Tài liệu đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán tái cấu trúc hệ thống pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Ngô Ngọc Thành ĐỀ XUẤT CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG Hà Nội – 2020 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ----------------------------- Ngô Ngọc Thành ĐỀ XUẤT CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO BÀI TOÁN TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 9.52.02.16 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS. TSKH. Phạm Thượng Cát 2. GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang Hà Nội – 2020 ii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Ngô Ngọc Thành iii LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình học tập, nghiên cứu. Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới người thầy quá cố PGS.TSKH.Phạm Thượng Cát và thầy hướng dẫn GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang, hai thầy đã định hướng và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận án. Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phòng Công nghệ Tự động hóa – Viện Công nghệ thông tin, các đồng nghiệp thuộc khoa Công nghệ thông tin, khoa Kỹ thuật điều khiển tự động hóa, khoa Kỹ Thuật Điện và Ban Giám hiệu trường Đại học Điện lực đã động viên và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình hoàn thành luận án. Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân, các bạn đồng nghiệp những người luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể hoàn thành quá trình nghiên cứu. Hà Nội, ngày 8 tháng 7 năm 2020 Tác giả luận án Ngô Ngọc Thành iv MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................. iii LỜI CẢM ƠN....................................................................................................................... iv MỤC LỤC ............................................................................................................................. v DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT.......................................................... vii DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................................. xi DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................................. xv MỞ ĐẦU ............................................................................................................................... 1 CHƯƠNG 1: CẤU TRÚC HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CHIẾN LƯỢC TĂNG HIỆU SUẤT LÀM VIỆC CỦA HỆ THỐNG TRONG ĐIỀU KIỆN BỊ CHE PHỦ MỘT PHẦN ................................................................................................................. 8 1.1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời ......................................................... 8 1.1.1 Năng lượng mặt trời ...................................................................................... 8 1.1.2 Bức xạ mặt trời .............................................................................................. 9 1.1.3 Điện mặt trời................................................................................................ 10 1.1.4 Các cấu trúc kết nối TPQĐ .......................................................................... 18 1.1.5 Cấu trúc cơ bản của hệ thống NLMT hòa lưới có kho điện ........................ 22 1.1.6 Các cấu trúc kết nối TPQĐ và bộ chuyển đổi ............................................. 24 1.2 Tổng quan chiến lược tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT trong điều kiện bị che phủ một phần................................................................................................. 28 1.2.1 Ảnh hưởng của che phủ một phần ............................................................... 28 1.2.2 Các kỹ thuật để giảm thiểu suy giảm công suất do che phủ một phần ........ 30 1.2.3 Phương pháp tái cấu trúc cho mạch kết nối TCT ........................................ 32 1.2.4 Phương pháp tái cấu trúc cho mạch kết nối SP ........................................... 48 1.2.5 So sánh các phương pháp đã trình bày ........................................................ 52 1.2.6 Định hướng nghiên cứu ............................................................................... 53 1.3 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 55 CHƯƠNG 2: 2.1 KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU .......................... 56 Khái quát về bài toán điều khiển tối ưu ............................................................... 56 2.1.1 Điều khiển tối ưu tĩnh .................................................................................. 