Tài liệu Luận văn thạc sĩ điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- VÕ VĂN HOÀNG KIM ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM --------------------------- VÕ VĂN HOÀNG KIM ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018 CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : ………………………………………. (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM ngày … tháng … năm … Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT 1 2 3 4 5 Họ và tên Chức danh Hội đồng Chủ tịch Phản biện 1 Phản biện 2 Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa chữa (nếu có). Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Độc lập – Tự do – Hạnh phúc Tp. HCM, ngày......tháng........năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: VÕ VĂN HOÀNG KIM Giới tính: NAM Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN MSHV: I- Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN II- Nhiệm vụ và nội dung: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời. - Nghiên cứu pin quang điện và hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. III- Ngày giao nhiệm vụ: IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY CÁN BỘ HUỚNG DẪN (Họ tên và chữ ký) KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên và chữ ký) LỜI CAM ÐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc. Học viên thực hiện Luận văn Võ Văn Hoàng Kim LỜI CÁM ƠN Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn các Thầy Cô của Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM, Viện Đào tạo Sau đại học, Viện Khoa học Kỹ thuật đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn. Đặc biệt, em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báo cho việc hoàn thành Luận văn này. Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em. Võ Văn Hoàng Kim Tóm tắt Vấn đề cạn kiệt năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng mặt trời. Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất. Nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học. Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%); - Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau. Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này mà bao gồm các nội dung như sau: + Chương 1: Giới thiệu + Chương 2: Hệ thống pin quang điện + Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện + Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện + Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai Abstract The problem of electricity depletion has been and is being paid special attention by the world in general and Vietnam in particular. To address this problem, there are many proposals for the use of different forms of energy to generate electricity, in the form of renewable energy. One of them is solar. It can be seen that solar energy is a clean energy source unlike any other energy source that we are exploiting on earth. If solar energy is efficiently used to meet your electricity needs, this is one of the goals that scientists need. One of the main applications from solar power is the production of electricity through photovoltaic (PV) systems. In these photovoltaic systems, there are several major shortcomings: - The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is relatively low (9 ÷ 17%); - The electrical energy generated by the photovoltaic system is constantly changing under different weather conditions. For the above reasons, the thesis "Optimal power control of a solar photovoltaic system" is selected and implemented which includes the following contents: + Chapter 1: Introduction + Chapter 2: Solar photovoltaic system + Chapter 3: Optimal power control of a solar photovoltaic system + Chapter 4: Simulation results of optimal power control of a solar photovoltaic system + Chapter 5: Conclusions and future works i MỤC LỤC Mục lục ........................................................................................................... i Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv Danh sách bảng ............................................................................................ ix Chương 1 - Giới thiệu.................................................................................. 1 1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1 1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2 1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 2 1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 3 1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 3 1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu............................................................. 3 1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .................................................... 4 1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 6 1.8. Bố cục của luận văn ................................................................................ 7 Chương 2 - Hệ thống pin quang điện ........................................................ 8 2.1. Giới thiệu về mặt trời ............................................................................ 8 2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời .................................................... 10 2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ................................................. 11 2.4. Bức xạ mặt trời ..................................................................................... 13 2.5. Pin quang điện ...................................................................................... 17 2.5.1. Giới thiệu ........................................................................................... 17 2.5.2. Phân loại pin quang điện ................................................................... 19 2.5.3. Mô hình toán pin quang điện ............................................................. 20 2.6. Module pin quang điện ......................................................................... 23 2.7. Mảng pin quang điện ............................................................................ 24 2.8. Các ảnh hưởng đến pin quang điện ...................................................... 26 ii 2.8.1. Ảnh hưởng của cường độ bức xạ ...................................................... 27 2.8.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 27 2.8.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ................................................ 28 2.9. Các hệ thống pin quang điện ................................................................ 32 2.9.1. Hệ thống pin quang điện độc lập ....................................................... 32 2.9.2. Hệ thống pin quang điện nối lưới ...................................................... 33 2.9.3. Hệ thống pin quang điện hỗn hợp ..................................................... 35 2.10. Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC.................................................... 36 2.10.1. Bộ biến đổi DC/DC ......................................................................... 36 2.10.2. Bộ biến đổi DC/AC ......................................................................... 37 2.11. PLL 3 pha ........................................................................................... 39 2.11.1. Phase detector .................................................................................. 39 2.11.2. VCO ................................................................................................. 40 2.11.3. Bộ nghịch lưu 6 khóa ...................................................................... 47 Chương 3 - Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện 52 3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 52 3.2. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ................................................. 53 3.3. Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) ................................. 54 3.4. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) .......... 58 3.5. Thuật toán điện áp hằng số ................................................................... 61 3.6. Đề xuất thuật toán InC cải tiến ............................................................. 62 3.7. Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại .................... 63 3.7.1. Phương pháp điều khiển PI ............................................................... 