Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời

Luận án nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng điện mặt trời, nghiên cứu các thuật toán để giải quyết các bài toán tối ưu công suất trong các hệ thống điện mặt trời từ đó đưa ra các thuật toán mới để phát triển hệthống theo hướng tối ưu hơn, tiến hành mô phỏng hệthống năng lượng điện mặt trời trên phần mềm Matlab, sau cùng là thực hiện thiết kế một hệ thống thực nối lưới.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

NHỮ KHẢI HOÀN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

TP HỒ CHÍ MINH - 2019

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ GIAO THÔNG VẬN TẢI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI TP HỒ CHÍ MINH

NHỮ KHẢI HOÀN

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN HỆ THỐNG

NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Tóm tắt

Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất của con người So với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… năng lượng mặt trời có đặc điểm không ô nhiễm về môi trường, độ an toàn cao, nguồn năng lượng vô tận, có thể phân bố mọi nơi trong mọi dải công suất 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 triển các thuật toán tìm điểm điểm công suất cực đại cho các bộ điều khiển công suất cực đại (MPPT) để hệ thống làm việc đạt hiệu suất cao hơn và ổn định hơn, đồng thời tác giả cũng thiết kế chế tạo thực nghiệm một hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới theo hướng phát triển của các bộ biến đổi công suất DC/DC và DC/AC Thuật toán MPPT thực sự rất cần thiết để giúp hệ thống phát được công suất lớn nhất góp phần làm tăng hiệu suất của hệ thống và giảm giá thành sản phẩm Chính vì vậy MPPT trở thành một trong những chức năng quan trọng mà hệ thống năng lượng điện mặt cần phải có Đã có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng, trong luận án này tác giả nghiên cứu thuật toán độ dẫn gia tăng (INC) và đề xuất các cải tiến cho thuật toán này, đồng thời tác giả cũng nghiên cứu thuật toán tối ưu bày đàn (PSO) áp dụng cho bộ điều khiển MPPT và đề xuất các thuật toán phát triển của thuật toán PSO như: thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO), thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loạn (PPSO) và áp dụng chúng trong bộ điều khiển MPPT để cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng điện mặt trời

Kỹ thuật điều khiển MPPT dựa trên các thuật toán phát triển đã được thử nghiệm thành công trên mô hình hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng đầu ra của

hệ thống áp dụng các thuật toán đề xuất đều là trên 99% Hơn nữa, những kết quả này được so sánh với kết quả thu được từ các bộ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng 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 năng lượng điện mặt trời

Từ khóa: Phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời; cải tiến thuật toán INC;

DPSO – MPPT; PPSO – MPPT

Abstract

Solar energy is one of the most promising alternative energy Due to low fuel cost, environmentally friendly and low-cost maintenance, solar energy demonstrates the superiority as compared to other energy sources, such as hydroelectricity, wind power, thermal power, nuclear power Moreover, solar energy can be distributed everywhere with the widely operating range Therefore, there are various researches in order to enhance the operating efficiency of solar energy system However, in the framework of the dissertation, the author only focuses on developping intelligent algorithms to improve the performance of the maximum power point tracking (MPPT) controller Furthermore, the author designed and manufactured an experimental system of a grid-connected solar power system according to the development of DC / DC and DC / AC power converters

The MPPT algorithm is really necessary to generate the maximum power in photovoltic (PV) systems in order to increase the efficiency of the system as well as reduce product costs Therefore, a maximum power point tracking (MPPT) controller is normally integrated with PV power generation systems Many MPPT algorithms have been studied; nevertheless, in this dissertation, the author firstly researches the increase conductivity algorithm (INC) and some of its improved algorithm Next, a swarm intelligence based optimization technique, namely Particle Swarm Optimzation (PSO)

is applied to enhance the performance of MPPT controller After that, some of PSO variants, such as differential particle swarm optimization (DPSO), disturbance particle swarm optimization (PPSO) are proposed because of the purpose of improving the performance of PV

The MPPT controlling technique based on developed algorithms have been successfully tested on a system model The simulation results show that the maximum power is all over 99%, demonstrates the effectiveness of the proposed methods Moreover, the obtained results are compared to those obtained using traditional

algorithms, shows the superiority of the proposed method

Keywords: Development a solar power system; proposes improvements INC;

DPSO – MPPT; PPSO – MPPT

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy PGS.TS Đồng Văn Hướng và TS Phạm Công Thành những người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn để em hoàn thành luận án tiến sĩ này

Em xin cảm ơn quý thầy, cô trong trường Đại Học Giao Thông Vận Tải TP.HCM đã đem lại cho em thêm rất nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập nghiên cứu ở đây

Con xin biết ơn gia đình đã có những lời động viên giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong quá trình học tập và nghiên cứu làm luận án

Tôi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi trong công việc để tôi có thời gian nhiều hơn trong công việc học tập và nghiên cứu làm luận án

Trân trọng cảm ơn !

LỜI CAM ĐOAN

Tôi tên là Nhữ Khải Hoàn hiện đang là nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật điều khiển

và Tự động hóa của Trường Đại học Giao thông Vận tải Thành phố Hồ Chí Minh Tôi xin cam đoan và hoàn toàn chịu trách nhiệm về lời cam đoan này:

 Toàn bộ nội dung của luận án tiến sĩ “Nghiên cứu và phát triển hệ thống năng

lượng điện mặt trời” là công trình nghiên cứu của chính tác giả thực hiện dưới sự

hướng dẫn khoa học của PGS.TS Đồng Văn Hướng và TS Phạm Công Thành

 Trong quá trình thực hiện luận án tôi có kế thừa kiến thức trong những tài liệu tham khảo trong và ngoài nước (phần tài liệu tham khảo) Việc tham khảo các nguồn tài liệu đều có trích dẫn rõ ràng theo quy định

 Các kết quả mô phỏng, thí nghiệm sử dụng để kết luận và đánh giá trong luận án hoàn toàn chân thực

Tác giả luận án

Nhữ Khải Hoàn

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN iii

LỜI CAM ĐOAN iv

MỤC LỤC v

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA viii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT xii

CHƯƠNG 1 1

GIỚI THIỆU 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án 7

1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu 9

1.4 Điểm mới của luận án 10

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ……… ………8

1.6 Bố cục của luận án ……… ………8

CHƯƠNG 2 12

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 12

2.1 Tổng quan chung về hệ thống NLMT 12

2.1.1 Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới 12

2.1.2 Hệ thống năng lượng điện mặt trời độc lập 15

2.1.3 Một số hệ thống năng lượng điện mặt trời khác 16

2.2 Đường đặc tuyến của pin quang điện 17

2.2.1 Cấu trúc tế bào quang điện 17

2.2.2 Tấm pin quang điện 20

2.3.3 Mô hình hóa tế bào quang điện 20

2.3 Những yếu tố trọng tâm nghiên cứu phát triển trong hệ thống năng lượng điện mặt trời 24

2.3.1 Điều khiển công suất cực đại 25

2.3.2 Giải pháp anti-islanding 27

2.3.3 Bù công suất phản kháng 29

2.3.4 Giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp 29

2.4 Kết luận chương 2 30

CHƯƠNG 3 31

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN BỘ ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 31

