diễn ra tại những vị trí xa trung tâm phụ tải, gây nhiều khó khăn trong việc kết nối vào lưới điện quốc gia Điều này không những làm tăng chi phí đấu nối mà còn ảnh hưởng đến hiệu quả phát triển năng lượng mặt trời trong nước.

Hình 1.4 Hệ thống đ iện mặt trời tại Ninh Thuận

Vào tháng 8/2016, Thủ tướng Chính phủ đã thống nhất xem xét ban hành cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam, dựa trên đề xuất của Bộ Công Thương tại cuộc họp Thường trực Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển năng lượng mặt trời Thủ tướng yêu cầu Bộ Công Thương bổ sung quy định cụ thể về quy hoạch điện mặt trời, bao gồm phát triển các dự án theo bản đồ bức xạ mặt trời và tích hợp các dự án điện sử dụng năng lượng mặt trời vào quy hoạch phát triển điện lực Ngoài ra, cần cập nhật giá thiết bị điện mặt trời để xác định mức giá mua bán điện phù hợp, đồng thời nghiên cứu, bổ sung quy định nhằm thúc đẩy đấu thầu các dự án điện mặt trời minh bạch và công khai.

Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án

Hệ thống năng lượng điện mặt trời là một lĩnh vực lớn đòi hỏi cần nhiều cải tiến và phát triển để tối ưu hoá hiệu suất Các nghiên cứu hiện nay tập trung vào nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng, giảm chi phí sản xuất và lắp đặt hệ thống, cũng như phát triển các công nghệ mới như pin mặt trời bán dẫn hiệu quả cao và hệ thống lưu trữ năng lượng tối ưu Việc tối ưu hoá thiết kế và tích hợp các thành phần của hệ thống giúp nâng cao khả năng vận hành bền bỉ, ổn định và tiết kiệm chi phí cho người dùng Đồng thời, các xu hướng phát triển này còn hướng tới việc mở rộng ứng dụng của năng lượng mặt trời trong các khu vực còn nhiều tiềm năng chưa khai thác, góp phần thúc đẩy năng lượng sạch và bền vững cho tương lai.

Cải tiến nâng cao hiệu suất quang điện là lĩnh vực nghiên cứu mạnh trong khoa học vật liệu, với các nhà khoa học luôn tìm kiếm và sử dụng công nghệ nano để phát triển vật liệu chế tạo pin quang điện Những vật liệu này có khả năng hấp thụ năng lượng mặt trời tối ưu, giúp tăng hiệu suất của pin quang điện và mở ra khả năng ứng dụng lâu dài, bền vững hơn trong lĩnh vực năng lượng sạch.

Để nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời đạt công suất cực đại, sử dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh là giải pháp tối ưu Một hướng tập trung vào việc điều khiển hệ thống nâng đỡ các tấm pin PV để luôn hướng về phía nhận ánh sáng mặt trời tối đa, phù hợp với sự di chuyển chậm của mặt trời trên bầu trời Do mức di chuyển của mặt trời diễn ra chậm, các thuật toán điều khiển trong hệ thống này khá đơn giản, dễ điều chỉnh Hướng còn lại là thiết kế bộ điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking) giúp hệ thống năng lượng điện mặt trời hoạt động ở công suất tối đa trong suốt quá trình vận hành, góp phần nâng cao hiệu quả thu năng lượng MPPT không phải là hệ thống điều khiển cơ khí hướng, mà là hệ thống điều khiển điện tử tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng.

Hệ thống PV cần hướng về mặt trời để tối ưu công suất phát điện MPPT là công nghệ điều khiển điện tử giúp xác định điểm làm việc tối ưu của pin mặt trời, nhằm đạt công suất tối đa Việc sử dụng MPPT giúp nâng cao hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng mặt trời vào hệ thống điện Do đó, hướng PV đúng hướng kết hợp với hệ thống MPPT sẽ tối đa hóa sản lượng điện năng thu được từ hệ thống quang điện.

Trong hệ thống năng lượng điện mặt trời, có 8 hướng nghiên cứu và phát triển nổi bật nhất, đặc biệt là khả năng dễ dàng tích hợp các kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và thông minh Sự phát triển của kỹ thuật điện tử và công nghệ thông tin góp phần thúc đẩy ứng dụng các giải pháp tự động hóa, tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời Các hướng nghiên cứu này nhằm nâng cao hiệu quả vận hành, giảm thiểu chi phí bảo trì và đảm bảo hệ thống hoạt động bền vững trong tương lai.

Hiện nay, khi tìm kiếm từ khóa ‘‘MPPT’’ trên Google, kết quả trả về hơn 8.500.000 bài viết, cho thấy sự quan tâm và nghiên cứu phong phú về chủ đề này Các bộ điều khiển MPPT ban đầu chủ yếu sử dụng các thuật toán dò điểm công suất cực đại truyền thống như Hill Climbing, P&O và INC, với ưu điểm đơn giản, ít tính toán Tuy nhiên, cũng có những nhược điểm đã được đề cập trong các tài liệu tham khảo [20] – [25], và nhiều nghiên cứu đã phát triển các thuật toán này nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống Ngoài ra, các nhà khoa học còn ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại và thông minh như Fuzzy Logic Control (FLC) [31], Neural Network (NN) [34], Particle Swarm Optimization (PSO) [102] – [104], để tối ưu hóa quá trình tìm điểm công suất cực đại của bộ điều khiển MPPT.

Nghiên cứu phát triển các bộ biến đổi công suất DC/DC, DC/AC nhằm nâng cao hiệu suất và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống là một lĩnh vực quan trọng Điện áp đầu ra từ các tấm pin PV thường có giá trị thấp và một chiều, do đó cần sử dụng các bộ chuyển đổi như DC/DC hoặc DC/AC hoặc kết hợp cả hai để cung cấp nguồn điện phù hợp cho các tải lớn, tải xoay chiều hoặc hòa vào lưới điện quốc gia Các bộ chuyển đổi này phải hoạt động ổn định và có hiệu suất cao, đòi hỏi sự kết hợp chặt chẽ giữa công nghệ điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển Hiện nay, các bộ chuyển đổi DC/AC thường áp dụng các thuật toán điều chế phức tạp như SVPWM và các kỹ thuật điều chế nhiều bậc nhằm tối ưu hóa hiệu suất và độ ổn định của hệ thống.

- Nghiên cứu giải pháp anti-islanding nâng cao độ đáp ứng nhanh cũng như độ an toàn của hệ thống NLMT trong quá trình hoạt động

Trong bài viết này, tác giả nhấn mạnh mục tiêu nghiên cứu thiết kế tối ưu công suất cho hệ thống năng lượng điện mặt trời nhằm nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống Các hướng phát triển và nghiên cứu về hệ thống năng lượng mặt trời đã được trình bày rõ ràng, góp phần thúc đẩy hiệu quả và độ tin cậy của các giải pháp năng lượng sạch Luận án tập trung vào việc tối ưu hóa công suất để đảm bảo hệ thống hoạt động hiệu quả nhất, phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu hiện đại Nội dung nghiên cứu bao gồm phân tích các phương pháp tối ưu hóa, thiết kế hệ thống phù hợp và nâng cao khả năng vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời.

 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống năng lượng điện mặt trời

Hệ thống năng lượng điện mặt trời được xây dựng với các thành phần cơ bản như tế bào quang điện (PV cell), bộ chuyển đổi DC/DC, biến tần sử dụng công nghệ SVPWM, cũng như hệ thống đo lường và điều khiển để đảm bảo hoạt động tối ưu Mô hình này tích hợp các thành phần chính nhằm chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng, kiểm soát và giám sát hiệu quả hệ thống Việc thiết kế hệ thống này giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng, giảm thiểu tổn thất và tối ưu hoá hoạt động của nguồn điện mặt trời trong điều kiện thực tế.

 Nghiên cứu đưa ra thuật toán-giải pháp mới để điều khiển thu nhận công suất solar cực đại (MPPT- Maximum Power Point Tracking)

 Xây dựng mô hình mô phỏng hệ thống trên máy tính

Thiết kế mô hình hệ thống năng lượng mặt trời tự động hòa lưới có kiểm soát và giám sát là một giải pháp hiệu quả giúp tối ưu hóa quá trình chuyển đổi năng lượng Hệ thống bao gồm các thành phần chính như bộ boost điện áp DC, bộ biến tần SVPWM, board điều khiển và thuật toán điều chế biến tần – điều khiển và giám sát hệ thống để đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả cao Việc sử dụng bộ biến tần SVPWM giúp nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng, trong khi board điều khiển và thuật toán điều chế giúp tối ưu hóa quá trình kiểm soát hệ thống năng lượng mặt trời theo tiêu chuẩn an toàn và bền vững.

Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tập trung vào hệ thống năng lượng điện mặt trời, với mục tiêu phát triển các thuật toán tối ưu hóa công suất cho hệ thống này Để đạt được mục tiêu, tác giả đã thực hiện các bước chính gồm nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng mặt trời, phân tích các thuật toán tối ưu, và đề xuất các thuật toán mới nhằm nâng cao hiệu suất hệ thống Các kết quả được mô phỏng trên phần mềm MATLAB để kiểm chứng tính khả thi, cuối cùng là thiết kế hệ thống điện mặt trời thực tế nối lưới Phương pháp nghiên cứu bao gồm nghiên cứu tài liệu chuyên sâu, mô hình hóa, phân tích đánh giá, và các thử nghiệm thực nghiệm để đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy của đề án.

Điểm mới của luận án

Nghiên cứu đề xuất các cải tiến trong thuật toán INC nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển MPPT của hệ thống PV, giúp hệ thống nhanh chóng hội tụ về điểm công suất cực đại Các cải tiến này giúp giảm dao động quanh điểm công suất cực đại, làm hẹp vùng dao động và giảm thiệt hại công suất phát do dao động, từ đó nâng cao hiệu suất tổng thể của hệ thống Kỹ thuật cập nhật thuật toán INC mới giúp hệ thống tìm điểm tối ưu nhanh hơn, ổn định hơn và tiết kiệm năng lượng hơn.