57 2.1.2 Điều khiển tối ưu động ................................................................................ 58 2.2 Thiết lập bài toán điều khiển tối ưu ..................................................................... 59 2.2.1 Cấu trúc điều khiển trong hệ thống NLMT ................................................. 59 2.2.2 Bộ tái cấu trúc .............................................................................................. 62 2.2.3 Đề xuất hệ thống điều khiển ........................................................................ 64 2.2.4 Đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu ...................................................... 65 v 2.3 Một số bài toán tối ưu sử dụng trong luận án ...................................................... 66 2.3.1 Bài toán Subset sum problem ...................................................................... 66 2.3.2 Bài toán Munkres' Assignment Algorithm .................................................. 68 2.4 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 77 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG SÁCH LƯỢC TÁI CẤU TRÚC HỆ DỰA TRÊN BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ........................................................................................... 78 3.1 Chiến lược cân bằng bức xạ với mạch kết nối TCT ............................................ 78 3.2 Đo dòng điện, điện áp các TPQĐ ........................................................................ 81 3.3 Ước tính bức xạ mặt trời ..................................................................................... 82 3.4 Đề xuất mô hình toán và 02 thuật toán cho bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ 83 3.4.1 Xây dựng mô hình toán ............................................................................... 83 3.4.2 Thuật toán quy hoạch động (Dynamic programming) ................................ 85 3.4.3 Thuật toán SmartChoice .............................................................................. 92 3.5 Đề xuất mô hình toán và 02 thuật toán bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu ...................................................................................................................... 98 3.5.1 Giới thiệu ma trận chuyển mạch (Dynamic Electrical Scheme) ................. 98 3.5.2 Đề xuất mô hình toán ................................................................................ 103 3.5.3 Phương pháp tìm kiếm cấu hình với số lần chuyển mạch là ít nhất sử dụng MAA 107 3.5.4 Phương pháp cân bằng số lần đóng mở khóa của ma trận chuyển mạch sử dụng MAA cải tiến .................................................................................................... 112 3.6 Kết luận chương 3 ............................................................................................. 119 CHƯƠNG 4: 4.1 MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ...................................................... 121 Mô phỏng........................................................................................................... 121 4.1.1 Mô phỏng đánh giá hiệu quả phương pháp lựa chọn cấu hình cân bằng bức xạ 121 4.1.2 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả phương pháp lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu. ............................................................................................................... 130 4.2 Thực nghiệm ...................................................................................................... 132 4.2.1 Bộ tái cấu trúc các tấm pin quang điện...................................................... 132 4.2.2 Các thành phần bộ tái cấu trúc .................................................................. 133 4.2.3 Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 135 4.3 Kết luận chương 4 ............................................................................................. 