3.1 Các yếu tố ảnh hưởng tới MPP 32

3.1.1 Ảnh hưởng của bức xạ 32

3.1.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ 34

3.1.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm 36

3.2 Tìm điểm công suất cực đại 37

3.2.1 Phương pháp Hill – Climbing 38

3.2.2 Phương pháp điều khiển logic mờ (FLC) 43

3.2.3 Phương pháp mạng nơron (NN) 45

3.2.4 Phương pháp phân đoạn điện áp hở mạch (VOC) 46

3.2.5 Phương pháp phân đoạn dòng ngắn mạch (ISC) 47

3.2.6 Phương pháp điều khiển gợn sóng tương quan (RCC) 47

3.3 Nghiên cứu phát triển thuật toán độ dẫn gia tăng trong điều khiển bám điểm công suất cực đại 48

3.3.1 Theo dõi MPP bằng thuật toán INC truyền thống 50

3.3.2 Phát triển thuật toán INC nhằm đạt MPP nhanh 52

3.3.3 Phát triển thuật toán INC nhằm giảm dao động quanh MPP 56

3.4 Nghiên cứu phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn trong điều khiển bám điểm công suất cực đại 59

3.4.1 Thuật toán tối ưu bầy đàn (PSO) 59

3.4.2 Phát triển thuật toán tối ưu bầy đàn 73

3.5 Kết luận chương 3 81

CHƯƠNG 4 82

MÔ PHỎNG KIỂM CHỨNG CÁC THUẬT TOÁN MPPT PHÁT TRIỂN CHO HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 82

4.1 Kết quả mô phỏng thuật toán INC các phát triển của thuật toán INC 82

4.1.1 Sơ đồ mô phỏng 82

4.1.2 Kết quả mô phỏng 83

4.2 Kết quả mô phỏng thuật toán PSO và các phát triển của thuật toán PSO 92

4.2.1 Sơ đồ mô phỏng 92

4.2.2 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-PSO 93

4.2.3 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-DPSO 93

4.2.4 Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT-PPSO 99

4.3 Kết luận chương 4 104

Chương 5 105

THIẾT KẾ CHẾ TẠO HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI 105

5.1 Cấu trúc tổng thể của hệ thống thiết bị 105

5.1.1 Bộ biến đổi DC/DC 106

5.1.2 Bộ biến đổi DC/AC 107

5.1.3 Bộ điều khiển hệ thống 109

5.1.4 Các Modul thu thập dữ liệu và hiển thị 112

5.1.5 Sơ đồ chi tiết hệ thống 113

5.2 Kết quả hệ thống thực nghiệm 115

5.3 Kết luận chương 5 116

CHƯƠNG 6 117

KẾT LUẬN VÀ PHƯƠNG HƯỚNG PHÁT TRIỂN 117

6.1 Kết luận 117

6.2 Phương hướng phát triển đề tài 118

DANH MỤC CÔNG TRÌNH CỦA TÁC GIẢ 119

TÀI LIỆU THAM KHẢO 120

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1 Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013 2

Hình 1.2 Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015 2

Hình 1.3 Nhà máy điện mặt trời Topaz Solar Farm (Hoa Kỳ) 3

Hình 1.4 Hệ thống điện mặt trời tại Ninh Thuận 5

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống PV đơn cấp 13

Hình 2.2 Hệ thống PV lưỡng cấp 15

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống PV độc lập 16

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới có dự trữ 16

Hình 2.5 Hệ thống PV độc lập không dự trữ 16

Hình 2.6 Hệ thống PV độc lập hỗn hợp 17

Hình 2.7 Cấu trúc chất bán dẫn thông thường 17

Hình 2.8 Cấu trúc chất bán dẫn trộn boron 18

Hình 2.9 Cấu trúc chất bán dẫn trộn phosphor 18

Hình 2.10 Kết hợp bán dẫn loại p và loại n 19

Hình 2.11 Cấu trúc tế bào quang điện 19

Hình 2.12 Hình ảnh tế bào quang điện và các cách ghép nối 20

Hình 2.13 a) Tấm pin quang điện b) Hệ pin quang điện 20

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 20

Hình 2.15 Mạch tương đương của một tế bào quang điện 21

Hình 2.16 Sơ đồ đo ISC và VOC của pin quang điện 21

Hình 2.17 a) Đường đặc tuyến I – V b) Đường đặc tuyến P – V ……… ………21

Hình 2.18 Đường đặc tuyến I – V của tế bào quang điện trường hợp có ánh sáng và không có ánh sáng 23

Hình 2.19 Đường đặc tuyến I – V của tế bào quang điện trường hợp ảnh hưởng RS, RP và không bị ảnh hưởng 24

Hình 2.20 Sơ đồ điều khiển MPPT của PV 26

Hình 3.1 Đặc tuyến I – V, P – V và P – I với các mức bức xạ khác nhau 33

Hình 3.2 Đặc tuyến I – V, P – V và P – I với các nhiệt độ khác nhau 35

Hình 3.3 Đặc tính I-V, P-V khi có bóng râm 36

Hình 3.4 Đặc tuyến P – V của pin quang điện và thuật toán P&O 39

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán P&O 40

Hình 3.6 Đường đặc tuyến P – V của hệ PV và thuật toán INC 41

Hình 3.7 Sơ đồ thuật toán INC 42

Hình 3.8 Hàm thành viên 43

Hình 3.9 Mạng Neural cơ bản 45

Hình 3.10 Trường hợp bức xạ thay đổi 49

Hình 3.11 Trường hợp nhiệt độ thay đổi 50

Hình 3.12 Lưu đồ thuật toán INC với biến D cố định 52

Hình 3.13 Đặc tuyến P-V và dP/(dV–dI) –V ……… 53

Hình 3.14 Đặc tuyến I-V và dP/(dV–dI) –V ………54

Hình 3.15 Lưu đồ thuật toán INC với kích thước bước nhảy thay đổi nhằm mục đích hội tụ nhanh 566

Hình 3.16 Lưu đồ thuật toán INC với kích thước bước nhảy thay đổi nhằm mục đích giảm dao động tại MPP 57

Hình 3.17 Sơ đồ thuật toán của PSO 677

Hình 3.18 Cấu trúc mạng PSO 688

Hình 3.19 Sự thay đổi không gian tìm kiếm của PSO 733

Hình 3.20 Cơ chế tìm kiểm của DPSO trong không gian đa chiều 755

Hình 3.21 Sơ đồ thuật toán của MPPT - DPSO 766

Hình 3.22 Cơ chế tìm kiếm của PPSO trong không gian đa chiều 788

Hình 3.23 Lưu đồ thuật toán PPSO - MPPT 800

Hình 4.1 Sơ đồ mô phỏng thuật toán INC 82

Hình 4.2 Đường đặc tính V – P của hệ pin quang điện 83

Hình 4.3 Đường đặc tính V – I của hệ pin quang điện ………80

Hình 4.4 Công suất cực đại của hệ pin quang điện theo lý thuyết 83

Hình 4.5 Đáp ứng đầu ra hệ thống PV với thuật toán INC truyền thống 85

Hình 4.6 So sánh các đáp ứng của thuật toán INC truyền thống và bước nhảy thay đổi 87

Hình 4.7 Đáp ứng D của INC truyền thống và bước nhảy thay đổi lúc khởi động 87

Hình 4.8 Đáp ứng P của INC truyền thống và bước nhảy thay đổi lúc khởi động 87

Hình 4.9 Đáp ứng P của INC truyền thống và bước nhảy thay đổi lúc bức xạ

thay đổi từ 700W/m2 lên 900W/m2 88

Hình 4.10 So sánh độ dao động P của INC truyền thống và bước nhảy tại MPP 88

Hình 4.11 So sánh thuật toán INC truyền thống và giảm dao động tại MPP 90

Hình 4.12 Đồ thị D khi quá độ và tăng bức xạ 90

Hình 4.13 So sánh đáp ứng công suất của 3 thuật toán và lý thuyết 92

Hình 4.14 Mô hình mô phỏng của hệ thống PV sử dụng giải thuật DPSO 93

Hình 4.15 Đáp ứng đầu ra hệ thống PV với thuật toán PSO 93

Hình 4.16 Đáp ứng của công suất đầu ra trong ba trường hợp: không sử dụng MPPT, sử dụng DPSO, P&O và InCond 96