Nghiên cứu đề xuất sử dụng thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO) và thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loại (PPSO) trong bộ điều khiển MPPT nhằm nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống PV Các kỹ thuật điều khiển dựa trên DPSO và PPSO đã được thử nghiệm thành công trên mô hình hệ thống thực tế, cho thấy năng lượng đầu ra đạt trên 99% trong hầu hết các điều kiện môi trường với ít lần lặp Kết quả mô phỏng xác nhận rằng các thuật toán đề xuất vượt trội hơn so với các phương pháp truyền thống, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng của hệ thống PV.

10 minh khả năng loại bỏ được các nhược điểm khi áp dụng thuật toán truyền thống cho các bộ điều khiển MPPT của hệ thống PV

Nghiên cứu chế tạo thiết bị thực nghiệm hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới giúp đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống Hệ thống này không chỉ phục vụ các thử nghiệm liên quan đến hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống năng lượng mặt trời mà còn hỗ trợ nghiên cứu, phát triển các dự án lập trình điều khiển ứng dụng trong lĩnh vực năng lượng tái tạo Các ứng dụng của hệ thống này đóng vai trò quan trọng trong việc thúc đẩy nghiên cứu và phát triển công nghệ năng lượng mặt trời, góp phần nâng cao hiệu quả và khả năng mở rộng của các hệ thống năng lượng sạch.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Trong lĩnh vực khoa học năng lượng mặt trời, các nghiên cứu đã tập trung vào việc đề xuất và phát triển các thuật toán tối ưu cho bộ điều khiển MPPT nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời Những thuật toán này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, tối đa hóa lượng điện năng thu được từ nguồn năng lượng mặt trời Việc áp dụng các công nghệ mới trong điều khiển MPPT góp phần cải thiện hiệu suất và độ bền của hệ thống, thúc đẩy sự phát triển của ngành năng lượng sạch và bền vững.

Trong thực tế, việc kiểm chứng khả năng ứng dụng của các giải thuật đề xuất cho bộ điều khiển MPPT của hệ thống PV là điều hết sức quan trọng Bạn cần sử dụng các công cụ phần mềm để mô phỏng các thuật toán nhằm đánh giá hiệu quả trước khi triển khai thực tế Đồng thời, hệ thống thực nghiệm là phương pháp không thể thiếu để xác định độ tin cậy và khả năng hoạt động ổn định của các giải pháp trong điều kiện vận hành thực tế của hệ thống PV.

1.5 Bố cục của luận án

Bố cục của luận án bao gồm 6 chương như sau:

Trong chương này, tác giả trình bày lý do chọn đề tài nghiên cứu, mục tiêu nội dung và đối tượng phạm vi khảo sát, đồng thời giới thiệu phương pháp nghiên cứu phù hợp để đạt được kết quả mong muốn Ngoài ra, chương còn đề cập đến những điểm mới của luận án, cùng với ý nghĩa khoa học và thực tiễn của nghiên cứu về hệ thống năng lượng điện mặt trời Phần Tổng quan về hệ thống năng lượng điện mặt trời cung cấp cái nhìn tổng thể về xu hướng phát triển, các công nghệ tiên tiến và ưu điểm của năng lượng mặt trời trong bối cảnh chuyển đổi năng lượng toàn cầu.

Chương này cung cấp tổng quan về hệ thống năng lượng điện mặt trời, giới thiệu các thành phần chính của hệ thống như tấm pin năng lượng mặt trời và các bộ phận kết nối Ngoài ra, bài viết phân tích đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời, bao gồm hiệu suất hoạt động và khả năng chuyển đổi năng lượng Tác giả cũng đưa ra các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sự phát triển của hệ thống năng lượng mặt trời, như công nghệ mới, chi phí lắp đặt và chính sách hỗ trợ Nội dung này giúp người đọc hiểu rõ hơn về cấu trúc và tiềm năng của năng lượng mặt trời trong lĩnh vực năng lượng tái tạo.

Chương 3 : Nghiên cứu phát triển bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện mặt trời

Chương 3 tác giả giới thiệu về điều khiển dò tìm công suất cực đại (MPPT) và các yếu tố ảnh hưởng đến điểm công suất cực Tác giả giới thiệu một số thuật toán điều khiển MPPT đã sử dụng và nhấn mạnh thuật toán độ dẫn gia tăng (INC) và đưa ra các cải tiến phát triển cho thuật toán INC áp dụng trong điều khiển MPPT của hệ thống năng lượng điện mặt trời Đồng thời tác giả nghiên cứu thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) một thuật toán tối ưu hiện đại áp dụng để tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống năng

Bài viết trình bày về 11 lượng điện mặt trời nhằm cải thiện những nhược điểm của các thuật toán cổ điển trong tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời Đồng thời, tác giả đề xuất các phát triển mới của thuật toán PSO (Particle Swarm Optimization) để áp dụng trong điều khiển MPPT (Maximum Power Point Tracking) Các cải tiến này nhằm tăng tốc độ đạt trạng thái tối ưu và tránh hiện tượng tối ưu cục bộ, từ đó nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống năng lượng mặt trời.

Chương 4 : Mô phỏng kiểm chứng các thuật toán MPPT phát triển cho hệ thống năng lượng điện mặt trời

Chương này trình bày kết quả mô phỏng hệ thống PV sử dụng phần mềm Matlab-Simulink, đánh giá hiệu quả của các thuật toán truyền thống và thuật toán đề xuất trong điều khiển MPPT của hệ thống năng lượng mặt trời Các kết quả cho thấy khả năng tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời với các thuật toán mới đề xuất vượt trội hơn so với các phương pháp truyền thống Phân tích mô phỏng xác nhận tính ưu việt của các thuật toán mới trong việc nâng cao hiệu suất hệ thống PV dưới các điều kiện vận hành khác nhau Nghiên cứu này góp phần chứng minh rằng các thuật toán đề xuất có tiềm năng ứng dụng rộng rãi để cải thiện hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời.

Chương 5: Thiết kế chế tạo hệ thống thực nghiệm năng lượng điện mặt trời

Trong chương này, tác giả giới thiệu quá trình thiết kế và chế tạo hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới 3 pha có công suất khoảng 300W nhằm thực nghiệm và đánh giá hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời Hệ thống này giúp chứng minh khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng phục vụ sinh hoạt và sản xuất, đồng thời cung cấp dữ liệu thực tiễn để tối ưu hóa hiệu suất vận hành Việc nghiên cứu này góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng sạch và bền vững trong đời sống hàng ngày.

Chương 6 : Kết luận và phương hướng phát triển

Đường đặc tuyến của pin quang điện

Hệ thống PV độc lập hỗn hợp tương tự như hệ thống PV độc lập nhưng được bổ sung thêm một máy phát cỡ nhỏ để cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống, giúp duy trì hoạt động ổn định Ưu điểm nổi bật của hệ thống này là công suất của hệ thống PV có thể nhỏ hơn so với công suất tính toán trong điều kiện ánh sáng yếu nhất trong năm Hệ thống sử dụng máy phát dự phòng để bù vào lượng công suất còn thiếu khi điều kiện bức xạ mặt trời yếu, đảm bảo cung cấp đủ năng lượng cho tải sử dụng.

Bộ biến đổi DC/DC

Hình 2.6 Hệ thống PV độc lập hỗn hợp

1.4 Đường đặc tuyến của pin quang điện

2.2.1 Cấu trúc tế bào quang điện

Tế bào quang điện đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện Một tế bào quang điện thường cung cấp công suất dưới 3W với điện áp khoảng 0.5V DC, do đó chúng phải được kết nối thành các hệ thống để tạo ra điện áp và công suất phù hợp Các tế bào này được ghép thành tấm pin quang điện, và nhiều tấm pin ghép lại tạo thành hệ thống pin quang điện, có công suất từ vài trăm đến hơn 300W tùy theo ứng dụng Các tấm pin quang điện phát ra điện áp DC phù hợp cho các tải nhỏ, trong khi đối với tải AC hoặc hòa điện lưới, cần sử dụng biến tần để chuyển đổi sang dòng điện xoáy chiều.

Cấu trúc của chất bán dẫn thông thường như sau: [132]

Hình 2.7 Cấu trúc chất bán dẫn thông thường

Theo hình 2.7, mỗi nguyên tử silicon có 4 electron xung quanh, trong đó các electron mang điện âm (-) và nguyên tử silicon mang điện dương (+) Khi pha trộn silicon với boron, ta thu được một tinh thể có cấu trúc như hình 2.8, tạo ra vật liệu bán dẫn có ứng dụng quan trọng trong công nghiệp điện tử.

Hình 2.8 Cấu trúc chất bán dẫn trộn boron

Hình 2.8 minh hoạ các nguyên tử boron màu vàng, các lỗ trống màu xanh, nguyên tử silicon mang điện tích dương (+) và các điện tử quanh nguyên tử silicon mang điện tích âm (-) Nguyên tử boron chỉ cần 3 điện tử xung quanh để trung hoà điện tích, trong khi nguyên tử silicon cần 4 điện tử mới đạt trạng thái trung hoà, dẫn đến sự hình thành lỗ trống giữa hai nguyên tử silicon và boron Hiện tượng này là đặc trưng của chất bán dẫn loại p, góp phần vào hoạt động của các linh kiện điện tử bán dẫn.