139 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 141 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 143 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 145 vi DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Danh mục chữ viết tắt Ký hiệu AC Tiếng anh Tiếng việt Điện xoay chiều BL Alternating current Bridge-Link CT Publications Công trình công bố DC Direct current Điện 1 chiều DES Dynamic Electrical Scheme ĐMTTT Mạch bắc cầu Ma trận chuyển mạch động Concentrated solar power Điện mặt trời tập trung Dynamic programming Quy hoạch động Object control Đối tượng điều khiển EI Equalization index Chỉ số cân bằng HC Honey-Comb Mạch tổ ong I-V Current-Voltage Dòng điện - Điện áp DP ĐTĐK MAA MPP MPPT Munkres' Assignment Thuật toán phân việc Algorithm Munkres Maximum Power Point Điểm làm việc cực đại Maximum Power Point Theo dõi điểm làm việc Tracking cực đại Solar power Năng lượng mặt trời P-V Power-Voltage Công suất - Điện áp SC SmartChoice Lựa chọn thông minh SP Serries-Parallel Mạch nối tiếp-song song TBĐK Device control Thiết bị điều khiển TBQĐ Photovoltaic cells Tế bào quang điện TCT Total-Cross-Tied Mạch song song-nối tiếp TPQĐ Photovoltaic panel Tấm pin quang điện Ultraviolet Tia cực tím NLMT UV vii Danh mục ký hiệu Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa tính A Mảng giá trị các phần tử Ad Hệ số chất lượng của điốt As Tập đồ vật avg W/m2 Giá trị trung bình tổng bức xạ mặt trời tại các hàng C Ma trận chi phí c Khả năng chịu trọng lượng của ba lô CiMjM Chi phí khi giao công nhân iM thực hiện công việc jM EI Chỉ số cân bằng G Ma trận bức xạ mặt trời g Tổng số tấm pin quang điện G_OP Ma trận bức xạ mặt trời sau khi cân bằng bức xạ Gi W/m2 Gij W/m2 GS Giá trị chiếu sáng của tấm pin quang điện thuộc hàng i và cột j Bức xạ mặt trời TPQĐ tính toán giá trị bức xạ mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn GSTC I Tổng mức độ chiếu sáng của hàng i (1000W/m2) A Dòng điện i Chỉ số hàng I0 Dòng bão hòa ik Chỉ số hàng trong ma trận S IL Dòng quang điện iM Chỉ số công nhân IMPP A Dòng điện tổng các TPQĐ trong mạch nối tiếp/song Iout ISC !"#$% Dòng điện tại điểm PMPP song A Dòng ngắn mạch Dòng điện tạo ra bởi TBQĐ tại điều kiện tiêu chuẩn viii j Chỉ số cột jM Chỉ số công việc k Hằng số Bolzamann m Số hàng m-throw Số hàng trong mạch TCT tối ưu Số lượng đồ vật chọn từ 1..mAS có giá trị tối ưu bằng mAS giới hạn trọng lượng khi chọn các phần tử từ 1..mAS Số lần đóng mở khoá ít nhất cho lần tái cấu trúc thứ (MImin)step k stepk MIstepk Số lần đóng mở khóa tại lần tái cấu trúc thứ stepk n Số cột n_opi Số lượng phần tử tại hàng i của ma trận G_OP nAS Số đồ vật Số lượng cấu hình có thể sản xuất dòng DC khác NCi nhau trong mạch TCT ni Số TPQĐ kết nối song song thuộc hàng thứ i nM Số công nhân, công việc np Số TBQĐ mắc song song NPV Tổng số TPQĐ trong mạch TCT Nrowmax Số hàng lớn nhất có thể tái cấu trúc trong mạch TCT Nrowmin Số hàng nhỏ nhất có thể tái cấu trúc trong mạch TCT Nrows Số hàng trong mạch TCT sau khi tái cấu trúc ns Số TBQĐ mắc nối tiếp NSW P Pout Số lượng các thiết bị chuyển mạch W Công suất Công suất tổng các TPQĐ trong mạch nối tiếp/song song q Điện tích electron Q Mảng các khóa đơn RS Điện trở nối tiếp RSH Điện trở song song ix S Ma trận số lần đóng mở khóa của các khóa kép SG Tổng bức xạ mặt trời của toàn hệ thống SI Chỉ số cân bằng của ma trận S Sij Số lần đóng mở khóa tại hàng i, cột j trong DES stepk Số lần tái cấu trúc T Nhiệt độ tuyệt đối Tc Nhiệt độ của TBQĐ &' ()' Nhiệt độ tại điều kiện tiêu chuẩn (298.15 K) V V Điện áp của TBQĐ VMPP V Điện áp tại điểm MPP VOC V Điện áp mở mạch Vout wj xj *+, -, Điện áp tổng các TPQĐ trong mạch nối tiếp/song song Trọng lượng đồ vật thứ j Bằng 1 hoặc 0 thể hiện khả năng có hay không chọn vật j đặt vòa balo. Bằng 1 hoặc 0 thể hiện khả năng có hay không công nhân iM làm việc jM z Giá trị lớn nhất trọng lượng có thể đặt trong balo zP Số các TPQĐ đổi vị trí trong 01 lần tái cấu trúc e Sai số cho phép ./ 01 Hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch x DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1-1. Quang phổ của bức xạ mặt trời trong không gian (màu đỏ) và trên trái đất (màu xanh) [11] .............................................................................................................................. 9 Hình 1-2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đất [12] .... 10 Hình 1-3. Hiệu ứng quang điện [13] ................................................................................... 11 Hình 1-4. Đặc tính Dòng điện - Điện áp (I-V) và Công suất - Điện áp (P-V) của tế bào quang điện [14] .................................................................................................................... 12 Hình 1-5. Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời đến đường cong đặc tính dòng điện - điện áp [15] ...................................................................................................................................... 13 Hình 1-6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường cong đặc tính dòng điện - điện áp [15] ..... 13 Hình 1-7. Mạch điện của tế bào quang điện [16] ................................................................ 