Hình 4.17 So sánh đáp ứng công suất của thuật toán DPSO và PSO 97

Hình 4.18 Đáp ứng của công suất đầu ra P trong quá trình tăng năng lượng bức xạ 98

Hình 4.19 Đáp ứng của công suất đầu ra P trong quá trình giảm năng lượng bức xạ 98 Hình 4.20 Mô hình mô phỏng của hệ thống PV sử dụng giải thuật MPPT-PPSO 100

Hình 4.21 Mô hình mô phỏng kết nối của bốn modul PV 101

Hình 4.22 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển MPPT- PPSO 103

Hình 5.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống PV 105

Hình 5 2.a Sơ đồ mạch nguyên lý Interleaved Boost Converter 106

Hình 5.2 b Mạch thiết kế thực Interleaved Boost Converter 106

Hình 5.3.a Sơ đồ mạch nguyên lý nghịch lưu NPC 3 bậc 108

Hình 5.3.b Mạch thiết kế thực nghịch lưu NPC 3 bậc 108

Hình 5.4 a Mạch thiết kế thực board mạch điều khiển 109

Hình 5.4.b Sơ đồ mạch nguyên lý board mạch điều khiển 103

Hình 5.5 a Cảm biến dòng 112

Hình 5.5.b Cảm biến áp 112

Hình 5.5 c Màn hình HMI 113

Hình 5.6 a Hệ thống thực nghiệm 113

Hình 5.6 b Sơ đồ nguyên lý hệ thống 54

Hình 5.7 Giao diện điều khiển hệ thống PV 115

Hình 5.8 Dạng sóng điện áp đầu ra pha A của hệ thống PV 115

DANH MỤC BẢNG

Bảng 3.1 Bảng luật mờ 44

Bảng 4.1 Năm vấn đề tối ưu Benchmark 94

Bảng 4.2 Kết quả lựa chọn tham số của PSO và DPSO 94

Bảng 4.3 Kết quả tối ưu của thuật toán PSO cho các vấn đề Benchmark sau 10 lần chạy độc lập 95

Bảng 4.4 Kết quả tối ưu của thuật toán DPSO cho các vấn đề Benchmark sau 10 lần chạy độc lập 95

Bảng 4.5 Kết quả của các bộ điều khiển MPPT dựa trên các thuật toán tối ưu khác nhau 99

Bảng 4.6 Kết quả tối ưu của thuật toán PPSO cho các vấn đề Benchmark 99

Bảng 4.7 Các giá trị bức xạ mặt trời cho các tấm PV 102

Bảng 4.8 Thay đổi giá trị bức xạ cho MPPT- PPSO 102

Bảng 4.9 Công suất cực đại khi có/không có thuật toán MPPT- PPSO 103

Differential Particle Swarm Optimization

Fuzzy Logic Control

Maximum Power Point

Maximum Power Point Tracking

Neural Network

Perturbed Particle Swarm Optimization

Perturb and Observe

Partially Shaded Conditions

Particle Swarm Optimization

Pulse Width Modulation

Ripple Correlation Control

Fractional Open – Circuit Voltage

Dòng xoay chiều Dòng một chiều Tối ưu bày đàn vi phân Điều khiển logic mờ Giải thuật di truyền Leo đồi

Điện dẫn gia tăng Tăng điện trở Phân đoạn dòng điện ngắn mạch Pin mặt trời

Điểm cực đại

Dò tìm điểm cực đại Mạng Nơron

Tối ưu bầy đàn nhiễu loạn Xáo trộn và quan sát Hiện tượng bóng râm Tối ưu bầy đàn Điều biến độ rộng xung Điều khiển gợn sóng tương quan Phân đoạn điện áp hở mạch

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU 1.1 Lý do chọn đề tài

Năng lượng mặt trời (NLMT) được biết đến như là một nguồn năng lượng xanh

và vô tận Trong thế kỷ 21, NLMT ngày càng trở nên là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất của con người [1, 116] So với các nguồn năng lượng khác như thủy điện, phong điện, nhiệt điện, điện hạt nhân… NLMT có đặc điểm: không ô nhiễm

về môi trường, độ an toàn cao, nguồn năng lượng vô tận, có thể phân bố mọi nơi trong mọi dải công suất (từ vài chục W đến hàng trăm MW) Nếu như 0.1% năng lượng mặt trời trên diện tích toàn cầu được chuyển hóa thành điện năng với hiệu suất 5%, mỗi năm ước tính có thể đạt được 5.6×1012 kWh, tương đương với 40 lần năng điện hiện tại trên toàn cầu [1, 2]

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

3 GW, dự tính đến năm 2020 con số này sẽ lên đến 54 GW Tại Châu Á, Nhật Bản là quốc gia có hệ thống NLMT lớn nhất Trong chính sách và kế hoạch phát triển năng lượng của Nhật Bản, dự tính tới năm 2030 tổng sản lượng điện NLMT sẽ đạt tới 1000

GW Đối với Trung Quốc - một quốc gia với dân số lớn nhất thế giới và cũng đang là một trong các cường quốc kinh tế đã và đang nỗ lực phát triển hệ thống NLMT Dự kiến đến năm 2020 tổng sản lượng điện NLMT của Trung Quốc sẽ đạt tới 1.8 GW [1, 2] Trước năm 1999, Mỹ là quốc gia có sản lượng điện NLMT lớn nhất thế giới (hiện nay

vị trí này đang thuộc về Nhật Bản và EU) Tốc độ phát triển NLMT của Mỹ bình quân hàng năm vào khoảng 30% Đồng thời Mỹ cũng dự tính đến năm 2020 dung lượng điện NLMT sẽ đạt tới 36 GW Và đến năm 2030 con số này sẽ là 200 GW [1,2]

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 thể hiện sự biến đổi về giá cả của pin quang điện tại US, ta thấy được giá pin quang điện giảm rất mạnh từ 76USD/watt vào năm 1977 xuống chỉ còn 0.3USD/watt vào năm 2015 Sự giảm này góp phần dẫn tới chi phí lắp đặt hệ thống mặt trời càng giảm, tạo tiền đề cho sự phát triển của thệ thống điện mặt trời.[127]

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

Nhìn tổng quát về tình hình phát triển của lĩnh vực điện mặt trời trên thế giới ta thấy nó phát triển chậm đến những năm cuối thế kỷ 20 và đầu thế kỷ 21 Trong khoảng

10 năm trở lại đây phát triển mạnh mẽ mang tính bộc phát Cụ thể, số lượng các nước trên thế giới gia nhập cộng đồng điện mặt trời càng ngày càng nhiều thêm Và thứ bậc theo tổng công suất điện năng mặt trời cũng biến động từ năm này sang năm khác Khoảng 5 năm trở lại đây các cường quốc điện mặt trời phát triển vượt bậc và thứ tự xếp hạng cũng bị thay đổi nhanh chóng theo năm

Nước Mỹ là một trường hợp đặc biệt Nước này bước vào con đường phát triển điện mặt trời khá muộn màng, nhưng tốc độ và cách đi khá ấn tượng thể hiện tiềm năng lớn của quốc gia cường quốc giàu mạnh nhất thế giới.[128]