Trong vật liệu bán dẫn, lỗ trống biểu thị điện tích dương và có khả năng hấp thụ các điện tử đến từ các vùng khác, giúp quá trình di chuyển của các điện tử diễn ra hiệu quả hơn Lỗ trống đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra dòng điện, khi các điện tử nhảy vào lỗ trống để lấp đầy vị trí trống, đồng thời gây ra sự dịch chuyển điện tích trong vật liệu Hiểu rõ đặc điểm của lỗ trống giúp tối ưu hóa hiệu suất của các thiết bị điện tử dựa trên chất bán dẫn.

Tương tự, khi phối trộn silicon với phosphor thì chúng ta thu được chất bán dẫn có cấu trúc như hình 2.9

Hình 2.9 Cấu trúc chất bán dẫn trộn phosphor

Trong hình 2.9, bán dẫn loại N (negative) được tạo thành từ nguyên tử phosphor màu vàng xung quanh silicon Nguyên tử phosphor cần 5 điện tử để trung hòa điện tích, trong khi silicon chỉ cần 4 điện tử, do đó thừa ra một điện tử mang điện tích âm Bán dẫn loại P chứa lỗ trống, còn bán dẫn loại N chứa điện tử; khi hai loại này kết hợp, sẽ tạo ra sự chênh lệch điện áp tại điểm tiếp xúc, như minh họa trong hình 2.10.

Hình 2.10 Kết hợp bán dẫn loại p và loại n

Khu vực tiếp xúc giữa hai bán dẫn tạo thành một lớp điện kép, trong đó vùng bán dẫn P mang điện tích âm và vùng bán dẫn N mang điện tích dương Sự hình thành này xảy ra do bán dẫn P chứa nhiều lỗ trống, trong khi bán dẫn N có nhiều điện tử tự do, dẫn đến các điện tử của N di chuyển sang vùng P, tạo ra sự cân bằng điện tích và hình thành lớp điện phân.

P và các lỗ trống của P sẽ chạy sang N

Hình 2.11 Cấu trúc tế bào quang điện Ánh sáng mặt trời chiếu vào tinh thể silicon thì sẽ có sự di chuyển các lỗ trống từ

Khi điện tử từ P di chuyển sang N và ngược lại so với quá trình ban đầu khi ghép N và P như trong hình 2.11, sẽ tạo ra sự chênh lệch điện thế Sự chênh lệch này dẫn đến dòng điện tử chảy từ P sang N, hay nói cách khác, chiều dòng điện là từ N sang P, ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị điện.

Chất bán dẫn thường có điện trở lớn, khiến điện tử dư thừa khi di chuyển từ vùng P sang N, tạo ra nguồn điện khi nối dây dẫn giữa các tấm kim loại phủ trên bán dẫn P và N Tuy nhiên, việc phủ bán dẫn N bằng một tấm kim loại có thể cản trở sự hấp thụ ánh sáng của tinh thể silicon, ngăn cản quá trình tạo dòng điện trong pin mặt trời Để khắc phục, người ta thường sử dụng lưới kim loại mỏng để phủ trên silicon, giúp ánh sáng dễ dàng tiếp cận tinh thể Bề mặt silicon có màu sáng phản xạ nhiều ánh sáng, gây tổn thất năng lượng cho pin mặt trời, chính vì vậy, người ta sơn lớp chống phản xạ mỏng để giảm phản xạ xuống dưới 5%, tối ưu hóa hiệu suất thu nhận ánh sáng.

Tế bào quang điện là thành phần cơ bản trong hệ thống PV, nhưng chỉ có thể sinh ra điện thế và dòng điện rất nhỏ, không đủ đáp ứng nhu cầu tải Để nâng cao công suất, các nhà sản xuất kết nối các tế bào quang điện theo cấu hình song song hoặc nối tiếp, hình thành các module (pin quang điện) Đây là cách tối ưu hóa hiệu suất và khả năng sử dụng của hệ thống năng lượng mặt trời trong các ứng dụng sinh hoạt hàng ngày.

Hình 2.12 Hình ảnh tế bào quang điện và các cách ghép nối

Hệ pin quang điện được tạo thành từ nhiều pin ghép nối nhằm đáp ứng yêu cầu về công suất và điện áp sử dụng Việc lựa chọn kết nối song song hay nối tiếp phụ thuộc vào nhu cầu về dòng điện và điện áp đầu ra Để tăng dòng điện đầu ra, các tấm pin quang điện được ghép song song, còn để tăng điện áp, các pin được ghép nối tiếp như hình 2.13 b).

Hình 2.13 a) Tấm pin quang điện b) Hệ pin quang điện

2.3.3 Mô hình hóa tế bào quang điện

Mô hình của tế bào quang điện [4]

Hình 2.14 Điện tử di chuyển từ lớp n qua tải và trở về lớp p, nơi mà chúng kết hợp với lỗ trống, dòng điện chạy theo hướng ngược lại

Mạch tương đương của tế bào quang điện gồm một dòng điện nguồn ISC, một diode

D, một điện trở song song RP và một điện trở nối tiếp RS như hình 2.14 [4] Trong đó, các điện trở này đại diện cho tổn hao của tế bào quang điện, nguồn ISC là dòng điện được tạo ra từ các photon

Hình 2.15 trình bày mạch tương đương của một tế bào quang điện, giúp hiểu rõ khả năng chuyển đổi ánh sáng thành điện năng Đường đặc tuyến I – V được xác định bằng cách giữ cố định cường độ ánh sáng và nhiệt độ của tế bào quang điện, sau đó thay đổi điện trở của tải để đo dòng điện sinh ra Phương pháp này giúp phân tích đặc tính hoạt động của tế bào quang điện hiệu quả.

Dòng điện ngắn mạch ISC là dòng điện đo được khi nối tắt cực âm và dương với nhau, với điện áp giữa chúng bằng 0 và không có điện trở giữa chúng Điện áp hở mạch VOC là điện áp đo được giữa hai cực âm và dương khi mạch mở, khi đó dòng điện bằng 0 và điện trở giữa chúng vô cùng.

PV I=0 a) b) Hình 2.16 Sơ đồ đo I SC và V OC của pin quang điện

Mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của tế bào quang điện

Dựa vào hình 2.15 ta có:

Do đối với một tế bào có tổn thất do điện trở song song và nối tiếp ít hơn 1% nên RP và RS phải thỏa mãn:

Vậy mối quan hệ giữa dòng điện và điện áp của tế bào quang điện là:

I(A): dòng điện ra tế bào quang điện

Vd(V): điện áp rơi trên diode q(C): điện tích Electron 1.6 x 10 -19 k(J/K): hằng số Boltzman 1.381 x 10 -23

T(K): nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n n: tỷ số diode lý tưởng (1->2)

Dòng điện bão hòa của diode được tính bởi Vd = VOC, I = 0, n = 1.6 [3]

Đặc tuyến I – V của pin quang điện thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện theo công thức (2.6), xác định điểm hoạt động tối ưu của pin Dù điều kiện môi trường thay đổi, pin quang điện chỉ duy trì một điểm hoạt động duy nhất nơi công suất cực đại được đạt được, dựa trên công thức P = I × V Các đường cong công suất P – V và I – V đều cho thấy một điểm hoạt động chung như hình 2.17 a) và b), giúp xác định hiệu quả tối đa của pin quang điện trong quá trình vận hành.

Hình 2.17 a) Đường đặc tuyến I – V , b) Đường đặc tuyến P – V

Hình 2.18 Đường đặc tuyến I – V của tế bào quang điện trường hợp có ánh sáng và không có ánh sáng

Hình 2.19 Đường đặc tuyến I – V của tế bào quang điện trường hợp ảnh hưởng R S , R P và không bị ảnh hưởng

Những yếu tố trọng tâm nghiên cứu phát triển trong hệ thống năng lượng điện mặt trời

Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời đã chỉ ra rằng hệ thống NLMT độc lập thường gặp phải các vấn đề như tổn hao phóng-nạp điện lớn, hạn chế trong điều tiết công suất và giá thành cao Hiện nay, tại Việt Nam, hệ thống NLMT độc lập phổ biến ở quy mô từ vài trăm W đến vài kW cho hộ gia đình, và vài chục kW cho các trung tâm, cơ quan Để thúc đẩy phát triển mạng lưới điện NLMT ở quy mô thương mại, cần ứng dụng hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới, nhưng hệ thống này đối mặt với các thách thức kỹ thuật như điều khiển công suất cực đại MPPT, các giải pháp chống xung tiếng và đảm bảo an toàn hệ thống, quản lý dòng điện điều phối công suất hữu công, vô công, đồng thời giảm thiểu sóng hài để tối ưu hóa hiệu suất vận hành.

Một số điểm chính trong các nghiên cứu phát triển các hệ thống năng lượng điện mặt trời hiện nay là [7- 47] :

 Cải tiến nâng cao hiệu suất quang-điện (Công nghệ chế tạo pin PV hiện nay mới cho phép hiệu suất quang - điện đạt 15%-18% )

 Sử dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh để nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống đạt công suất cực đại

 Nghiên cứu phát triển các bộ biến đổi công suất DC/DC, DC/AC để hệ thống đạt hiệu suất cao và làm việc ổn định

 Nghiên cứu giải pháp anti-islanding nâng cao độ đáp ứng nhanh cũng như độ an toàn của hệ thống NLMT trong quá trình hoạt động

2.3.1 Điều khiển công suất cực đại

Hệ thống MPPT giúp điều khiển PV đạt công suất tối đa trong quá trình hoạt động, đảm bảo hiệu quả tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời Không giống như hệ thống điều khiển cơ khí hướng mặt trời, MPPT là hệ thống điều khiển điện tử chính xác nhằm thiết lập điểm làm việc tối ưu của các tấm pin mặt trời Thuật toán MPPT liên tục theo dõi và điều chỉnh để tối đa hóa công suất đầu ra của hệ thống PV, nâng cao hiệu suất năng lượng và giảm thiểu lãng phí.