14 Hình 1-8. Điểm công suất cực đại (MPP) trong biểu đồ đặc tính dòng điện - điện áp của TBQĐ [19]........................................................................................................................... 16 Hình 1-9. Chân anode và cathode của điốt [20] .................................................................. 16 Hình 1-10. Vị trí điốt nối tắt và điốt chặn trong kết nối TPQĐ [21] ................................... 17 Hình 1-11. Các TPQĐ trong mạch kết nối song song ......................................................... 18 Hình 1-12. Các TPQĐ trong mạch kết nối nối tiếp ............................................................. 19 Hình 1-13. Các cấu trúc kết nối của TPQĐ [22] ................................................................. 21 Hình 1-14. Mô hình căn bản của hệ thống NLMT .............................................................. 22 Hình 1-15. Đỉnh cực đại cục bộ và đỉnh cực đại toàn cục ................................................... 24 Hình 1-16. Bộ chuyển đổi trung tâm [27] ........................................................................... 25 Hình 1-17. Bộ chuyển đổi nối tiếp [27] ............................................................................... 26 Hình 1-18. Bộ chuyển đổi kết hợp nối tiếp - trung tâm [27] ............................................... 27 Hình 1-19. Bộ chuyển đổi tích hợp [27] ............................................................................. 27 Hình 1-20. Tấm pin quang điện bị che phủ [28] ................................................................. 28 Hình 1-21. Suy giảm công suất làm việc của hệ thống NLMT khi bị che phủ một phần [5] ............................................................................................................................................. 30 Hình 1-22. Một ví dụ về phương pháp cân bằng bức xạ: a) trước khi tái cấu trúc, các hàng có tổng mức bức xạ khác nhau; b) sau khi tái cấu trúc, thay đổi vị trí một số tấm pin, các hàng có tổng bức xạ bằng nhau [44] ................................................................................... 33 Hình 1-23. Một số cấu hình không làm thay đổi cấu hình vật lý sản xuất dòng điện DC của hệ thống [44]........................................................................................................................ 34 Hình 1-24. (a) Sơ đồ mạch điện đấu nối các tấm pin trong hệ thống 3x3; (b) mô hình mthrow switches [44] ............................................................................................................. 35 xi Hình 1-25. (a) Cấu trúc DES cho 6 tấm pin mặt trời; (b) ma trận không đối xứng [47] ..... 37 Hình 1-26. Ví dụ minh họa thuật toán sắp xếp phân cấp và lặp [48] .................................. 41 Hình 1-27. (a) Hệ thống 4x4 TPQĐ, (b-c-d) chuyển mạch 2 cực, 2 vị trí (Double Pole Double Throw - DPDT) cho các TPQĐ [49]....................................................................... 42 Hình 1-28. Thuật toán Best-Worst: (a) Cấu hình ban đầu, (b) Giá trị bức xạ mặt trời, (c) Sắp xếp tìm cấu hình kết nối cân bằng bức xạ, (d) thay đổi cấu trúc kết nối dựa theo (c) [49] ...................................................................................................................................... 43 Hình 1-29. Ma trận chuyển mạch sử dụng bởi Jazayeri [51] ............................................. 44 Hình 1-30. (a) Ma trận bức xạ mặt trời ban đầu, (b) Tách hàng 1 và hàng 4 của ma trận ban đầu, (c) Sắp xếp lại vị trí kết nối, (d) Thay đổi kết nối hàng 1 và hàng 4, (e) Cấu trúc kết nối cuối cùng [51]. ............................................................................................................... 45 Hình 1-31. Hệ thống đề xuất với phần TPQĐ kết nối cố định và TPQĐ kết nối động ....... 46 Hình 1-32. Ví dụ hệ thống NLMT với khác biệt bức xạ mặt trời ....................................... 47 Hình 1-33. Thuật toán tham lam tìm cấu hình Cân bằng bức xạ......................................... 47 Hình 1-34. Cấu tạo Ma trận chuyển đổi linh hoạt trong mảng FSM [53] ........................... 49 Hình 1-35. Phương thức kết nối các tấm pin mặt trời của phương pháp kết nối theo nhóm bức xạ [54] ........................................................................................................................... 51 Hình 2-1. Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời..................... 61 Hình 2-2. Tái cấu trúc các tấm pin: (a) Cấu hình kết nối TCT, (b) Ma trận chuyển mạch, (c) Sơ đồ kết nối động nhờ ma trận chuyển mạch ............................................................... 