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

Chỉ khoảng 4-5 năm gần đây nhất nước Mỹ vượt qua nhiều nước để vươn lên vị trí thứ 5 của danh sách xếp hạng Và đặc biệt Mỹ đã tiến hành xây dựng các nhà máy điện mặt trời “khủng” nhất thế giới, chiếm hẳn 5 vị trí đầu về quy mô cả về điện mặt trời quang điện SVP và cả về điện mặt trời hội tụ nhiệt quang CSP Điều này chứng tỏ tổng công suất và diện tích lắp đặt nhà máy năng lượng mặt trời tại Mỹ cũng tăng đột biến

Tại Việt Nam mặc dù là quốc gia có tiềm năng lớn về quang năng, tuy nhiên đối với Việt Nam vấn đề nghiên cứu và sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) mới đang đà phát triển Năng lượng điện quốc gia trước đây chủ yếu là thủy điện và nhiệt điện một

phần năng lượng gió Bên cạnh các nguồn năng lượng điện như nhiệt điện, thủy điện…, việc phát triển các dự án năng lượng mặt trời có ý nghĩa quan trọng, nhằm đóng góp sản lượng vào hệ thống điện quốc gia và thúc đẩy phát triển các dạng năng lượng, góp phần giảm phát thải nhà kính, bảo vệ môi trường

Theo nghiên cứu của Viện Năng lượng, Việt Nam có tiềm năng lớn để phát triển NLMT, với tổng bức xạ trung bình từ 4,3- 5,7 triệu kWh/m² Các tỉnh ở phía Bắc (từ Thừa Thiên - Huế trở ra) bình quân trong năm có khoảng 1.800 - 2.100 giờ nắng Các tỉnh ở phía Nam (từ Đà Nẵng trở vào), bình quân có khoảng 2.000 - 2.600 giờ nắng, lượng bức xạ Mặt Trời tăng 20% so với các tỉnh phía Bắc Ở vùng này, Mặt Trời chiếu gần như quanh năm, kể cả vào mùa mưa, đây là điều kiện thuận lợi để phát triển NLMT Tuy nhiên, trên thực tế hiện nay, việc khai thác NLMT đã chú trọng và nhiều dự án đã được triển khai nhưng nó vẫn chưa tương xứng với tiềm năng, hầu hết các dự án NLMT tại Việt Nam đều tập trung lớn ở một số tỉnh miền nam trung bộ

Đối với hệ thống NLMT nối lưới, tại Việt Nam công nghệ - kỹ thuật này còn khá mới mẻ [116] Ngày 25/11/2015, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 2068/QĐ-TTg phê duyệt Chiến lược phát triển năng lượng tái tạo đến năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó nêu rõ định hướng phát triển NLMT từ nay đến năm 2050

sẽ chú trọng phát triển điện mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện lưới quốc gia Đồng thời, đưa tỷ lệ điện năng sản xuất từ nguồn NLMT trong tổng sản lượng điện sản xuất từ mức không đáng kể hiện nay lên khoảng 0,5% vào năm 2020, 6% vào năm 2030

và 20% vào năm 2050 Trong Quy hoạch điện VII (điều chỉnh) được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt cũng yêu cầu đẩy nhanh tiến độ của các dự án điện mặt trời, bao gồm nguồn tập trung lắp đặt trên mặt đất và các nguồn riêng lẻ lắp đặt trên nóc nhà, đưa công suất nguồn điện mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020, đến năm 2025 là 4.000

MW và năm 2030 là 12.000 MW Theo lộ trình, từ nay đến năm 2020, mỗi năm, Việt Nam cần xây dựng các dự án điện mặt trời với công suất 200 MW; từ năm 2020 - 2025, mỗi năm phải lắp đặt hơn 600 MW và 5 năm tiếp theo, phải lắp đặt 1.600 MW mới đạt

kế hoạch đề ra

Tuy nhiên, thách thức lớn nhất đối với phát triển điện mặt trời là vấn đề chi phí đầu tư để khai thác, sử dụng NLMT rất cao do công nghệ, thiết bị sản xuất đều nhập từ

nước ngoài Phần lớn, những dự án điện mặt trời lớn đều sử dụng nguồn vốn tài trợ, hoặc vốn vay nước ngoài Ngoài ra, các dự án điện mặt trời thường được lắp đặt tại các

vị trí xa trung tâm phụ tải, gây khó khăn cho việc đấu nối vào lưới điện quốc gia, đồng thời làm gia tăng chi phí đấu nối [129]

Tháng 8/2016, tại cuộc họp Thường trực Chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời, Thủ tướng Chính phủ đã thống nhất với đề xuất của Bộ Công Thương về việc xem xét ban hành cơ chế hỗ trợ phát triển các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Đồng thời, Thủ tướng Chính phủ yêu cầu Bộ Công Thương bổ sung quy định cụ thể về quy hoạch đối với điện mặt trời (phát triển các dự án theo bản đồ bức xạ Mặt Trời, bổ sung các dự án điện sử dụng NLMT vào quy hoạch phát triển điện lực…); Cập nhật giá thiết bị điện mặt trời để đưa ra mức giá mua bán điện phù hợp; Nghiên cứu,

bổ sung quy định để thực hiện đấu thầu các dự án điện mặt trời theo hướng công khai, minh bạch [130]

Ngày 07 tháng 8 năm 2017, Thủ tướng Chính phủ đã ký chỉ định số 34/CT-TTg

về việc tăng cường tiết kiệm điện, nhằm đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế - xã hội của đất nước, nâng cao sức cạnh tranh của nền kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia gắn với phát triển bền vững và bảo vệ môi trường Chỉ thị này thay thế Chỉ thị

171/CT-TTg ngày 26/01/2011 của Thủ tướng Chính phủ về việc tăng cường tiết kiệm điện Thủ tướng Chính phủ yêu cầu các tổ chức, cá nhân thực hiện nghiêm việc tiết kiệm điện Để đáp ứng yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội của đất nước trong giai đoạn hiện nay với mục tiêu tăng cường hiệu lực, hiệu quả quản lý nhà nước trong việc tiết kiệm điện nhằm nâng cao sức cạnh tranh của nền kinh tế, đảm bảo an ninh năng lượng quốc gia gắn với phát triển bền vững và bảo vệ môi trường

Nhằm đẩy mạnh khai thác và sử dụng có hiệu quả nguồn năng lượng Mặt Trời, Thủ tướng Chính phủ đã ban hành Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện Mặt Trời tại Việt Nam Đây được coi là hướng mở, “cú huých” phát triển nguồn năng lượng này Theo Quyết định này, dự án điện Mặt Trời được miễn thuế nhập khẩu đối với hàng hóa nhập khẩu để tạo tài sản cố định cho dự án; thực hiện theo quy định của pháp luật hiện hành về thuế xuất khẩu, thuế nhập khẩu đối với hàng hóa nhập khẩu phục vụ sản xuất của dự án là nguyên liệu, vật tư, bán thành phẩm trong nước chưa sản xuất được