Hình 2.20 trình bày sơ đồ cấu trúc điều khiển MPPT, giúp tối ưu hóa năng lượng từ hệ thống PV Các bộ biến đổi DC/DC phổ biến bao gồm ba loại chính: buck, boost và buck-boost Do điện áp làm việc của các tấm pin PV thay đổi lớn do ảnh hưởng của nhiệt độ và cường độ ánh sáng, nên sử dụng bộ boost là giải pháp phù hợp để tăng điện áp DC lên mức phù hợp với điểm công suất cực đại.

Công suất tối đa của pin mặt trời (PV), còn gọi là MPP (Maximum Power Point), phụ thuộc vào các yếu tố ánh sáng và nhiệt độ, ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển đổi quang-điện Tại điểm MPP, hiệu suất của hệ thống đạt mức cao nhất, tối ưu hóa khả năng sinh năng lượng của pin mặt trời Đã có nhiều phương pháp khác nhau được phát triển để tìm kiếm chính xác điểm MPP nhằm nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống PV.

Ví dụ như Ibrahimm và Houssing đã sử dụng bảng tra cứu trên hệ thống vi tính để tìm kiếm MPP một cách chính xác và nhanh chóng Trong khi đó, Midya tận dụng đặc tính động của các tấm PV để nâng cao hiệu quả hoạt động Enslin và Snymam đề xuất các khái niệm liên quan giúp cải thiện các phương pháp xác định và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

"xáo trộn và quan sát" (P & O), lựa chọn thay thế mà gần đây đã được giới thiệu trong

Koutroulis và Hussein cùng các cộng sự đã sử dụng kỹ thuật cung cấp độ dẫn gia tăng (IncCond) để xác định điểm MPP hiệu quả Gần đây, một số nghiên cứu đã áp dụng các thuật toán điều khiển thông minh nhằm tối ưu hóa quá trình xác định điểm MPP, giúp nâng cao hiệu suất hệ thống quang điện [14].

Mỗi phương pháp dò tìm MPP đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, chẳng hạn như phương pháp P&O được ưu điểm là đơn giản nhưng gây ra sự dao động của điểm MPP Hiện nay, nghiên cứu về thuật toán dò tìm MPP tiếp tục phát triển, đặc biệt tập trung vào ứng dụng các kỹ thuật điều khiển hiện đại và điều khiển thông minh để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình xác định điểm MPP.

Hình 2.20 Sơ đồ điều khiển MPPT của PV

Mô hình đối tượng điều khiển của hệ thống điều khiển PV (MPPT) có một số đặc điểm sau [13-16]:

 Công suất cực đại của PV luôn dịch chuyển, xu hướng dịch chuyển phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ sáng

Mô hình toán học của đối tượng điều khiển (DC/DC converter) phụ thuộc vào tải của hệ thống, bao gồm trở kháng và dòng điện, cũng như trạng thái hệ thống như dòng điện và độ rộng điều biến xung cho converter Đây là một đối tượng phi tuyến với thông số mô hình biến đổi theo thời gian, phản ánh tính phức tạp và động lực của hệ thống Việc hiểu rõ đặc điểm này giúp cải thiện thiết kế và điều khiển các mạch DC/DC hiệu quả hơn.

Nội dung nghiên cứu phát triển là ứng dụng kỹ thuật thông minh xây dựng bộ khiển MPPT Mục tiêu của điều khiển MPPT:

+ Điều khiển trạng thái làm việc của PV bám điểm công suất cực đại

+ Điểm MPP ổn định, biên độ dao động thấp

+ Thời gian xác lập hệ thống nhanh

Để hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động an toàn, cần phân tích hiện tượng sự cố lưới điện (islanding) và đưa ra giải pháp khắc phục Hiện tượng islanding xảy ra khi hệ thống ghép nối song song với lưới điện quốc gia gặp sự cố như đóng/ngắt lưới, đảo pha, xung điện áp hoặc dòng điện đột ngột, khiến hệ thống tự hoạt động độc lập và cung cấp điện cho phụ tải Trong tình huống này, dòng điện từ hệ thống năng lượng mặt trời và phụ tải đạt cân bằng, khiến dòng điện từ lưới giảm xuống rất nhỏ, và biến tần SVPWM không thể phản ứng kịp thời để xác định trạng thái lưới Điều này gây khó khăn trong việc phân biệt chính xác liệu lưới điện còn hoạt động hay gặp sự cố, dẫn đến hiện tượng islanding với hậu quả nghiêm trọng như mất kiểm soát hệ thống và nguy hiểm cho thiết bị.

Khi mạng điện đóng cắt đột ngột, quá trình quá độ của lưới điện gây mất an toàn cho người và thiết bị Sự cố này làm hệ thống điều khiển mất tín hiệu tham chiếu về điện áp, tần số, thứ tự pha, gây ra tình trạng không ổn định trong hệ thống Ngoài ra, hiện tượng này còn phát sinh các thành phần sóng hài có biên độ và năng lượng cao, ảnh hưởng tiêu cực đến thiết bị cảm kháng Nếu không được cách ly và xử lý kịp thời, các sự cố này có thể gây thiệt hại lớn cho phụ tải và các thiết bị trong hệ thống điện.

Khi lưới điện quốc gia đột ngột đóng điện trở lại, sự khác biệt về vị trí pha điện áp giữa lưới điện quốc gia và hệ thống năng lượng mặt trời dẫn đến dòng điện xung kích gây hư hỏng thiết bị điện Ngoài ra, tình huống này còn gây ra các vấn đề liên quan đến điều kiện hòa đồng bộ, ảnh hưởng đến an toàn và hoạt động ổn định của hệ thống điện.

Hiện tượng islanding có thể gây ra các hiện tượng bất thường về điện áp như thấp áp khi lưới điện quốc gia đột ngột mất điện, tăng áp khi lưới điện đóng trở lại đột ngột, cùng với hiện tượng méo dạng điện áp, tất cả đều ảnh hưởng tiêu cực đến các phụ tải trong hệ thống điện Đặc biệt, việc nhận biết và kiểm soát hiện tượng này là cần thiết để đảm bảo chất lượng nguồn điện và an toàn hệ thống.

Trong hệ thống hòa lưới song song với mạng điện quốc gia, giải pháp anti-islanding luôn được coi là yếu tố quan trọng để đảm bảo an toàn và ổn định cho lưới điện Việc tuân thủ các tiêu chuẩn quốc tế như IEEE Std 2000-929 và UL174 là điều kiện cần thiết đối với hệ thống mạng điện solar kết nối với lưới điện quốc gia, nhằm giảm thiểu tối đa các rủi ro do sự cố islanding gây ra.

Tiêu chuẩn này được thể hiện qua bảng sau:

Trạng thái Điện áp sau khi ngắt Tần số sau khi ngắt

Thời gian cho phép tối đa

Để phòng ngừa hiện tượng đảo lưới (islanding) và hạn chế tác hại của nó đối với người vận hành cũng như thiết bị điện, cần tuân thủ các tiêu chuẩn về điện áp và tần số, trong đó điện áp chuẩn là 220V và tần số chuẩn là 50Hz Có hai phương án chính để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong việc phòng ngừa: phương pháp chủ động và phương pháp bị động Áp dụng các biện pháp này sẽ giúp đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống điện và giảm thiểu rủi ro do hiện tượng đảo lưới gây ra.

Hiện nay một số phương pháp chính trong giải pháp hạn chế tác hại của hiện tượng islanding như sau:

 Chủ động phản hồi dương điện áp

 Phương pháp kiểm soát bị động

Những nội dung nghiên cứu phát triển là:

+ Phân tích đánh giá sự kiện islanding

+ Nghiên cứu đề xuất giải pháp hạn chế ảnh hưởng của hiệu ứng islanding

2.3.3 Bù công suất phản kháng

Hệ thống nguồn lực và tải cục bộ tiêu tán công suất phản kháng vô công, do đó việc nâng cao hệ số công suất thường dựa vào giải pháp bù công suất phản kháng bằng tụ bù cứng, mặc dù phương pháp này có nhược điểm như tăng chi phí hệ thống và dễ gây quá áp, thấp áp khi tải thay đổi Sử dụng công tắc tơ hay máy cắt để phân phối công suất phản kháng cũng không hoàn toàn khắc phục được vấn đề này Đối với hệ thống nguồn lực sử dụng biến tần SVPWM, có thể thực hiện bù công suất phản kháng linh hoạt theo nguyên tắc "tải cần bao nhiêu thì bù bấy nhiêu," giúp nâng cao hệ số công suất một cách hiệu quả và ổn định hơn.

Kết luận chương 2

Chương 2 này tác giả đã trình bày tổng quan chung về hệ thống năng lượng điện mặt trời bao gồm các thành phần chính của hệ thống, đặc tính của tấm pin năng lượng mặt trời Tác giả cũng đưa ra những yếu tố trọng tâm phát triển hệ thống năng lượng mặt trời

Hệ thống năng lượng mặt trời là một hệ thống lớn, đòi hỏi nhiều cải tiến để nâng cao hiệu suất và độ ổn định Trong khuôn khổ luận án, tác giả tập trung nghiên cứu phát triển các thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tối ưu hiệu suất của hệ thống Đồng thời, tác giả cũng thiết kế và chế tạo hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới dựa trên các bộ biến đổi công suất DC/DC và DC/AC, hướng tới tăng tính ổn định và hiệu quả vận hành của hệ thống.

[1] Đồng Văn Hướng, Nhữ Khải Hoàn, “Nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới”, Tạp chí Khoa học Công Nghệ Giao thông Vận Tải, 5/2014

Các yếu tố ảnh hưởng tới MPP

3.1.1 Ảnh hưởng của bức xạ

Các thông số chính dùng để mô tả đặc tính của tế bàо quang điện bao gồm điện áp hở mạch (VOC) và dòng điện ngắn mạch (ISC) Điện áp hở mạch (VOC) là điện áp đo được giữa hai cực của tế bào khi mạch mở, còn dòng điện ngắn mạch (ISC) là dòng điện tạo ra khi các cực của tế bào quang điện được ngắn mạch, chính là dòng photon Dòng điện ngắn mạch (ISC) không đổi theo nhiệt độ và cường độ bức xạ ánh sáng cố định, nhưng sẽ thay đổi theo cường độ bức xạ ánh sáng biến đổi, dẫn đến các giá trị dòng điện ngắn mạch khác nhau.