62 Hình 2-3. Bộ tái cấu trúc trong hệ thống NLMT hòa lưới có dự trữ ................................... 63 Hình 2-4. Các thành phần trong bộ tái cấu trúc (CT1) ........................................................ 64 Hình 2-5. Hệ thống điều khiển hở cho Bộ tái cấu trúc ........................................................ 64 Hình 2-6. Lưu đồ phương pháp điều khiển tối ưu áp dụng trong bộ tái cấu trúc ................ 65 Hình 2-7. Ma trận chi phí C dạng tổng quát ........................................................................ 68 Hình 2-8. Lưu đồ thuật toán phương pháp hungari ............................................................. 71 Hình 3-1. Ví dụ cân bằng bức xạ: (a) trước khi cân bằng, (b) sau khi cân bằng. Biểu đồ công suất: (c) trước khi cân bằng với hiện tượng misleading, (d) sau khi cân bằng không còn hiện tượng misleading (CT1) ....................................................................................... 79 Hình 3-2. Mạch đo dòng điện, điện áp các TPQĐ .............................................................. 81 Hình 3-3. Mạch kết nối TCT tổng quát ............................................................................... 83 Hình 3-4. Lưu đồ phương pháp áp dụng thuật toán Quy hoạch động trong bài toán tìm ma trận cân bằng bức xạ ............................................................................................................ 86 Hình 3-5. Hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất............................ 88 Hình 3-6. Ma trận bức xạ mặt trời G (W/m2) ...................................................................... 88 xii Hình 3-7. Sắp xếp lại ma trận G .......................................................................................... 89 Hình 3-8. Mảng giá trị A gồm các phần tử của ma trận G .................................................. 89 Hình 3-9. Hàng đầu tiên của ma trận G_OP ........................................................................ 89 Hình 3-10. Mảng giá trị A sau khi xóa một số phần tử ....................................................... 89 Hình 3-11. Mảng giá trị A sau khi sắp xếp lại ..................................................................... 90 Hình 3-12. Ma trận cân bằng bức xạ G_OP ........................................................................ 90 Hình 3-13. Cấu hình kết nối hệ thống NLMT cân bằng bức xạ tương ứng với ma trận G_OP ................................................................................................................................... 90 Hình 3-14. Ví dụ thuật toán BWSA [48] ............................................................................. 92 Hình 3-15. Lưu đồ phương pháp áp dụng thuật toán SC trong bài toán tìm cấu hình cân bằng bức xạ.......................................................................................................................... 93 Hình 3-16. Hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất.......................... 95 Hình 3-17. Ma trận bức xạ mặt trời G (W/m2) .................................................................... 95 Hình 3-18. Mảng giá trị A gồm các phần tử của ma trận G ................................................ 95 Hình 3-19. Mảng giá trị A gồm các phần tử của ma trận G sau khi sắp xếp ...................... 96 Hình 3-20. Từng bước sắp xếp phần tử từ mảng giá trị A vào ma trận G_OP.................... 96 Hình 3-21. Ma trận cân bằng bức xạ G_OP ........................................................................ 96 Hình 3-22. Cấu hình kết nối hệ thống NLMT cân bằng bức xạ tương ứng với ma trận G_OP ................................................................................................................................... 97 Hình 3-23. Ví dụ về thuật toán cân bằng bức xạ DP ........................................................... 98 Hình 3-24. Ví dụ về thuật toán cân bằng bức xạ SC ........................................................... 98 Hình 3-25. Ma trận chuyển mạch DES [47] ...................................................................... 100 Hình 3-26. Ma trận chuyển mạch (b-d) tương ứng với cấu trúc kết nối (a-c) ................... 101 Hình 3-27. Ma trận chuyển mạch DES tổng quát cho g tấm pin quang điện, m mạch song song.................................................................................................................................... 101 Hình 3-28. Mảng Q và ma trận S thể hiện số lần đóng mở Khóa của ma trận chuyển mạch ........................................................................................................................................... 