Các dự án điện mặt trời, công trình đường dây và trạm biến áp để đấu nối với lưới điện được miễn, giảm tiền sử dụng đất, tiền thuê đất, tiền thuê mặt nước theo quy định của pháp luật hiện hành áp dụng cho dự án thuộc lĩnh vực ưu đãi đầu tư Hiện tại, đã có khoảng 50 dự án điện mặt trời được các doanh nghiệp trong và ngoài nước triển khai, chủ yếu tại các tỉnh miền Trung như: Quảng Nam, Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, Ninh Thuận, Bình Thuận và đồng bằng sông Cửu Long Khánh Hòa có 9 dự án điện mặt trời quy mô lớn được UBND tỉnh quy hoạch với tổng diện tích 795ha, tổng mức đầu tư 13.020 tỷ đồng Theo Sở Kế hoạch và Đầu tư Ninh Thuận tính đến cuối tháng 9/2018, tỉnh có 29 dự án điện mặt trời, với tổng công suất 1.938,17 MW Có thể nói, việc hoàn thiện các cơ chế, chính sách khuyến khích phát triển NLMT là rất cần thiết, để tạo ra làn sóng đầu tư vào lĩnh vực điện mặt trời, góp phần thực hiện tăng trưởng xanh và phát triển bền vững tại Việt Nam

Theo thành phần cấu trúc cũng như chức năng, hệ thống PV có thể được chia thành

ba loại: hệ thống độc lập, hệ thống kết nối lưới và hệ thống lai Đối với những nơi cách

xa hệ thống điện lưới, các hệ thống PV độc lập được coi là một giải pháp thay thế điện lưới tối ưu Những hệ thống này có thể được xem như là một nguồn kinh tế thiết thực

và đáng tin cậy về điện ở các vùng nông thôn xa xôi, đặc biệt là những nơi điện lưới

không thể tiếp cận được Các hệ thống lai thích hợp cho những khu vực có hệ thống điện lưới nhưng hệ thống lưới điện không ổn định hay bị mất điện Các hệ thống kết nối lưới hiện nay phát triển rất mạnh, nó thích hợp cho việc phát triển nguồn năng lượng mặt trời biến đổi thành điện năng hòa vào lưới điện chung thay thế dần các nguồn năng lượng hóa thạch dùng chuyển đổi thành điện năng phát trên lưới

Chính vì vậy việc nghiên cứu và phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời là một việc hết sức cần thiết và cấp bách hiện nay Trải qua nhiều năm nghiên cứu, hệ thống NLMT ngày càng hoàn thiện Có thể thấy một số xu hướng chính trong nghiên cứu phát triển hệ NLMT như: nâng cao hiệu suất quang - điện, xây dựng hệ thống công suất lớn, thiết lập hệ thống mạng điện song song an toàn… Trong tương lai nguồn NLMT sẽ trở thành nguồn năng lượng chính bổ sung cho những nguồn năng lượng đang dần cạn kiệt như: than, dầu khí, nước

1.2 Mục tiêu và nội dung thực hiện luận án

Hệ thống năng lượng điện mặt trời là một thống lớn có rất nhiều điểm cần được cải tiến và phát triển cho hệ thống Những điểm chính trong các nghiên cứu phát triển các hệ thống năng lượng điện mặt trời hiện nay là:

- Cải tiến nâng cao hiệu suất quang- điện: Đây là một hướng nghiên cứu phát triển mạnh thuộc lĩnh vực Khoa học vật liệu, các nhà khoa học không ngừng nghiên sử dụng công nghệ nano tìm ra các vật liệu chế tạo pin quang điện với hiệu suất hấp thụ năng lượng mặt trời cao, và tuổi thọ lâu bền

- Sử dụng các kỹ thuật điều khiển thông minh để nâng cao hiệu quả điều khiển hệ thống đạt công suất cực đại: Để điều khiển làm cho hệ thống năng lượng luôn thu nhận năng lượng mặt trời đạt được công suất cực đại có 2 hướng, hướng thứ nhất là điều khiển

hệ thống nâng đỡ các tấm pin PV để sao cho các tấm pin PV luôn hướng về phía thu nhận ánh sáng mặt trời hiệu suất cao nhất khi mặt di chuyển theo thời gian quanh trái đất Vì sự di chuyển của mặt tròi chậm nên các hệ thống điều khiển này đơn giản các thuật toán điều khiển không phức tạp Hướng thứ hai là thiết kế bộ điều khiển MPPT cho hệ thống năng lượng điện mặt trời, MPPT là hệ thống điều khiển PV đạt công suất tối đa trong quá trình hoạt động MPPT không phải là hệ thống điều khiển cơ khí hướng

PV vào hướng mặt trời để đạt công suất lớn nhất MPPT là một hệ thống điều khiển điện

tử với mục đích định điểm làm việc của PV sao cho công suất đạt tối đa Đây cũng là

hướng nghiên cứu và phát triển mạnh nhất trong hệ thống năng lượng điện mặt trời, nhất

là dễ dàng áp dụng các kỹ thuật điều khiển tự động hiện đại và thông minh vào hệ thống khi mà kỹ thuật điện tử thông tin phát triển

Hiện nay nếu chúng ta seach trên Google cụm từ ‘‘MPPT’’ thì kết quả cho khoảng trên 8.500.00 kết quả, qua đây cũng đủ thấy vấn đề MPPT được trao đổi, nghiên cứu và công bố rất nhiều Các bộ điều khiển MPPT khởi đầu với các thuật toán điều khiển dò điểm công suất cực đại truyền thống đơn giản như Hill – Climbing với các thuật toán P&O và INC, ưu điểm của các giải thuật này là đơn giản và ít tính toán Bên cạnh đó còn có các nhược điểm được đề cập trong tài liệu tham khảo [20] – [25] Tiếp theo đó cũng có nhiều các nghiên cứu phát triển cho các thuật toán này [20] – [25] để cải thiện nâng cao hiệu suất cho hệ thống Ngoài ra, có nhiều nhà khoa học đã áp dụng các thuật toán điều khiển hiện đại và thông minh áp dụng cho việc điều khiển tìm điểm công suất cực đại của bộ điều khiển MPPT như: Fuzzy Logic Control (FLC) [31], Neural Network (NN) [34], Particle swarm optimization (PSO) [102] – [104], ……

- 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: Điện áp đầu ra của các tấm pin PV thường là điện áp một chiều trị số nhỏ, muốn hệ thống cung cấp cho các tải lớn hoặc tải xoay chiều hoặc hòa chung vào lưới điện quốc gia chúng ta cần sử dụng các bộ chuyển đổi có thể là DC/DC, DC/AC hoặc kết hợp cả 2 trong hệ thống, để tạo ra các bộ chuyển đổi làm việc

ổn định và có hiệu suất cao, đây là lĩnh vực nghiên cứu phát triển có sự kết hợp cao của điện tử công suất và kỹ thuật điều khiển Hiện nay các bộ chuyển đổi DC/AC được áp dụng nhiều giải thuật điều chế phức tạp như SVPWM và nhiều bậc

- 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

Với nhiều hướng nghiên cứu và phát triển cho hệ thống năng lượng điện mặt trời như trình bày trên, tác giả định hướng mục tiêu của luận án là nghiên cứu thiết kế tối ưu

về công suất cho một hệ thống năng lượng điện mặt trời, làm cho hệ thống làm việc đạt hiệu suất cao Trên cơ sở đó nội dung của chương trình nghiên cứu như sau:

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

 Xây dựng mô hình hệ thống năng lượng điện mặt trời bao gồm các thành phần trong hệ thống như: PV cell, bộ DC/DC converter, các bộ biến tần SVPWM, hệ thống

đo lường và điều khiển…

 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 NLMT điều khiển tự động hòa lưới có kiểm soát và giám sát, hệ thống bao gồm: bộ boost điện áp DC, bộ biến tần SVPWM, board điều khiển, thuật toán điều chế biến tần- điều khiển và giám sát hệ thống

1.3 Đối tượng và phương pháp nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống năng lượng điện mặt trời Để thực hiện mục tiêu