Dòng điện sinh ra trong tế bào quang điện phụ thuộc vào cường độ ánh sáng chiếu vào, được biểu thị bằng công thức (3.1), trong đó dòng điện ngược ngắn mạch (ISC) xấp xỉ bằng dòng điện tạo ra từ các photon và tỷ lệ thuận với bức xạ G, tức là cường độ chiếu sáng.

Nếu ISC(G0) là giá trị dòng điện được tạo ra ở mức bức xạ G0 = 1000W/m 2 Ta có dòng điện được tạo ra theo bức xạ G như công thức (3.2)

Vậy ta có biểu thức dòng điện theo bức xạ như công thức (3.3)

Ví dụ như PV dòng Mono – cell do hãng Bosch (Đức) sản xuất có những thông số cơ bản đo ở điều kiện tiêu chuẩn (1000W/m 2 , 25 o C) như sau: PMAX = 50W, VMPP = 16,5V,

IMPP = 2,77A, VOC = 22,01V, ISC = 3,1 A Mô phỏng thu được đường cong quan hệ V – I, P – V, và P – I của PV phụ thuộc độ rọi như hình 3.1 [117]:

Hình 3.1 trình bày mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa MPP và bức xạ mặt trời, đồng thời cho thấy sự thay đổi phi tuyến của MPP khiến việc xác định điểm công suất tối đa gặp nhiều khó khăn Chính vì vậy, việc sử dụng các thuật toán theo dõi MPP là rất cần thiết trong hệ thống pin năng lượng mặt trời nhằm đảm bảo hệ thống luôn vận hành tại MPP, từ đó giảm thiểu tổn thất công suất và tối ưu hóa hiệu suất tổng thể.

33 a Đường cong quan hệ I – V của PV b Đường cong quan hệ P – V của PV c Đường cong quan hệ P – I của PV Hình 3.1 Đặc tuyến I – V, P – V và P – I với các mức bức xạ khác nhau

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

MPP của pin quang điện ngoài sự ảnh hưởng của bức xạ thì còn chịu sự ảnh hưởng của nhiệt độ

Dòng điện ngắn mạch được cho bởi công thức theo nhiệt độ (T) như (3.4)

Tr: là nhiệt độ chuẩn của tế bào quang điện (298K, đo ở mức bức xạ 1000W/m 2 ) α: là ảnh hưởng nhiệt độ (phần trăm thay đổi ISC trên một độ)

I0: dòng bão hòa của diode tại Tr được cho bởi biểu thức (3.5) với diode lý tưởng

Dòng điện bão hòa phụ thuộc theo nhiệt độ như công thức (3.6) và dòng điện theo nhiệt độ được cho bởi biểu thức (3.7)

Cũng lấy ví dụ với modul PV như ở mục 3.1.1 ta có đặc tuyến I – V, P – V và P –

Ở các mức nhiệt độ khác nhau như đã trình bày trong hình 3.2, đặc tuyến I – V của pin quang điện dịch sang trái khi nhiệt độ tăng, dẫn đến giảm điện áp và thay đổi điểm MPP của hệ thống Do đó, cần có thuật toán theo dõi MPP nhằm giữ hệ thống hoạt động tại điểm công suất tối đa, giúp giảm tổn thất năng lượng và nâng cao hiệu suất hoạt động toàn hệ thống pin mặt trời [117].

35 a) Đường cong quan hệ I –V của PV b) Đường cong quan hệ P – V của PV c) Đường cong quan hệ P – I của PV Hình 3.2 Đặc tuyến I – V, P – V và P – I với các nhiệt độ khác nhau

3.1.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm

Hiện tượng bóng râm gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất của hệ thống PV bằng cách giảm công suất các tế bào quang điện và làm thay đổi điện áp hở mạch (Voc), dòng ngắn mạch (Isc) cùng hiệu suất chung Bóng râm do các yếu tố như tòa nhà, cây cối, mây và bụi bẩn gây ra tình trạng che phủ một phần các module, làm cho phần bị che nhận ít ánh sáng hơn và có thể chịu điện áp ngược, dẫn đến quá nhiệt và giảm tuổi thọ module Để khắc phục vấn đề này, các diode bypass có thể được lắp đặt trên các module PV, giúp dòng điện đi qua đúng hướng ngay cả khi một phần của dãy bị tối, từ đó nâng cao độ tin cậy và hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 3.3 Đặc tính I-V, P-V khi có bóng râm

Ảnh hưởng của bóng râm lên hiệu suất của một bộ PV phụ thuộc vào các yếu tố như sau:

- Giảm cách nhiệt (giá trị trung bình)

- Phân bố bóng che trên các bộ PV (hình học của bóng)

- Module có hoặc không có các diode bypass

- Dạng thiết kế của module PV (kết nối kiểu nối tiếp hoặc song song)

Hiệu ứng bóng râm trong hệ thống PV gây ra tổn thất công suất đáng kể, mặc dù chỉ là một phần nhỏ Quá trình hoạt động của hệ thống PV rất dễ gặp phải hiệu ứng này, làm cho hiệu quả tổng thể giảm sút đáng kể Do đó, kiểm soát và giảm thiểu hiệu ứng bóng râm là yếu tố quan trọng để nâng cao hiệu suất và hiệu quả của hệ thống năng lượng mặt trời.

Tìm điểm công suất cực đại

MPPT là thành phần quan trọng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời, giúp tối đa hóa công suất ngõ ra, giảm tổn thất năng lượng và tối ưu hóa hiệu quả kinh tế của hệ thống Nó hoạt động như một thiết bị liên kết giữa hệ thống pin quang điện và tải, điều chỉnh điểm hoạt động của hệ thống pin để thu được công suất tối đa dù điều kiện môi trường thay đổi như nhiệt độ, bức xạ hay bóng râm MPPT gồm bộ biến đổi xung DC/DC và thuật toán điều khiển thông minh, giúp nâng cao hiệu suất hệ thống PV Với các hệ thống độc lập, thuật toán MPPT được tích hợp trong bộ biến đổi DC/DC, đảm bảo quá trình tối ưu hóa công suất diễn ra liên tục và hiệu quả.

Theo lý thuyết truyền công suất cực đại, trở kháng của pin quang điện cần bằng trở kháng tải để hệ thống truyền công suất tối đa Vấn đề dò MPP trở thành vấn đề quan trọng trong việc phù hợp trở kháng để đạt hiệu quả tối ưu Trong nghiên cứu này, tác giả ứng dụng bộ biến đổi DC/DC dạng Boost để nâng cao điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, nhằm cung cấp nguồn phù hợp cho các tải khác nhau Việc điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ hoặc điện áp của bộ biến đổi Boost giúp tối ưu hóa sự phối hợp trở kháng giữa nguồn và tải, nâng cao hiệu suất truyền tải năng lượng.

Thuật toán MPPT hoạt động như một vòng lặp hệ thống, sử dụng cảm biến đo điện áp từ pin mặt trời để điều chỉnh độ rộng xung nhằm tối ưu hóa điểm công suất cực đại Có nhiều thuật toán MPPT được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng mặt trời để đạt hiệu quả tối đa trên đường cong P-V phi tuyến Việc lựa chọn thuật toán phù hợp phụ thuộc vào yêu cầu cụ thể của từng hệ thống PV nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu.

Trong những năm gần đây, đã có nhiều thuật toán tìm điểm công suất tối đa (MPP) khác nhau được nghiên cứu, phát triển và công bố để tối ưu hóa hiệu suất năng lượng từ các nguồn năng lượng tái tạo Các kỹ thuật MPPT đa dạng phù hợp với các điều kiện cảm biến, độ phức tạp, chi phí, tốc độ hội tụ và độ chính xác khác nhau, đặc biệt khi môi trường thay đổi Một số phương pháp MPPT phổ biến hiện nay bao gồm thuật toán Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (IC), and Constant Voltage (CV), góp phần nâng cao hiệu quả chuyển đổi và giảm thiểu tổn thất năng lượng.

- Phương pháp Hill – Climbing (HC)

- Tỷ lệ điện áp hở mạch

- Tỷ lệ dòng ngắn mạch

Các thuật toán P&O và INC dựa trên lý thuyết Hill – Climbing, hoạt động bằng cách điều chỉnh điểm hoạt động của pin quang điện theo hướng tăng công suất ngõ ra Phương pháp Hill – Climbing là kỹ thuật MPPT phổ biến nhất nhờ tính đơn giản và hiệu quả cao trong điều kiện môi trường ổn định Ưu điểm chính của các thuật toán này là dễ thực hiện và ít tính toán, giúp giảm thiểu độ phức tạp trong thiết kế hệ thống Tuy nhiên, chúng cũng có những nhược điểm đã được đề cập trong các tài liệu nghiên cứu, đặc biệt là trong các điều kiện môi trường biến đổi liên tục.

3.2.1.1 Phương pháp xáo trộn và quan sát (P&O)

Thuật toán P&O là một dạng của phương pháp HC, được sử dụng khá phổ biến

Thuật toán MPPT [27] tạo ra nhiễu điện áp nhằm điều chỉnh hoạt động của liên kết DC giữa pin quang điện và bộ biến đổi công suất, giúp tối ưu hóa hiệu suất hệ thống năng lượng mặt trời Ưu điểm nổi bật của thuật toán này là tính đơn giản và khả năng áp dụng thực tế, phù hợp cho các vi điều khiển hoặc hệ thống xử lý tín hiệu số mà không yêu cầu đặc tính của tấm pin.