102 Hình 3-29. Ví dụ về cùng cấu hình cân bằng bức xạ nhưng có số lần chuyển mạch khác nhau ................................................................................................................................... 103 Hình 3-30. Ví dụ về tìm kiếm cấu hình kết nối cân bằng bức xạ ...................................... 107 Hình 3-31. Số liệu thay đổi vị trí kết nối của tấm pin quang điện..................................... 107 Hình 3-32. Ví dụ về tìm kiếm cấu hình kết nối cân bằng bức xạ ...................................... 111 Hình 3-33. Số liệu thay đổi vị trí kết nối của tấm pin quang điện..................................... 111 Hình 3-34. Ma trận chi phí C dạng tổng quát .................................................................... 112 Hình 3-35. Ma trận S số lần đóng mở khóa tại stepk-1 = 1999 ........................................ 116 xiii Hình 3-36. Ma trận S số lần đóng mở khóa tại stepk bằng phương pháp MAA ............... 117 Hình 3-37. Ma trận S số lần đóng mở khóa tại bước k bằng phương pháp MAA cải tiến 119 Hình 4-1. Mô phỏng hoạt động hệ thống NLMT bằng Matlab-Simulink ......................... 122 Hình 4-2. Lưu đồ hoạt động hệ thống ............................................................................... 122 Hình 4-3. Bộ tham số cơ bản của TPQĐ tại điều kiện tiêu chuẩn..................................... 123 Hình 4-4. Sơ đồ thiết kế ma trận chuyển mạch DES cho 9 TPQĐ ................................... 124 Hình 4-5. Sơ đồ kết nối ma trận chuyển mạch DES cho 9 TPQĐ trên Matlab-Simulink . 124 Hình 4-6. Ví dụ về dữ liệu đầu vào cho bộ mô phỏng ...................................................... 126 Hình 4-7. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d) ........ 127 Hình 4-8. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d) ........ 128 Hình 4-9. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d) ........ 129 Hình 4-10. Dữ liệu mô phỏng hệ thống NLMT trong điều kiện hoạt động bị che phủ một phần: (a) Hệ thống NLMT; (b) Bức xạ mặt trời của từng TPQĐ dưới điều kiện che phủ một phần ............................................................................................................................ 130 Hình 4-11. Giao diện phần mềm mô phỏng hoạt động của bộ tái cấu trúc ....................... 131 Hình 4-12. Biểu đồ so sánh số lần đóng mở Khóa của các khóa trong DES: (a) Sử dụng phương pháp MAA; (b) Sử dụng phương pháp MAA cải tiến. ........................................ 132 Hình 4-13. Sơ đồ tổng quan kết nối Bộ tái cấu trúc .......................................................... 133 Hình 4-14. Thiết kế tổng thể giải pháp .............................................................................. 134 Hình 4-15. Hệ thống NLMT với bộ tái cấu trúc: a) bình thường; b) Che phủ 1 phần; c) sau khi tái cấu trúc ................................................................................................................... 135 Hình 4-16. Kết nối các TPQĐ trước khi tái cấu trúc (a) và sau khi tái cấu trúc (b) ............... 136 Hình 4-17. Mạch tái cấu trúc ............................................................................................. 136 Hình 4-18. Mạch đo dòng điện, điện áp từng TPQĐ ........................................................ 136 Hình 4-19. Biểu đồ so sánh công suất hệ thống NLMT trước và sau khi tái cấu trúc trong 11 trường hợp .................................................................................................................... 139 xiv DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1-1. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Guillermo VelascoQuesada và các cộng sự ....................................................................................................... 36 Bảng 1-2. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Pietro Romano và các cộng sự .......................................................................................................................... 40 Bảng 1-3. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Wilson và các cộng sự ......................................................................................................................................... 41 Bảng 1-4. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Matam và các cộng sự ......................................................................................................................................... 43 Bảng 1-5. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Jazayeri và các cộng sự ......................................................................................................................................... 