đề ra tác giả đã thực hiện các công đoạn chính: nghiên cứu lý thuyết về hệ thống năng lượng điện mặt trời, nghiên cứu các thuật toán để giải quyết các bài toán tối ưu công suất trong các hệ thống điện mặt trời từ đó đưa ra các thuật toán mới để phát triển hệ thống theo hướng tối ưu hơn, tiến hành mô phỏng hệ thống năng lượng điện mặt trời trên phần mềm Matlab, sau cùng là thực hiện thiết kế một hệ thống thực nối lưới Phương pháp nghiên cứu gồm: nghiên cứu tài liệu , mô hình hóa, phân tích đánh giá và thực nghiệm

1.4 Điểm mới của luận án

Nghiên cứu và đề xuất các cải tiến phát triển cho thuật toán INC áp dụng trong điều khiển MPPT của hệ thống PV để hệ thống tìm điểm công suất cực đại hội tụ 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, hiệu suất cao hơn

Nghiên cứu và đề xuất áp dụng thuật toán mới, thuật toán tối ưu bày đàn vi phân (DPSO) và thuật toán tối ưu bày đàn nhiễu loại (PPSO) áp dụng trong bộ điều khiển MPPT để cải thiện hiệu quả hoạt động của hệ thống PV Kỹ thuật điều khiển MPPT dựa trên thuật toán DPSO và PPSO đã được thử nghiệm thành công trên mô hình hệ thống Kết quả mô phỏng cho thấy năng lượng đầu ra của thuật toán đề xuất đều là trên 99% với một vài lần lặp trong mọi điều kiện môi trường Hơn nữa, những kết quả này được

so sánh với kết quả thu được từ các bộ MPPT áp dụng thuật toán truyền thống, để chứng

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 Hệ thống chạy ổn định ngoài việc cho phép thực nghiệm về hệ thống năng lượng điện mặt trời hệ thống còn được sử dụng với mục đích nghiên cứu và phát triển dự án lập trình điều khiển ứng dụng về các nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

- Về mặt khoa học: Nghiên cứu và đề xuất các thuật toán áp dụng cho bộ điều khiển MPPT của hệ thống năng lượng mặt trời nhằm cải thiện sự hoạt động của hệ thống làm cho hệ thống đạt hiệu suất tốt hơn

- Về mặt thực tiễn: Kiểm chứng khả năng ứng dụng thực tế của các giải thuật đề xuất cho bộ điều khiển MPPT của hệ thống PV bằng công cụ phần mềm và hệ thống thực nghiệm

1.5 Bố cục của luận án

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

Chương 1: Giới thiệu

Chương này tác giả nêu lý do chọn đề tài, mục tiêu nội dung thực hiện, đối tượng

và phương pháp nghiên cứu, điểm mới, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án Chương 2: Tổng quan về hệ thống năng lượng điện mặt trời

Chương này 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 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

lượng điện mặt trời nhằm cải thiện những nhược điểm của các thuật toán cổ điển Đồng thời đề xuất các phát triển mới của thuật toán PSO áp dụng cho việc điều khiển MPPT nhằm tăng tốc độ đạt trạng thái tối ưu, tránh hiện tượng tối ưu cục bộ

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 tác giả sử dụng phần mềm Matlab-Simulink mô phỏng hệ thống PV với các thuật toán truyền thống và các thuật toán đề xuất nhằm đánh giá tính ưu việt của các thuật toán mới đề xuất cho việc điều khiểm MPPT của hệ thống năng lượng điện mặt trời

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

Trong chương này tác giả thiết kế chế tạo một hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới 3 pha công suất khoảng 300 (W) nhằm thực nghiệm về hệ thống năng lượng mặt trời

Chương 6 : Kết luận và phương hướng phát triển

1.3 Tổng quan chung về hệ thống NLMT

Hệ thống PV là hệ thống dùng để thu thập, chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện DC hoặc AC theo nhu cầu sử dụng Hệ thống PV đa dạng tùy theo yêu cầu thực tiễn để có cấu trúc phù hợp, nhưng được chia thành các dạng chính: hệ thống kết nối lưới, hệ thống độc lập và hệ thống lai

2.1.1 Hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới

Hệ thống năng lượng mặt trời ghép nối với lưới điện thực chất là một loại hệ thống phát điện phân bố trong lưới điện Cấu trúc hệ thống NLMT có khá nhiều dạng, tuy nhiên, trên thực tế phổ biến thông thường có hai dạng cấu trúc: dạng cấu trúc đơn cấp

và cấu trúc lưỡng cấp

Hệ thống lưới điện solar đơn cấp như trên Hình 2.1, các thành phần cơ bản của hệ thống bao gồm ma trận PV (ma trận pin mặt trời), bộ biến đổi công suất DC/AC, bộ điều khiển, thiết bị hòa lưới, phụ tải và lưới điện Nguyên lý hoạt động như sau:

Dựa trên hiệu ứng quang điện, PV sẽ cung ứng một công suất điện DC với điện

áp, dòng điện giới hạn Điện áp một chiều này sẽ được đưa đến bộ biến đổi DC/AC, để

giảm sóng hài thì bộ biến tần thường sử dụng loại SVPWM (Space Vector Pulse Width Modulation), bộ biến đổi DC/AC sẽ biến đổi năng lượng điện DC thành AC với biên

độ, pha, tần số trùng với biên độ, pha, tần số của lưới điện Bộ điều khiển sử dụng các MCU cấp cao thực hiện chức năng đo đạc thông số lưới và điều khiển biến tần SVPWM

và quá trình hòa lưới Phần tử hòa lưới có thể sử dụng công tắc tơ hoặc các TRIAC, SCR công suất, thực chất đây là các van khóa công suất có mục đích nối lưới khi đã đảm bảo yêu cầu hòa lưới của hệ thống

DC/AC converter

SVPWM inverter

Lưới điện

Controller Microcontroller

Hình 2.1 Sơ đồ hệ thống PV đơn cấp

Ngoài việc yêu cầu tự động điều khiển hòa lưới ra, bộ điều khiển còn phải thực hiện chức năng điều khiển PV matrix hoạt động ở trạng thái công suất cực đại Hệ thống điều khiển đơn cấp này có một số đặc điểm sau:

- Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, thành phần thiết bị trên hệ thống ít Không có hệ thống lưu điện trung gian, giá thành rẻ So với hệ thống lưỡng cấp, do chỉ có 1 khâu biến đổi DC/AC nên hiệu suất của hệ thống cao

- Nhược điểm: Hệ thống thực hiện việc hòa lưới và điều khiển công suất cực đại song song nên thuật toán điều khiển phức tạp Do nhất thiết phải thực hiện điều khiển

hệ thống ở trạng thái công suất cực đại, nên biên độ điện áp DC cấp cho biến tần biến đổi, dẫn đến việc hòa lưới điện khó khăn

Hình 2.2 là sơ đồ của hệ thống năng lượng PV lưỡng cấp Các thành phần chủ yếu của hệ thống bao gồm: PV matrix, bộ biến đổi DC/DC, bộ biến đổi DC/AC, bộ lưu điện,

bộ điều khiển, thiết bị hòa lưới song song - độc lập và phụ tải Nguyên lý làm việc của

hệ thống như sau: điện áp DC từ PV được đưa tới bộ DC/DC buck-boots điện áp tăng điện áp DC), sau đó thông qua bộ DC/AC để chuyển thành điện áp AC cho việc hòa lưới Cấp thứ nhất là biến đổi DC/DC, sau đó cấp cho bộ lưu điện acquy và biến tần Trong cấp thứ nhất này hệ thống sẽ thực hiện việc điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống (định điểm làm việc của PV) Cấp thứ hai thực hiện việc biến đổi DC/AC thông qua biến tần SVPWM, cung cấp điện AC cho phụ tải hiện trường, nếu dư thừa năng lượng thì sẽ thực hiện chuyển năng lượng lên lưới tải, đồng thời thực hiện cơ chế điều chỉnh biên độ áp AC cho mục đích hòa lưới Khi hệ thống hoạt động độc lập các vấn đề