Thuật toán P&O điều chỉnh điện áp hoạt động của pin mặt trời dựa trên sự thay đổi nhỏ ΔV và công suất ΔP, nhằm tối ưu hóa điểm Mặt Trời Điện (MPP) Khi hệ thống đang di chuyển theo hướng giảm công suất và điện áp (ΔP < 0, ΔV < 0), cần tăng điện áp để hướng tới MPP Ngược lại, nếu hệ thống đang di chuyển theo hướng tăng công suất và điện áp (ΔP > 0, ΔV > 0), cũng cần tăng điện áp để đạt MPP Trong trường hợp hệ thống di chuyển theo hướng tăng công suất nhưng giảm điện áp (ΔP > 0, ΔV < 0), cần giảm điện áp để đưa điểm hoạt động về MPP Cuối cùng, nếu hệ thống di chuyển theo hướng giảm công suất nhưng tăng điện áp (ΔP < 0, ΔV > 0), cũng cần giảm điện áp để điều chỉnh về MPP.

Hình 3.4 Đặc tuyến P – V của pin quang điện và thuật toán P&O

Thuật toán P&O hoạt động dựa trên nguyên tắc điều chỉnh điểm vận hành của tấm pin nhờ vào nhiễu loạn hoặc dịch chuyển theo dấu của sự biến thiên công suất phát ra từ pin năng lượng mặt trời Khi đạo hàm dP/dV > 0, hệ thống sẽ dịch chuyển về phía bên phải, còn khi dP/dV < 0, nó sẽ dịch chuyển về phía bên trái Nếu nhiễu loạn dẫn đến tăng công suất, hướng dịch chuyển sẽ được duy trì; ngược lại, nếu nhiễu loạn làm giảm công suất, hướng dịch chuyển sẽ được điều chỉnh ngược lại để tối ưu hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời.

Quá trình nhiễu loạn và quan sát cần phải được thực hiện liên tục trong suốt thời gian nhằm đảm bảo hiệu suất của thuật toán dựa trên tần số lấy mẫu Thuật toán này có hai điểm quan trọng là thời điểm đạt MPP và sự dao động quanh điểm MPP gây tổn thất công suất, đặc biệt khi điều kiện thời tiết thay đổi nhanh chóng, làm sai lệch hướng nhiễu loạn Để giảm dao động trong trạng thái ổn định, một phương pháp là chọn giá trị điện áp tham chiếu hoặc độ rộng xung PWM nhỏ, tuy nhiên điều này làm chậm quá trình đáp ứng của hệ thống, gây giảm tốc độ hội tụ Việc cân bằng giữa độ ổn định và tốc độ phản hồi là một thách thức trong thiết kế hệ thống Nghiên cứu của [29] chỉ ra rằng thuật toán P&O gặp khó khăn trong điều kiện môi trường biến đổi nhanh, khi mà điểm vận hành có thể bị lệch do sự chiếu của hai giá trị bức xạ khác nhau trong cùng một chu kỳ lấy mẫu Các phân tích trong [28] về điều khiển theo tham số thay đổi như điện áp tham chiếu và PWM giúp xác định phương pháp nào đạt được sự ổn định và hiệu suất tối ưu, với lưu đồ của thuật toán P&O được trình bày rõ ràng trong hình 3.5.

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán P&O

Bộ điều khiển MPPT đo các giá trị dòng điện I và điện áp V để tối ưu hóa hiệu quả năng lượng từ hệ thống Nó tính toán độ sai lệch ∆P và ∆V, sau đó kiểm tra điều kiện để điều chỉnh điện áp tham chiếu Vref Nếu tích ∆P ∆V lớn hơn 0, bộ điều khiển sẽ tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref nhằm tăng công suất tối đa Ngược lại, nếu ∆P ∆V nhỏ hơn 0, hệ thống sẽ giảm giá trị điện áp tham chiếu để duy trì hiệu suất tối ưu của hệ thống năng lượng mặt trời.

Sau khi cập nhật giá trị mới thay thế cho các giá trị cũ của V và P, hệ thống sẽ tiến hành đo các thông số I và V cho chu kỳ làm việc tiếp theo, đảm bảo độ chính xác trong quá trình vận hành [11] Quá trình này giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của thiết bị và duy trì hiệu quả sử dụng năng lượng Việc cập nhật liên tục các giá trị V và P là bước quan trọng để duy trì hiệu quả hoạt động trong các chu kỳ tiếp theo.

3.2.1.2 Phương pháp điện dẫn gia tăng (INC)

Thuật toán Hill – Climbing khác với phương pháp P&O gồm có INC, được thiết kế để cải thiện hiệu quả bằng cách thay thế dP/dV bằng cách so sánh giá trị tức thời của dòng I/V của pin quang điện và gia số dẫn dI/dV Phương pháp này hướng tới tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống năng lượng mặt trời, đảm bảo đánh giá chính xác trạng thái hoạt động của pin quang điện trong quá trình tối ưu hóa.

Thuật toán INC hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin mặt trời để tìm MPP tối ưu Phương pháp này phân tích đặc điểm hệ PV, trong đó độ dốc của đường đặc tính bằng 0 tại điểm tối đa công suất (MPP) Khi dò tìm MPP, thuật toán nhận biết rằng độ dốc này dương khi ở bên trái của điểm MPP, giúp xác định chính xác vị trí điểm tối ưu nhằm tối đa hóa hiệu quả chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời.

MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP Đặc tính P – V giải thích nguyên lý thuật toán như hình 3.6 [5]:

Hình 3.6 Đường đặc tuyến P – V của hệ PV và thuật toán INC

Ta có thể viết lại công thức (3.9) như sau:

Sơ đồ thuật toán INC như sau [5]:

Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán INC

Sơ đồ thuật toán hình 3.7 mô tả cách hoạt động của thuật toán INC điều khiển dựa trên điện áp tham chiếu Vref để tối ưu điểm cực đại công suất của pin mặt trời Thuật toán đo dòng điện và điện áp của PV, sau đó tính toán các giá trị gia tăng ∆I và ∆V dựa trên các giá trị tức thời và giá trị trước đó Nếu điểm hoạt động nằm bên trái điểm MPP, thuật toán sẽ điều chỉnh điện áp để di chuyển điểm hoạt động sang phải bằng cách tăng điện áp của pin mặt trời Ngược lại, nếu điểm hoạt động nằm bên phải điểm MPP, nó sẽ được điều chỉnh sang trái bằng cách giảm điện áp của pin mặt trời, đảm bảo tối đa hóa công suất hệ thống quang năng.

𝑉 được thỏa mãn (điểm MPP) thì thuật toán này sẽ bỏ qua quá trình điều chỉnh điện áp

Thuật toán này đặc biệt chú trọng vào việc phát hiện các điều kiện của môi trường, giúp tối ưu hóa hoạt động của hệ thống Khi điểm hoạt động vẫn duy trì ở điểm MPP (điều kiện ΔV = 0) và điều kiện bức xạ không thay đổi (ΔI = 0), hệ thống không cần phải điều chỉnh điện áp hoạt động Tuy nhiên, nếu bức xạ tăng lên khiến dòng điện ΔI > 0, thuật toán sẽ điều chỉnh để duy trì hiệu suất tối ưu của hệ thống quang điện.

Nghiên cứu phát triển thuật toán độ dẫn gia tăng trong điều khiển bám điểm công suất cực đại

Thuật toán INC cùng P&O là hai phương pháp phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong việc theo dõi MPP của hệ thống PV Hiệu suất của các thuật toán này oldukça cao, dễ dàng triển khai và ứng dụng trong thực tế, đồng thời mang lại tốc độ theo dõi nhanh và hiệu quả tối ưu Đặc biệt, thuật toán này tập trung vào biến đổi công suất của hệ thống PV, trong đó độ dẫn và độ dẫn gia tăng của mảng PV được tính toán ngay lập tức, giúp tăng lên phía bên trái của MPP và giảm xuống phía bên phải, hỗ trợ tối đa trong quá trình tối ưu hóa năng lượng của hệ thống.

Thuật toán INC hạn chế dao động tại điểm cực đại công suất (MPP) tốt hơn so với thuật toán P&O, ngay cả khi điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ thay đổi [117] Đây chính là lý do quan trọng để tác giả lựa chọn thuật toán INC để nghiên cứu và phát triển, nhằm đảm bảo hiệu quả tối ưu của hệ thống PV So sánh tín hiệu đầu ra gồm dòng điện, điện áp và công suất của hệ thống PV dùng thuật toán INC và P&O trong điều kiện thay đổi bức xạ và nhiệt độ (hình 3.10 và 3.11) cho thấy thuật toán INC duy trì sự ổn định tốt hơn trong các điều kiện thay đổi này [117].

Thuật toán INC Thuật toán P&O

Hình 3.10 Trường hợp bức xạ thay đổi a) Dòng điện

Thuật toán INC Thuật toán P&O

Hình 3.11 Trường hợp nhiệt độ thay đổi

3.3.1 Theo dõi MPP bằng thuật toán INC truyền thống

Bộ điều khiển công suất cực đại (MPPT) đo giá trị điện áp và dòng điện của tấm pin quang điện, sau đó sử dụng thuật toán MPPT để tính toán điện áp quy chiếu Vref nhằm điều chỉnh điện áp làm việc của PV phù hợp Thuật toán MPPT liên tục xác định giá trị Vref thông qua các phép tính dựa trên điều kiện hoạt động của hệ thống, và quá trình này được thực hiện lặp lại theo chu kỳ khoảng 1 đến 10 lần lấy mẫu mỗi giây, giúp tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng Khối PWM sẽ điều chế xung để điều chỉnh tín hiệu đầu ra, nhằm bù đắp sai lệch giữa điện áp thực tế và điện áp lý tưởng, đảm bảo hoạt động ổn định của bộ biến đổi DC/DC.