45 Bảng 1-6. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Mahmoud và các cộng sự................................................................................................................................. 48 Bảng 1-7. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Alahmad và các cộng sự................................................................................................................................. 50 Bảng 1-8. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi B. Patnaik và các cộng sự................................................................................................................................. 52 Bảng 1-9. So sánh các thuật toán cân bằng bức xạ sử dụng mạch kết nối TCT [57] ......... 54 Bảng 4-1. Thông số định mức TPQĐ Schüco International KG MPE 240 PS 04 ............ 127 Bảng 4-2. Công suất định mức TPQĐ ở điều kiện tiêu chuẩn 250C ................................. 135 Bảng 4-3. Bảng so sánh hoạt động của bộ tái cấu trúc tối ưu hệ thống NLMT trong 11 trường hợp ......................................................................................................................... 138 xv MỞ ĐẦU 1. Đặt vấn đề Cuộc khủng hoảng năng lượng đang trở nên hết sức cấp bách, không chỉ đe dọa đến tăng trưởng kinh tế thế giới, mà còn đe dọa trực tiếp hoà bình, an ninh quốc tế. Nguồn năng lượng hoá thạch; món quà cực kỳ quý báu của thiên nhiên ban tặng cho con người đang cạn kiệt. Do đó, nguồn năng lượng mới và tái tạo đang là vấn đề nóng mà cả cộng đồng quốc tế phải quan tâm và nghiên cứu. Liên minh châu Âu cam kết giảm phát thải khí nhà kính ít nhất là 20% so với mức năm 1990, đến năm 2020 sẽ sản xuất đuợc 20% mức năng lượng cần thiết từ các nguồn năng lượng tái tạo. Dưới thực trạng này, năng lượng mặt trời (NLMT) đóng một vai trò rất quan trọng do đây là nguồn năng lượng sạch, NLMT tạo ra năng lượng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời mà không phát thải khí CO2 và không gây ra hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, việc cung cấp điện từ nhà máy điện cho các thị trấn và làng mạc xa có thể rất tốn kém và dân chúng thường phải chờ điện đến hàng năm trời. Những nhà máy NLMT nhỏ giải quyết vấn đề này bằng cách đưa nguồn điện đến gần phụ tải điện hơn, giảm thiểu hoặc thay thế hoàn toàn việc sử dụng các máy phát điện dùng nhiên liệu Diesel có chi phí cao. Điều này sẽ mang lại lợi ích kinh tế lâu dài cho cộng đồng thông qua một nguồn năng lượng dồi dào mà không mất một khoản chi phí nào. Mặt khác, để xây dựng một nhà máy NLMT cần một nguồn vốn đầu tư đắt hơn rất nhiều so với các nhà máy năng lượng khác (thủy điện, nhiệt điện...). Chính vì vậy, trên thế giới hiện nay đang thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về công nghệ NLMT để trong tương lai gần có thể giảm được chi phí sản xuất điện năng, cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác [1, 2]. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc, nhiều trường hợp các tấm pin quang điện trong nhà máy NLMT có thể nhận được mức độ bức xạ mặt trời là không 1 đồng nhất. Nguyên nhân có thể do sự che phủ một phần của bóng mây, cây cối, nhà cửa, cột ăng ten... dẫn đến sự sụt giảm công suất của nhà máy NLMT. Hơn nữa, nó còn gây ra hiện tượng Hotspot [3] tại những tấm pin quang điện bị che phủ, từ đó gây hư hỏng trực tiếp đến những tế bào quang điện [4, 5]. Ảnh hưởng của hệ hống NLMT bị che phủ một phần đã được đề cập trong [4, 5] với sự suy giảm công suất được thể hiện trong Hình 1-21. Khi bị che phủ một phần, không những gây sụt giảm công suất hệ thống, ngoài ra còn xảy ra hiện tượng Misleading (hiện tượng nhầm lẫn do có nhiều điểm làm việc cho công suất cực đại - Maximum Power Point). Để giảm thiểu tổn thất khi các tấm quang điện bị che phủ một phần, rất nhiều giải pháp đã được đề xuất và được chia thành 3 nhóm chính sau [5]: - Phân bổ MPPT. - Biến tần đa cấp. - Tái cấu trúc hệ thống pin NLMT. Một lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn là phát triển chiến lược tái cấu trúc hệ thống pin NLMT dựa trên phương pháp cân bằng bức xạ [6], việc tái cấu trúc hệ thống pin NLMT chính là việc sắp xếp lại mạch kết nối của các tấm pin quang điện nhằm mục đích tăng công suất đầu ra và bảo vệ thiết bị khi hệ thống NLMT làm việc trong điều kiện ánh sáng không đồng nhất gây ra bởi sự che phủ một phần hoặc một số lý do khác như các tấm pin quang điện bị vỡ, hỏng, sụt giảm hiệu suất làm việc. Ví dụ khi một hoặc nhiều tấm pin quang điện trong mạch nối tiếp bị che phủ, dòng công suất tạo ra sẽ bị giảm dẫn đến giảm thiểu công suất đầu ra của hệ thống [7]. Hơn nữa, khi tấm pin quang điện bị che phủ, nhiệt độ tăng rất cao, dẫn đến hiện tượng Hotspot [3, 8] và làm nguy hại trực tiếp đến tấm pin quang điện. Việc sử dụng bypass diốt [9] tránh được hiện tượng Hotspot nhưng sẽ gây ra các suy giảm công suất cục bộ tại mạch nối tiếp đó và gây suy giảm công suất đầu ra của hệ thống [10]. 