(giảm-về đồng bộ lưới điện chưa được đặt ra, ngược lại đối với hệ thống nối lưới điều này sẽ

là những điểm hết sức quan trọng và phải tuân thủ chặt chẽ những tiêu chuẩn kỹ thuật

về hòa lưới, ví dụ như tiêu chuẩn IEEE Std 929-2000 / UL174 [3]

Hệ thống điều khiển lưỡng cấp có một số đặc điểm sau:

3/1 phase

SCR, TRIAC Hòa lưới

DC/AC SVPWM inverter

Lưới điện

MPPT Controller, SVPWM Microcontroller

- Nhược điểm: So với hệ đơn cấp, cấu trúc hệ lưỡng cấp tương đối phức tạp, thiết

bị nhiều, đồng thời bổ sung thêm thành phần lưu điện (nếu cần) dẫn tới giá thành cao Hiệu suất so với hệ đơn cấp thấp

2.1.2 Hệ thống năng lượng điện mặt trời độc lập

Hệ thống PV độc lập không kết nối với lưới điện có sơ đồ cấu trúc được mô tả như hình 2.3 Năng lượng mặt trời được biến đổi thành năng lượng điện DC lưu trữ ở acquy hoặc dùng cho tải DC, đối với tải AC thì phải qua biến tần để chuyển đổi DC/AC Dung lượng accquy phải đảm bảo cho việc lưu trữ và cung cấp điện tới tải tiêu thụ liên tục ngày và đêm Ưu điểm của hệ thống này là xây dựng ở những nơi điện lưới không thể phục vụ được như vùng sâu vùng xa hoặc là biển đảo đáp ứng nhu cầu dân sinh, sản suất tại các khu vực này

Bộ biến đổi DC/DC

Hình 2.3 Sơ đồ khối hệ thống PV độc lập

2.1.3 Một số hệ thống năng lượng điện mặt trời khác

Ngoài hai hệ thống PV vừa được trình bày ở những mục trên thì tùy thuộc theo nhu cầu cũng như mục đích sử dụng còn có một số hệ thống PV sau:

Hệ thống PV nối lưới có dự trữ: hệ thống này cũng tương tự như hệ thống PV nối

lưới nhưng có thêm acquy để lưu trữ điện, hệ thống này có sơ đồ như hình 2.4 Để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục ngay cả khi điện lưới bị mất vào ban đêm Hệ thống được ứng dụng cho những tải yêu cầu cung cấp điện liên tục

Bộ biến đổi DC/DC Solar Panel

Biến tần

Hình 2.4 Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới có dự trữ

Hệ thống PV độc lập không dự trữ : hệ thống này hoàn toàn phụ thuộc vào năng

lượng ánh sáng mặt trời Bức xạ mặt trời càng lớn thì công suất tạo ra càng lớn, năng lượng điện tạo ra được sử dụng tức thời Hệ thống này có sơ đồ cấu trúc như hình 2.5, thường ứng dụng cho bơm nước, quạt thông gió…

Bộ biến đổi DC/DC

Solar Panel

Tải DC

Hình 2.5 Hệ thống PV độc lập không dự trữ

Hệ thống PV độc lập hỗn hợp: tương tự như hệ thống PV độc lập nhưng hệ thống

được bổ sung thêm một máy phát cỡ nhỏ để cấp nguồn cho hệ thống, có sơ đồ như hình 2.6 Ưu điểm của hệ thống này là công suất hệ thống PV có thể nhỏ hơn công suất tính toán ở điều kiện ánh sáng yếu nhất trong năm Hệ thống sẽ sử dụng máy phát dự phòng

để bù vào lượng công suất còn thiếu khi điều kiện bức xạ mặt trời yếu để đảm bảo cung cấp cho tải sử dụng

Bộ biến đổi DC/DC

Solar Panel

Biến tần

Acquy

Tải DC

Tải AC

Máy phát

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 là thành phần quan trọng để tạo ra nguồn điện, các tế bào quang điện chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang điện Thông thường một khối tế bào quang điện có thể tạo ra lượng công suất dưới 3W tại điện áp xấp xỉ 0.5V DC Do đó, để tạo ra đủ điện áp và công suất sử dụng thì các tế bào này phải được kết nối với nhau, có hai cách kết nối đó là song song và nối tiếp với nhau Các tế bào này được ghép thành tấm pin quang điện, nhiều tấm pin ghép lại với nhau tạo thành hệ pin quang điện Các tấm pin quang điện có công suất từ vài đến hơn 300W, phụ thuộc vào từng ứng dụng để sử dụng pin có công suất phù hợp, có nhiều hệ pin quang điện có công suất rất lớn Các tấm pin quang điện phát ra điện áp DC thường được sử dụng cho tải DC có công suất nhỏ, đối với những tải AC hoặc hòa điện lưới quốc gia thì hệ thống cần sử dụng biến tần để chuyển đổi DC/AC

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 thì xung quanh mỗi nguyên tử silicon đều có 4 điện tử, các điện tích dương (+) là các nguyên tử silicon, và điện tích âm (-) là các điện tử xung quanh nguyên

tử silicon Khi phối trộn giữa silicon và boron chúng ta sẽ thu được một tinh thể có cấu trúc như hình 2.8

Hình 2.8 Cấu trúc chất bán dẫn trộn boron

Như hình 2.8 này, các ô màu vàng là các nguyên tử boron, màu xanh là các lỗ trống, điện tích dương (+) là các nguyên tử silicon, điện tích âm (-) là các điện tử xung quanh nguyên tử silicon Các nguyên tử boron chỉ cần 3 điện tử xung quanh là trung hòa điện tích, trong khi nguyên tử silicon cần tới 4 điện tử mới trung hòa điện tích, nên sẽ hình thành một lỗ trống ở vị trí giữa hai nguyên tử silicon và boron Đây là bán dẫn loại

P (positive) Lỗ trống sẽ đặc trưng cho điện tích dương, và các điện tử ở các nơi khác cũng có khả năng nhảy vào lỗ trống này để lắp đầy điện tử, tạo một lỗ trống ở vị trí khác 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 đây là bán dẫn loại N (negative), nguyên tử phosphor là những ô màu vàng xung quanh phosphor cần có 5 điện tử để trung hòa điện tích trong khi đó silicon chỉ cần có 4 điện tử để trung hòa điện tích nên sẽ dư ra một điện tử, điện tử đặc trưng cho điện tích âm Như vậy bán dẫn loại P chứa lỗ trống, trong khi bán dẫn loại N chứa điện tử, và khi kết hợp hai loại bán dẫn này lại với nhau thì sẽ tạo thành một sự chênh lệch điện áp ở vị trí kết nối giữa hai khối bán dẫn như hình 2.10

Hình 2.10 Kết hợp bán dẫn loại p và loại n

Tại mặt tiếp xúc giữa hai bán dẫn sẽ hình thành một lớp điện kép, vùng bán dẫn P

sẽ có điện tích âm, vùng bán dẫn N sẽ có điện tích dương như hình 2.10 Sự hình thành này là do P có nhiều lỗ trống, N có nhiều điện tử tự do, các điện tử của N sẽ chạy sang