Vref và điện áp đo được xác định bằng cách điều chỉnh hệ số đóng cắt D của bộ biến đổi công suất DC/DC Trong đó, nếu D được xem như một biến điều khiển, thì thuật toán INC truyền thống được trình bày lại theo hình 3.12 để tối ưu hóa quá trình điều chỉnh điện áp và giảm thiểu sai số.

Khi đưa biến điều khiển D vào để điều chỉnh điện áp tham chiếu Vref qua bộ biến đổi DC/DC, kích thước bước nhảy của thuật toán ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả của tối ưu hóa MPPT Trong lưu đồ thuật toán hình 3.12, kích thước bước này được cố định và khởi tạo bằng giá trị ∆𝐷 𝑚𝑎𝑥, đảm bảo quá trình điều khiển diễn ra ổn định và hiệu quả Việc lựa chọn kích thước bước phù hợp là yếu tố quan trọng để tối đa hóa năng lượng thu được từ hệ thống.

Sự cố định về kích thước bước nhảy ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả điều khiển MPPT của thuật toán INC Khi kích thước bước lớn, hệ thống nhanh chóng đạt tới trạng thái MPP, nhưng lại gây ra độ dao động lớn quanh điểm MPP, làm giảm hiệu suất tối ưu của MPPT.

Kích thước bước nhỏ làm thời gian hệ thống PV đạt trạng thái MPP kéo dài hơn, gây giảm hiệu quả hoạt động của hệ thống Để khắc phục hạn chế này, bài viết trình bày phát triển thuật toán INC với kích thước bước nhảy tự điều chỉnh thông minh, giúp tối ưu hóa quá trình tìm kiếm MPP và nâng cao hiệu quả vận hành của hệ thống PV.

Dựa trên lưu đồ hình 3.12 trên thuật toán INC truyền thống bao gồm các bước cơ bản như sau:

Bước 1: Khởi tạo giá trị các tham số đầu vào ban đầu, đo giá trị dòng điện Ipv , điện áp

Vpv từ pin mặt trời

Bước 2: Tính giá trị công suất Ppv và các độ biến thiên công suất dP, độ biến thiên điện áp dV và độ biến thiên dòng điện dI

Bước 3: Vòng lặp INC so sánh các giá trị dV, dI, dV/dI

Bước 4: Xác định giá trị độ rộng xung D cho khóa công suất ở bước tiếp theo và quay trở lại bước 1

No Yes dI/dV = - I/V dI/dV > - I/V

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán INC với biến D cố định

3.3.2 Phát triển thuật toán INC nhằm đạt MPP nhanh

Thuật toán INC truyền thống theo dõi điểm tối ưu công suất (MPP) dựa trên kích thước bước nhảy cố định, gây ra tốc độ hội tụ chậm và dao động lớn xung quanh MPP, làm giảm hiệu suất hệ thống PV Trong điều kiện khí quyển thay đổi nhanh, thuật toán có thể mất phương hướng và theo dõi MPP sai lệch Việc mở rộng kích thước bước nhảy giúp đạt MPP nhanh hơn nhưng lại gây ra dao động quá mức khi hệ thống ổn định, trong khi kích thước bước nhỏ hơn giúp duy trì ổn định nhưng kéo dài thời gian hội tụ.

Nhiều nghiên cứu đã đề xuất công thức bước nhảy biến đổi nhằm giảm dao động tại MPP nhưng vẫn duy trì tốc độ hội tụ phù hợp Việc nâng cấp thuật toán INC truyền thống thành thuật toán INC tự động điều chỉnh kích thước bước nhảy dựa trên đặc tính của mảng PV giúp cân bằng giữa tốc độ đạt MPP và giới hạn dao động quanh MPP Theo nguyên tắc của MPPT, tác giả đề xuất một phương pháp bước nhảy mới nhằm giúp hệ thống nhanh chóng đạt được MPP, tối ưu hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

Phương pháp xác định kích thước bước nhảy tự điều chỉnh sẽ được xác định như sau:

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Trong đó: N là tham số, tham số này sẽ quyết định kích thước bước trong thuật toán INC

Từ công thức ta thấy khoảng cách bước nhảy DD không cố định mà thay đổi:

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Hình 3.13 Đặc tuyến P-V và dP/(dV–dI) –V

Hình 3.14 Đặc tuyến I-V và dP/(dV–dI) –V

502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared

Ta có thể viết lại công thức (3.18) trên như sau:

Trong quá trình khởi động, khi hệ thống còn xa điểm làm việc tối ưu (MPP), kích thước bước nhảy cần lớn để tăng tốc độ đạt MPP của hệ PV Ban đầu, thuật toán sử dụng kích thước bước bằng ∆𝐷 𝑚𝑎𝑥 nhằm nhanh chóng tiếp cận MPP Khi hệ thống gần đến MPP, kích thước bước phải được điều chỉnh giảm để giảm dao động quanh điểm tối ưu Để đảm bảo tính hồi quy của hệ thống, kích thước bước được giới hạn theo công thức (3.20), giúp duy trì sự ổn định trong quá trình điều chỉnh.

Giá trị 𝑠𝑡𝑒𝑝=∆𝐷 𝑚𝑎𝑥 được xác định tại thời điểm khởi động của phương pháp INC với bước nhảy cố định, giúp thiết lập điểm bắt đầu cho quá trình tối ưu hoá Từ công thức (3.20), chúng ta có thể xác định tham số N theo công thức (3.21), đảm bảo quá trình thực hiện theo đúng quy trình kỹ thuật Việc xác định chính xác các tham số này đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả của phương pháp tối ưu hóa INC, phù hợp với tiêu chuẩn SEO về công nghệ tối ưu hoá trong lập trình.

Xác định tham số N là bước then chốt trong phát triển phương pháp INC với kích thước bước tự điều chỉnh, giúp hệ thống nhanh chóng đạt điểm tối đa công suất (MPP) Khi hệ thống gần đến MPP, tham số N được tự động điều chỉnh để giảm kích thước bước, từ đó giảm dao động quanh MPP và nâng cao hiệu quả của thuật toán MPPT Đây là ưu điểm vượt trội của phương pháp INC với kích thước bước tự điều chỉnh, mang lại khả năng tối ưu hóa quá trình theo thời gian Sơ đồ lưu đồ của thuật toán MPPT INC có bước thay đổi được thể hiện rõ trong hình 3.15.

Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn trong điều khiển bám điểm công suất cực đại

Trong bài viết này, tác giả nghiên cứu thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO), một phương pháp tối ưu hiện đại được sử dụng để tìm điểm công suất cực đại của hệ thống năng lượng mặt trời, giúp nâng cao hiệu suất và giảm nhược điểm của các thuật toán cổ điển Đồng thời, tác giả đề xuất áp dụng các cải tiến mới của thuật toán PSO vào bộ điều khiển MPPT của hệ thống điện mặt trời, nhằm tăng tốc độ đạt tới trạng thái tối ưu và tránh tình trạng tối ưu cục bộ trong quá trình tìm điểm công suất cực đại.

3.4.1 Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO)

PSO (Particle Swarm Optimization) là một kỹ thuật tính toán tiến hóa được đề xuất bởi Eberhart và Kennedy vào năm 1995, dựa trên hành vi xã hội của các loài động vật để tối ưu hóa trong không gian tìm kiếm đa chiều Phương pháp này mô phỏng quá trình các cá thể bay qua không gian đa chiều với vận tốc được xác định trước, nơi vận tốc của mỗi cá thể được điều chỉnh ngẫu nhiên dựa trên vị trí tốt nhất của chính nó và vị trí tốt nhất của các cá thể lân cận, nhằm tìm kiếm giải pháp tối ưu hoặc gần tối ưu Chuyển động của các cá thể trong PSO mang tính không đều đặn trong không gian tìm kiếm, gọi là "chuyển động bầy đàn," giúp phát triển các giải pháp tối ưu hiệu quả.

PSO là một kỹ thuật tối ưu hóa dựa trên quần thể, không phụ thuộc vào quy mô và phù hợp với hệ thống phi tuyến tính Nó có khả năng hội tụ nhanh đến giải pháp tối ưu trong nhiều trường hợp, vượt trội so với các phương pháp phân tích tối ưu khác không đảm bảo hội tụ Nhờ đó, PSO được sử dụng rộng rãi trong các nghiên cứu nhằm giải quyết các bài toán tối ưu hóa phức tạp Các ưu điểm chính của PSO so với các phương pháp tối ưu hóa truyền thống bao gồm khả năng hội tụ hiệu quả và tính linh hoạt trong xử lý các hệ thống phức tạp [52].

1 Thuật toán PSO rất dễ thực hiện, trong đó chỉ một số ít tham số cần được điều chỉnh

2 Khả năng bộ nhớ của PSO hiệu quả hơn so với các thuật toán tối ưu hóa khác, bởi vì mỗi cá thể không chỉ nhớ vị trí lịch sử tốt nhất của nó, mà còn dựa trên vị trí của các cá thể vùng lân cận tốt nhất

3 Sự đa dạng của bầy đàn được duy trì tốt hơn bằng cách sử dụng thuật toán PSO

Mỗi cá thể tự cải thiện bằng cách sử dụng thông tin liên quan đến chính nó để tối ưu hóa, trong khi các phương pháp tối ưu hóa truyền thống chỉ giữ lại giải pháp tốt nhất và loại bỏ những cá thể kém hơn Điều này khiến quá trình tiến hóa của quần thể chỉ diễn ra quanh một nhóm các cá thể xuất sắc nhất.

Thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) là một phương pháp hiệu quả trong giải quyết các bài toán tối ưu PSO hoạt động dựa trên các cá thể mê cung tìm kiếm giải pháp tối ưu bằng cách cập nhật vị trí dựa trên kinh nghiệm cá nhân và kinh nghiệm của toàn bộ đàn Một phát triển mới của PSO, gọi là thuật toán tối ưu bầy đàn vi phân, đã được giới thiệu nhằm giúp các cá thể thoát khỏi vùng tối ưu cục bộ và nâng cao hiệu quả trong quá trình tìm kiếm Thuật toán này phù hợp để tối ưu hóa các bài toán phức tạp, cả trong phạm vi liên tục và nhị phân Các phiên bản cải tiến của PSO đã chứng minh khả năng vượt trội trong việc nâng cao khả năng hội tụ và giải pháp tối ưu toàn cục cho các vấn đề khó khăn.

3.4.1.2 Tóm tắt lịch sử phát triển của PSO

Phương pháp tối ưu PSO (Particle Swarm Optimization) lần đầu tiên được đề xuất vào năm 1995 bởi Kennedy và Eberhart, với khái niệm chi tiết được trình bày trong cuốn sách "Swarm Intelligence" PSO mô phỏng hành vi xã hội của các loài như chim, cá và con người để giải quyết các bài toán tìm kiếm trong không gian đa chiều Nghiên cứu về sự di chuyển đồng bộ của các cá thể trong đàn chim hoặc đàn cá đã diễn ra từ những năm 1980, giúp hiểu rõ hơn về cơ chế hoạt động của các hệ sinh thái xã hội tự nhiên.

61 nhà khoa học máy tính, trong khi đó các nhà động vật học chuyên nghiên cứu về động lực học của chúng

Năm 1987, Reynold mô phỏng sự di chuyển của các loài chim dựa trên các quy tắc đơn giản cho từng cá thể, phản ánh hành vi tự tổ chức Ông nhận thấy thuật toán này có xu hướng rơi vào tối ưu cục bộ, làm hạn chế nhận thức của các con chim trong phạm vi khu vực lân cận Khi mô phỏng, Reynold quan tâm đến hình dạng hình học, định hướng, vị trí và vận tốc của từng con chim, trong đó vận tốc được xác định dựa trên tốc độ và hướng di chuyển Các quy tắc này nhằm mô tả hành vi của mỗi cá thể trong đàn nhằm đạt hiệu quả mô phỏng tự nhiên và chân thực hơn.

- Tránh va chạm: Mỗi cá thể cần tránh va chạm với những cá thể khác;

- Hòa hợp về vận tốc: Tốc độ và hướng của các thành viên trong đàn phải giống nhau;

- Định tâm đàn: Những con chim được mô phỏng phải được ở cùng nhau, vì vậy chúng cần di chuyển đến trung tâm của các cá thể gần đó

Hành vi giống như bầy đàn được mô phỏng dựa trên các quy tắc cơ bản, đảm bảo tính logic và phối hợp giữa các cá thể Các quy tắc này thường bao gồm việc giới hạn tốc độ tối đa và gia tốc để duy trì sự ổn định và hiệu quả của hệ thống Việc áp dụng các điều kiện giới hạn bổ sung giúp tăng tính thực tế và khả năng mô phỏng các hành vi tự nhiên của đàn Do đó, mô hình này phù hợp để phân tích và dự đoán hành vi của các hệ thống tự tổ chức trong tự nhiên hoặc công nghiệp.

Các cá thể trong nhóm đã tương tác với nhau trong quá trình di chuyển, tạo nên các mô hình chuyển động phức tạp Điều này phản ánh cách các bầy chim, đàn cá và đàn động vật trên cạn di chuyển theo nhóm một cách tự nhiên và tinh tế.

Reynold Reeves đã mở rộng khái niệm hệ thống đàn để bao gồm các vật thể mờ như lửa, khói, mây hoặc nước, không thể mô tả bằng các phép biến đổi Affine đơn giản trong đồ họa máy tính Để mô phỏng những hệ thống phức tạp này, Reeves đã sử dụng hàng triệu cá thể, mỗi cá thể có hành vi riêng như vị trí, vận tốc, màu sắc và độ trong suốt Mỗi cá thể được xem như một điểm trong không gian ba chiều, với vận tốc của nó được xác định dựa trên đặc tính của hệ thống, rồi sau đó cộng vào vị trí của cá thể đó, tạo nền tảng cho sự phát triển của thuật toán bầy đàn PSO sau này.

Heppner và Grenander đã thể hiện chuyển động đồng bộ của các loài chim bằng cách xây dựng các bộ quy tắc riêng biệt cho từng con chim, giúp mô phỏng hành vi tập thể của đàn chim một cách chính xác Nghiên cứu này góp phần làm rõ cách các loài chim tương tác và phối hợp trong quá trình di chuyển, mang lại những hiểu biết sâu sắc về quy luật tự nhiên của các hành vi tập thể trong tự nhiên.

Mô hình đàn chim, bắt nguồn từ ý tưởng của 62 họ, nhằm mô phỏng cách các con chim thu hút nhau vào tổ Kennedy và Eberhart đã mở rộng mô hình này bằng cách mô phỏng các con chim có khả năng đánh giá khoảng cách đến tổ, gọi là trường vector Trong quá trình di chuyển, các con chim cố gắng giảm thiểu khoảng cách này qua sự va chạm và tương tác với các cá thể khác trong đàn, và quá trình này kết thúc khi trường vector đạt giá trị mong muốn Ban đầu, mô hình này dựa trên hành vi xã hội của con người, phản ánh sự tương tác dựa trên niềm tin, suy nghĩ và thái độ trong một không gian nhận thức đa chiều, nơi những người sống trong cùng môi trường thường chia sẻ chuẩn mực và văn hóa giống nhau.

Trong quá trình di chuyển trong không gian ba chiều, các cá thể sẽ cố gắng tránh va chạm để mô phỏng hành vi của con người Nền tảng của thuật toán tối ưu PSO dựa trên mô hình này, trong đó mỗi cá thể có khả năng tự đánh giá môi trường, so sánh với các cá thể lân cận và bắt chước những thành viên thành công hơn Nhờ vào các nguyên tắc này, các cá thể trong PSO có thể học hỏi từ những người khác để tự tối ưu hóa hiệu suất đến mức độ nhất định.

3.4.1.3 Khái niệm và công thức PSO a Khái niệm cơ bản

Nguyên tắc của thuật toán tối ưu bầy đàn PSO dựa trên cơ sở khoa học xã hội và khoa học máy tính, kết hợp trí thông minh tập thể để giải quyết các bài toán phức tạp PSO mô phỏng hành vi tìm kiếm thức ăn của các sinh vật trong không gian đa chiều bằng cách sử dụng các hành vi tập thể và tương tác cục bộ với môi trường, từ đó tạo ra các hàm tối ưu toàn cục hiệu quả.

Do đó, nền tảng của PSO có thể được thể hiện như sau:

Kết luận chương 3

Trong hệ thống PV, mục tiêu quan trọng là duy trì dòng công suất phát từ dàn PV tới tải luôn đạt công suất cực đại bất kể điều kiện thời tiết như thế nào, nhằm tối ưu hiệu suất hệ thống Chương 3 của bài viết tập trung nghiên cứu các thuật toán điều khiển công suất cực đại (MPPT) phổ biến và đề xuất các cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả của các thuật toán này trong điều khiển hệ thống PV Các phương pháp mới được phát triển giúp hệ thống hoạt động tối ưu hơn, đảm bảo công suất đầu ra ổn định và cao nhất có thể.

Chương 3 tác giả giới thiệu một số thuật toán cho bộ điều khiển MPPT và nghiên cứu thuật toán INC và đưa ra các cải tiến phát triển cho thuật toán INC làm cho hệ thống đạt điểm công suất cực đại nhanh hơn, dao động quanh điểm công suất cực đại hẹp và ít hơn, giảm thiểu được hao tổn công suất phát do dao động quanh điểm công suất cực đại Trong chương 3 này tác giả cũng chú trọng nghiên cứu thuật toán PSO áp dụng trong điều khiển MPPT và đã đề xuất các thuật toán mới bằng cách phát triển dựa trên thuật toán PSO cổ điển đó là thuật toán DPSO và thuật toán PPSO áp dụng cho bộ điều khiển MPPT để cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống PV

Nhữ Khải Hoàn, Lê Thị Hường, Đồng Văn Hướng đã nghiên cứu cải tiến thuật toán độ dẫn gia tăng nhằm nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống điện mặt trời Bài báo trình bày các kỹ thuật tối ưu để kiểm soát điểm công suất cực đại của hệ thống năng lượng mặt trời, góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng tái tạo Nghiên cứu tập trung vào việc cải tiến thuật toán điều khiển, giúp hệ thống điện mặt trời đạt được công suất tối đa một cách ổn định và chính xác hơn Các kết quả thực nghiệm cho thấy phương pháp mới giúp tăng cường khả năng bám điểm công suất cực đại, cải thiện độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống năng lượng mặt trời.

[2] Van Huong Dong, Khai Hoan Nhu, Thi Thom Hoang, Thanh Cong Pham (2018)

“Tracking Maximum Power Point For Photovoltaic System Using A Novel Differential Particle Swarm Optimization”, Journal of Mechanical Engineering

The article by Cong-Thanh Pham et al discusses the development of Particle Swarm Optimization (PSO) algorithms for accurately tracking the Maximum Power Point (MPP) in photovoltaic (PV) systems It highlights how PSO enhances the efficiency and reliability of solar energy harvesting by optimizing MPP detection The research emphasizes the significance of advanced optimization techniques like PSO in improving the performance of renewable energy systems This study provides valuable insights into the application of intelligent algorithms to maximize photovoltaic system output, contributing to the advancement of sustainable energy technology.

Science, Engineering and Information Technology IJASE, Vol.9 (2019): 1732-

[4] Khai Hoan Nhu, Van Huong Dong, Cong-Thanh Pham, Quoc Tuan Vu, Thi Thom Hoang, “Application of Particle Swarm Optimization for MPPT in Photovoltaic

Systems” Indonesian Journal of Electrical Engineering and Computer Science

(Đã gửi bài, chờ duyệt đăng)