2 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Mục tiêu của luận án là phân tích và đưa ra các phương pháp mới cho bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT sử dụng mạch kết nối Total-Cross-Tied (TCT) dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất dựa trên chiến lược cân bằng bức xạ. Nhằm mục tiêu giảm tổn thất công suất, tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT, cụ thể luận án có 2 mục tiêu tối ưu sau: - Xây dựng mô hình toán, đề xuất áp dụng thuật toán cho bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất. - Xây dựng mô hình toán, đề xuất áp dụng thuật toán cho bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu, từ cấu hình kết nối ban đầu đến cấu hình cân bằng bức xạ. - Xây dựng mô phỏng trên Matlab Simulink và mô hình thực nghiệm để đánh giá thuật toán đã đề xuất. 3. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa nguồn sơ cấp của hệ thống NLMT, cụ thể áp dụng vào bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất, sử dụng mạch kết nối TCT dựa trên chiến lược cân bằng bức xạ với những nội dung cụ thể sau: - Nghiên cứu phía nguồn sơ cấp, kết nối các tấm pin quang điện sử dụng mạch kết nối TCT. - Bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất hệ thống NLMT, loại bỏ các điểm cực đại cục bộ trong trường hợp chiếu sáng không đồng nhất. 3 - Bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu với hàm mục tiêu giảm thiểu số lần đóng mở khóa, kéo dài tuổi thọ của ma trận chuyển mạch. - Trong nghiên cứu luận án chưa xét đến các ràng buộc về chi phí sản xuất thiết bị, tính kinh tế khi áp dụng thực tiễn. 4. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp lí thuyết, kiểm chứng, thực nghiệm trên các hệ thống NLMT với mức độ che phủ khác nhau, đồng thời so sánh với các nghiên cứu khác để đánh giá, cụ thể: - Nghiên cứu lý thuyết áp dụng các thuật toán tối ưu cho bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT. - Mô hình hóa hệ thống pin NLMT làm cơ sở đề xuất thuật toán tái cấu trúc. - Sử dụng phương pháp mô phỏng, thực nghiệm để kiểm tra độ chính xác của các thuật toán đề xuất thông qua việc so sánh với các nghiên cứu khác để đánh giá. 5. Điểm mới của luận án Các điểm mới của luận án được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của tác giả, gồm có ba điểm sau: - Xây dựng mô hình toán, áp dụng thuật toán Dynamic programming (DP) và đề xuất thuật toán Smartchoice (SC) cho bài toán lựa chọn cấu hình cân bằng bức xạ nhằm tìm được cách sắp xếp vị trí kết nối các TPQĐ sao cho công suất hệ thống là tối ưu, loại bỏ các điểm cực đại cục bộ. - Đề xuất mô hình toán, áp dụng thuật toán Munkres assignment algorithm (MAA) và đề xuất thuật toán MAA cải tiến cho bài toán lựa chọn phương 4 pháp chuyển mạch tối ưu nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của ma trận chuyển mạch trong hệ thống NLMT. - Xây dựng bộ công cụ mô phỏng trên Matlab-Simulink và Micrsoft Visual Studio đánh giá hiệu năng và độ chính xác của các thuật toán phục vụ minh chứng các phương pháp mới của luận án. 6. Giá trị thực tiễn của luận án: - Các kết quả nghiên cứu của luận án đạt được có giá trị thực tiễn trong vấn đề nghiên cứu về bài toán tái cấu trúc: - Phương pháp nghiên cứu dựa trên chiến lược tái cấu trúc hệ thống pin NLMT khẳng định được việc áp dụng các luật kinh nghiệm và phương pháp tối ưu cho các bài toán tối ưu vẫn được sử dụng tốt trong một số trường hợp, tuy nhiên để thực hiện được phương pháp này, đòi hỏi người xây dựng phải nắm bắt được rõ về tính chất cũng như đặc điểm của bài toán. - Thuật toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ cho các tấm pin quang điện (TPQĐ) với ưu điểm độ chính xác cao, tốc độ tính toán nhanh, có ý nghĩa thực tế trong việc áp dụng bộ tái cấu trúc vào các hệ thống NLMT lớn hiện nay, đáp ứng xử lý trong thời gian thực. - Đề xuất bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu, dựa trên thuật toán MAA và MAA cải tiến, giúp tối thiểu hóa các hoạt động đóng mở mạch, tăng tuổi thọ của ma trận chuyển mạch, giúp giảm chi phí, tăng khả năng áp dụng thực tế của chiến lược tái cấu trúc. - Xây dựng bộ mô phỏng Matlab Simulink là công cụ hỗ trợ ra quyết định cho việc thiết kế, vận hành hệ thống NLMT khi tham gia vào thị trường điện cạnh tranh. 5