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

N sang P và các điện tử từ P sang N ngược lại so với sự di chuyển lúc đầu mới ghép N

và P như hình 2.11 Do đó thì sẽ hình thành một sự chênh lệch về điện thế và một dòng điện tử từ P sang N hay nói cách khác chiều dòng điện là từ N sang P

Do chất bán dẫn thì dẫn điện không tốt, có điện trở lớn nên điện tử dư thừa rất nhiều khi di chuyển từ P sang N Sử dụng một dây dẫn điện nối giữa tấm kim loại phủ lên bán dẫn P và vật liệu kim loại phủ lên bán dẫn N thì sẽ tạo thành một nguồn điện Tuy nhiên nếu phủ bán dẫn N một tấm kim loại thì sẽ ngăn cản sự hấp thu ánh sáng của tinh thể silicon, hệ quả là không có sự tạo thành dòng điện nữa, nên thông thường người

ta sử dụng một lưới kim loại để phủ để ánh sáng có thể tới được tinh thể silicon Bề mặt silicon có màu rất sáng nên sẽ phản xạ rất nhiều ánh sáng không thể sử dụng trong pin mặt trời được Do đó, người ta đã sơn lên nó một lớp sơn chống phản xạ rất mỏng để giảm sự phản xạ xuống dưới 5% hoặc không phản xạ

2.2.2 Tấm pin quang điện

Tế bào quang điện là thành phần cơ bản cấu thành trong hệ thống PV Thông thường một tế bào quang điện chỉ có thể sinh ra một điện thế và dòng điện rất nhỏ không

đủ cung cấp cho nhu cầu của tải Để tăng công suất để có thể sử dụng được trong sinh hoạt, nhà sản xuất kết nối các tế bào quang điện song song hoặc nối tiếp như hình 2.12 b) và c) [4] tạo thành một modul (pin quang điện) như hình 2.13 a)

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

Nhiều pin quang điện ghép nối với nhau tạo thành một hệ pin quang điện tạo ra công suất và điện áp đáp ứng yêu cầu sử dụng Tùy thuộc vào yêu cầu ngõ ra để ta có cách ghép phù hợp Để tăng dòng điện ngõ ra thì ta ghép song song các tấm pin quang điện, còn để tăng điện áp ngõ ra thì 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 Mạch tương đương của một tế bào quang điện

Đường đặc tuyến I – V thu được bằng cách giữ cường độ ánh sáng không đổi và duy trì nhiệt độ tế bào quang điện không đổi, thay đổi điện trở của tải, và đo dòng điện được tạo ra

Dòng điện ngắn mạch ISC: là dòng điện đo được khi ta nối tắt cực âm và dương lại với nhau, lúc này điện áp giữa chúng bằng 0 và không có điện trở giữa chúng, mạch mô

tả như hình 2.16 a)

Điện áp hở mạch VOC: là điện áp đo được giữa hai cực âm và dương khi hở mạch, lúc này dòng điện bằng 0 và điện trở giữa chúng là vô cùng được mô tả như hình 2.16b)

V=0

PV I=0

a) b)

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

I(A): dòng điện ra tế bào quang điện

ISC(A): dòng ngắn mạch

I0(A): dòng bão hòa

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]

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

Công suất một tế bào quang điện thì rất bé, để tăng công suất đầu ra của hệ thống, các tế bào quang điện được ghép nối tiếp hoặc song song để tạo thành modul PV [5] Dòng điện ra của modul được tính theo công thức (2.8) [6,7]

𝐼 = 𝑁𝑝𝐼𝑆𝐶 − 𝑁𝑝𝐼0[𝑒𝑞(𝑉+𝐼𝑅𝑠)𝑛𝐾𝑇𝑁𝑠 − 1] − 𝑁𝑝𝑉 + 𝐼𝑅𝑠

Trong đó: Ns và Np: lần lượt là số lượng tế bào quang điện mắc nối tiếp và song song

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

Trong các nghiên cứu phát triển hệ thống năng lượng điện mặt trời đã chỉ ra hệ thống NLMT độc lập có đặc điểm: tổn hao phóng-nạp điện lớn, điều tiết công suất có hạn, giá thành cao Hiện nay ở Việt Nam sử dụng nhiều hệ thống NLMT độc lập từ vài trăm W đến vài kW cho các hộ gia đình và vài chục kW cho các trung tâm, cơ quan Để phát triển mạng lưới NLMT ở mức độ điện thương mại phải sử dụng hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới Đối với hệ thống năng lượng điện mặt trời nối lưới chúng

ta phải đối mặt với các vấn đề lớn sau: điều khiển công suất cực đại MPPT (Maximum Power Point Tracking), các giải pháp anti-islanding và an toàn hệ thống, điều khiển dòng điện điều phối công suất hữu công, công suất vô công và giảm thiểu sóng hài [11, 12]

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

MPPT là hệ thống điều khiển PV đạt công suất tối đa trong quá trình hoạt động MPPT không phải là hệ thống điều khiển cơ khí hướng PV vào hướng mặt trời để đạt công suất lớn nhất MPPT là một hệ thống điều khiển điện tử với mục đích định điểm làm việc của PV sao cho công suất đạt tối đa

Hình 2.20 là sơ đồ cấu trúc điều khiển MPPT Các bộ biến đổi DC/DC thường sử dụng một trong ba loại sau: buck (bộ giảm áp), boost (bộ tăng áp) và bộ buck-boost (bộ giảm-tăng áp) Do phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ ánh sáng nên điện áp làm việc của các panel PV dao động khá lớn Chính vì vậy nên sử dụng bộ boost để có thể tăng điện áp DC phù hợp với trạng thái công suất cực đại

Công suất tối đa của PV ký hiệu là MPP (Maximum Power Point) thay đổi phụ

thuộc vào ánh sáng và nhiệt độ [1-12] Tại MPP hiệu suất chuyển đổi quang-điện đạt giá trị cao nhất Rất nhiều các phương thức đã được đưa ra cho việc dò tìm điểm MPP

Ví dụ như: Ibrahimm và Houssing sử dụng bảng tra trên một hệ thống vi tính để dò tìm MPP Midya sử dụng đặc tính động của PV Enslin và Snymam gợi ý các khái niệm về

"xáo trộn và quan sát" (P & O), lựa chọn thay thế mà gần đây đã được giới thiệu trong [6, 7] Koutroulis và Hussein cùng các cộng sự dựa trên kỹ thuật cung cấp độ dẫn gia tăng (IncCond) để xác định điểm MPP Một số nghiên cứu gần đây đã áp dụng thuật toán điều khiển thông minh để giải quyết vấn đề này [14]

Mỗi một phương pháp dò tìm MPP đều có ưu điểm và nhược điểm nhất định Ví

dụ với phương thức P&O, ưu điểm là đơn giản và nhược điểm là tạo ra sự dao động của điểm MPP Hiện nay, hướng nghiên cứu để đưa ra thuật toán dò tìm MPP vẫn đang được phát triển trong đó đặc biệt chú ý đến các phương án sử dụng kỹ thuật điều khiển hiện đại và điều khiển thông minh

DC/DC Boost converter

MPPT controller Microcontroller

SVPWM converter

I,V

PV panel

PWM

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 (trở kháng và dòng điện), trạng thái hệ thống (dòng điện, độ rộng điều biến xung cho DC/DC converter) Đây là một đối tượng phi tuyến có thông số mô hình biến đổi theo thời gian [17, 18]

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