64 3.7.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp...................................................... 65 Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện ............................................................................................................. 68 4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 68 4.2. Mô phỏng pin quang điện ..................................................................... 69 4.3. Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC............................. 73 iii 4.4. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi ..................................................................................................... 74 4.4.1. Cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C .................................. 74 4.4.2. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C ............................... 75 4.4.3. Cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C ............................... 76 4.5. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi ........................................................................................................ 77 4.5.1. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C ............................... 79 4.5.2. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C ............................... 80 4.5.3. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C ............................... 82 4.6. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi .... 84 Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai .............................. 88 5.1. Kết luận ................................................................................................ 88 5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 88 Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 89 iv DANH SÁCH HÌNH VẼ Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ..................................................................... 8 Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời .......................................... 11 Hình 2.3. Hướng nhìn quỹ đạo trái đất ........................................................ 12 Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời ..................................................................... 13 Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ....................................................................... 14 Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời......................................................................... 15 Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất ................................................................................................... 16 Hình 2.8. Cấu tạo pin quang điện ................................................................ 18 Hình 2.9. Pin quang điện ............................................................................. 18 Hình 2.10. Các loại pin quang điện ............................................................. 19 Hình 2.11. Xu hướng công nghệ điện mặt trời của thế giới ........................ 20 Hình 2.12. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện ............................. 20 Hình 2.13. Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc) .............................................................. 21 Hình 2.14. Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao .......... 22 Hình 2.15. Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp............................................................................................................. 22 Hình 2.16. Module pin quang điện .............................................................. 23 Hình 2.17. Đặc tính của module pin quang điện ......................................... 24 Hình 2.18. Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau ..... 25 Hình 2.19. Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau . 25 Hình 2.20. Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau .... 26 Hình 2.21. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ bức xạ khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C .............................. 27 Hình 2.22. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường độ bức xạ không đổi 1 kW/m2 ..................................................... 27 Hình 2.23. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường v hợp module không bị che khuất .................................................................. 28 Hình 2.24. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị che khuất một phần ............................................................. 28 Hình 2.25. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện .............................................................................................................. 29 Hình 2.26. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 30 Hình 2.27. Module pin quang điện sử dụng diode bypass .......................... 30 Hình 2.28. Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode bypass .......................................................................................................... 31 Hình 2.29. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass .......................................................................................................... 31 Hình 2.30. Hệ thống pin quang điện độc lập ............................................... 32 Hình 2.31. Hệ thống pin quang điện nối lưới .............................................. 33 Hình 2.32. Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới ............................ 34 Hình 2.33. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ......................................... 34 Hình 2.34. Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp ........................ 35 Hình 2.35. Hệ thống pin quang điện kết hợp .............................................. 36 Hình 2.36. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch ...................................... 37 Hình 2.37. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới ............................................... 37 Hình 2.38. Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới ............................................ 38 Hình 2.39. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ................................................. 39 Hình 2.40. Tín hiệu ngõ ra VCO ................................................................. 41 Hình 2.41. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ................................................... 42 Hình 2.42. Hệ trục tọa độ ....................................................................... 42 Hình 2.43. Hệ trục tọa độ dq ....................................................................... 44 Hình 2.44. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ................ 45 Hình 2.45. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa ...................................... 47 Hình 2.46. Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn .............................. 48 Hình 2.47. Các vector điện áp chuẩn và các sector ..................................... 50 Hình 2.48. Giản đồ đóng ngắt của các khóa................................................ 51 vi Hình 3.1. Đặc tính V - I của một tế bào quang điện.................................... 53 Hình 3.2. Thuật toán tìm điểm công suất cực đại P&O .............................. 55 Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán P&O ............................................................... 56 Hình 3.4. Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của cường độ bức xạ .......................................................................................... 57 Hình 3.5. Thuật toán InC ............................................................................. 59 Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán InC.................................................................. 61 Hình 3.7. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển PI ................................................................................................ 64 Hình 3.8. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển trực tiếp ...................................................................................... 65 Hình 3.9. Đặc tính V - I của hệ thống pin quang điện thể hiện mối quan hệ giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D ................................................. 67 Hình 4.1. Hệ thống pin quang điện ............................................................. 68 Hình 4.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện ................................... 69 Hình 4.3. Hệ pin quang điện (02 song song x 10 nối tiếp).......................... 70 Hình 4.4. Bố trí hỗn hợp của hệ pin quang điện (02 song song x 10 nối tiếp) .............................................................................................................. 70 Hình 4.5. Hệ pin quang điện tương ứng với thông số ngõ vào của cường độ bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C)................................................... 71 Hình 4.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện của cường độ bức xạ, 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 25 0C ........................... 71 Hình 4.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ bức xạ, 1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6kW/m2 và nhiệt độ 25 0C ............................. 72 Hình 4.8. Lưới điện AC, 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) ............. 73 Hình 4.9. Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC ................... 74 Hình 4.10. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán InC cải tiến .................................................................................................. 75 Hình 4.11. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều vii kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán InC cải tiến........................................................................................... 76 Hình 4.12. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán InC cải tiến........................................................................................... 77 Hình 4.13. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ bức xạ không đổi, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ thay đổi, 150C; 300C và 350C ... 78 Hình 4.14. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C .................... 79 Hình 4.15. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C sử dụng thuật toán InC cải tiến........................................................................................... 80 Hình 4.16. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C .................... 81 Hình 4.17. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C sử dụng thuật toán InC cải tiến........................................................................................... 82 Hình 4.18. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C .................... 83 Hình 4.19. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C ............................ 84 Hình 4.20. Cường độ bức xạ thay đổi, 0,6 - 1 (kW/m2) .............................. 85 Hình 4.21. Nhiệt độ thay đổi, 25 - 35 (0C) .................................................. 86 Hình 4.22. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi sử dụng thuật toán InC cải tiến ............................................................................................................... 87 ix DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1. Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ............................... 11 Bảng 2.2. Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ...................................... 12 Bảng 2.3. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt .............................................................................................................. 48 Bảng 3.1. Mô tả thuật toán P&O ................................................................. 55 Bảng 4.1. Thông số của pin quang điện và hệ pin quang điện .................... 70 Bảng 4.2. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện của cường độ bức xạ khác nhau ......................................................................................... 72 Bảng 4.3. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện của nhiệt độ khác nhau ..................................................................................................... 78 Bảng 4.4. Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ khác nhau ................................................................. 85 1 Chương 1 Giới thiệu 1.1. Giới thiệu Vấn đề cạn kiệt năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng mặt trời. Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự đoán được thời điểm kết thúc của nó. Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều vùng. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ. Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt điện có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2]. Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của các nhà khoa học. Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống 2 pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau: - Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là tương đối thấp (9 ÷ 17%); - Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau. Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này. 1.2. Tính cấp thiết của đề tài Cơ cấu nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống như nhiên liệu hóa thạch, nước... Để giảm bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” được xem là cần thiết. 1.3. Đối tượng nghiên cứu Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình của một hệ thống pin quang điện bao gồm: - Hệ thống pin quang điện; - Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC; - Giải thuật tìm điểm công suất cực đại; - Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. 1.4. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. - Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến điều khiển tối ưu công suất phát của hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện. 3 - Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện. - Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ thống pin quang điện dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau. 1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu Đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau: - Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. - Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện. - Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại. - Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện. - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. 1.6. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. - Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện. 1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện chịu chi phối trực tiếp bởi các giải thuật tìm điểm công suất cực đại. Vì vậy, trong thời gian gần đây, các giải thuật tìm điểm công suất cực đại đã được nghiên cứu, đề xuất và áp dụng như giải thuật xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm, P&O), giải thuật gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, logic mờ, v.v... Các giải thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của giải thuật; giá trị hội tụ và tốc độ hội tụ của giải thuật; tính chất đơn giản của việc thực hiện các thực nghiệm nghiên cứu, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp. 4 1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C. Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v.v... Tuy nhiên, đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay đổi lớn và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3 điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không chính xác và ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [3]. Để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D. Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu và F. Blaabjerg đã giới thiệu thêm một thuật toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O bằng việc lấy thêm các mẫu trung gian. Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính. Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai [4]. M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại. Cấu trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu