Trong bài báo này, trình bày các kết quả nghiên cứu ứng dụng bộ điều khiển nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) để giảm dao động nhằm nâng cao đáp ứng của hệ thống điện mặt trời áp mái công suất nhỏ khi có các sự cố xảy ra trong quá trình hoạt động.
54 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh NÂNG CAO ĐÁP ỨNG CỦA ĐIỆN MẶT TRỜI ÁP MÁI CÔNG SUẤT NHỎ BẰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NƠ RON MỜ THÍCH NGHI ENHANCED THE RESPONSIBILITIES OF A SMALL-SCALE ROOFTOP PHOTOVOLTAGE SYSTEM WITH ANFIS CONTROLLER Ngô Văn Thuyên1, Nguyễn Thị Mi Sa1, Trương Đình Nhơn1, Hồng An Quốc1, Nguyễn Văn Phước2, Bùi Ngọc An3 1Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM, Việt Nam 2Trường Cao Đẳng Công Thương Tp.HCM, Việt Nam 3Trường Cao Đẳng Kỹ Nghệ II, Việt Nam Ngày soạn nhận 13/7/2021, ngày phản biện đánh giá 16/7/2021, ngày chấp nhận đăng 6/8/2021 TÓM TẮT Trong báo này, tác giả trình bày kết nghiên cứu ứng dụng điều khiển nơ ron mờ thích nghi (ANFIS) để giảm dao động nhằm nâng cao đáp ứng hệ thống điện mặt trời áp mái cơng suất nhỏ có cố xảy q trình hoạt động Ngồi điều khiển nhiễu loạn quan sát (P&O) sử dụng để dò điểm làm việc cực đại (MPPT) cho hệ thống điện mặt trời áp mái 5,8-kWp sử dụng pin quang điện (PV), điều khiển ANFIS đề xuất dùng điều khiển ổn định điện áp DC biến tần hệ thống điện mặt trời Một số kết mô miền thời gian hệ thống đề xuất thực với điều kiện hoạt động khác xạ mặt trời thay đổi, cố ngắn mạch xảy đầu biến tần cố sụt giảm điện áp từ lưới điện thực cách sử dụng công cụ Simulink Matlab Dựa kết mơ này, kết luận điều khiển ANFIS thiết kế cho thấy hiệu tốt việc giảm độ vọt lố thời gian độ đáp ứng hệ thống điện mặt trời áp mái điều kiện vận hành thay đổi Từ khóa: Điều khiển nơ ron mờ thích nghi; nhiễu loạn quan sát; điện mặt trời áp mái; điểm làm việc cực đại; ổn định ABSTRACT In this paper, the authors present the research results on the application of the Adaptive Network-based Fuzzy Inference System (ANFIS) to reduce oscillations to improve the response of small-scale rooftop solar photovoltaic (PV) power systems when there are failure occurs during operation In addition to the Perturb and Observe (P&O)) controller used to detect the maximum working point (MPPT) for the kWp rooftop solar power system using photovoltaic (PV) panels, the ANFIS controller It is proposed to use stable control of DC voltage in inverters of solar power systems Sometime-domain simulation results of the proposed system are performed with different operating conditions such as variable solar radiation, short-circuit occurring at the inverter output, and the voltage sag at the power grid performed using Matlab's Simulink tool Based on these simulation results, it can be concluded that the designed ANFIS controller shows better efficiency in reducing overshoot and transient time in rooftop solar PV system responses when operating conditions change Keywords: ANFIS; P&O; Rooftop solar PV; MPPT; Stability GIỚI THIỆU Hiện nay, điện mặt trời áp mái sử dụng Pin quang điện (PV) phát triển mạnh Doi: https://doi.org/10.54644/jte.65.2021.139 mẽ Ngoài việc tạo điện cung cấp cho phụ tải, với kWp cơng suất mặt trời PV giúp giảm 28 khí thải Carbon Dioxide [1] Để tối ưu cơng suất phát điện Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 55 hệ thống điện mặt trời nói chung điện mặt trời áp mái nói riêng, kỹ thuật dị điểm phát công suất cực đại (MPPT) hệ thống nghiên cứu đề xuất [2-4] Bảng 1.Thông số pin SPR-415E-WHT-D Công suất lớn (W) Việc đầu tư hệ thống điện mặt trời cần phải xem xét yếu tố kinh tế kỹ thuật công nghệ chế tạo loại PV sách khuyến khích quốc gia cụ thể Do đó, tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng mà có nhiều cấu hình khác hệ thống điện mặt trời áp mái đề nghị Trong đó, sử dụng lưu trữ lượng (BES) giải pháp đề xuất cho hộ gia đình để giảm chi phí tiền điện [5-7] Số cell 128 Điện áp hở mạch (V) 85.3 Điện áp cơng suất lớn (V) 72.9 Dịng điện ngắn mạch (A) 6.09 Dịng điện cơng suất lớn (A) 5.69 Nhằm giảm chi phí đầu tư cho hệ thống điện mặt trời áp mái công suất nhỏ giải pháp sử dụng biến tần nối lưới khơng sử dụng BES ưu tiên nghiên cứu [8-10] STT Thông số Giá trị 414.8 Trong báo này, pin PV hãng Sunpower mã số SPR-415E-WHT-D chọn với thông số định mức liệt kê Bảng Các đường đặc tuyến Công suất – Điện áp (P-V) theo thay đổi xạ mặt trời thể Hình Bên cạnh đó, để nâng cao chất lượng điện nghịch lưu điện mặt trời nối lưới, có nhiều giải thuật sử dụng giải thuật P&O [11], giải thuật điều khiển dựa vịng lặp bị khóa tần số (AFLL) [12], hay cách kết hợp điều khiển dự đốn mơ hình (CNMPC) điều khiển chế độ trượt tích hợp (ISMC) [13] Mục đích báo trình bày khả ứng dụng điều khiển ANFIS để cải thiện ổn định hệ thống điện mặt trời áp mái sử dụng biến tần nối lưới pha công suất nhỏ HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU Cấu hình hệ thống đề xuất giới thiệu Hình 1, bao gồm hệ thống điện mặt trời 5,8-kWp kết nối với lưới điện thông qua biến tần pha nối lưới lọc CDC IDC 14x415-kWp VDC Bộ điều khiển P&O VDC Id-đặt Biến tần pha nối lưới PWM Bộ điều khiển biến tần Lưới điện phân phối i v Hình Sơ đồ khối hệ thống nghiên cứu Hình Đặc tuyến P-V PV THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 3.1 Bộ điều khiển P&O Để tối ưu hóa hiệu hệ thống PV bao Hình 1, điều khiển P&O đề xuất để dị tìm điểm cực đại Hình Lưu đồ điều khiển minh họa Hình [3, 14, 15] Trong sơ đồ này, ta tiến hành điều chỉnh điện áp lượng nhỏ làm cho công suất đầu điện mặt trời thay đổi Nếu công suất tăng lên nhiễu loạn nhiễu loạn tiếp tục theo hướng cũ Sau đạt đến công suất cực đại, công suất giảm lúc nhiễu loạn thực theo hướng ngược lại để giữ cho dao động trạng thái ổn định xung quanh điểm cực đại 56 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh Thơng tin chi tiết ANFIS chọn sau: Bắt đầu Đo điện áp dòng điện Số nút: 35 Số tham số tuyến tính: 27 Tính tốn cơng suất hệ thống Số tham số phi tuyến: 18 Đúng Tổng số thông số: 45 Sai Công suất tăng ? Số lượng cặp liệu đào tạo: 226801 Thực hướng cũ Thực theo hướng ngược lại Hình Lưu đồ giải thuật thuật toán P&O 3.2 Bộ điều khiển ANFIS Số luật mờ: Theo đó, kết sai số huấn luyện tối thiểu (RMSE) 0.159101 mối quan hệ tín hiệu vào tín hiệu ANFIS biểu diễn Hình Bộ điều khiển ANFIS đề xuất để điều khiển ổ định điện áp DC cho nghịch lưu nối lưới sơ đồ điều khiển Hình Bao gồm điều khiển PI truyền thống (Hình 4a) điều khiển ANFIS đề xuất (Hình 4b) PWM V DC-đặt e PI id-đặt e Vinv Điều chế xung i VDC-đo Điều khiển a PI Điều khiển dịng điện VDC Hình Đồ thị quan hệ vào-ra ANFIS Sơ đồ điều khiển biến tần VDC-đặt e VDC-đo de dt Bộ điều khiển ANFIS id-đặt b Sơ đồ ANFIS điều khiển VDC Hình Sơ đồ điều khiển biến tần Cấu trúc ANFIS tác giả ứng dụng thành công cơng trình cơng bố [14, 16] Để cải thiện khả điều khiển điều khiển PI truyền thống, báo này, ngồi thơng số đầu vào sai số điện áp DC tác giả đưa thêm thông tin đạo hàm sai số để phát độ biến thiên của sai số nhằm tăng độ xác điều khiển KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Trong phần này, số kết mô miền thời gian hệ thống đề xuất Phần mô công cụ Simulink Matlab Với kịch thay đổi xạ mặt trời, cố ngắn mạch ngõ biến tần cố sụt áp từ nguồn tiến hành so sánh để thấy đóng góp thuật tốn P&O để dò điểm MPPT điều khiển ANFIS đề xuất để điều khiển ổn định công suất ngõ biến tần nối lưới Kết mô Hình thể đáp ứng hệ thống xạ mặt trời thay đổi từ 400 W/m2 lên 800 W/m2 thời điểm giây (Hình 6a) cố ngắn mạch pha đầu biến tần xảy thời điểm giây kéo dài 0,1 giây Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh a Bức xạ mặt trời thay đổi 57 Từ kết mô này, ta nhận thấy khả bám điểm tối ưu cơng suất thuật tốn P&O thiết kế giúp giữ cho công suất đầu hệ thống điện mặt trời gần với giá trị đỉnh công suất cực đại thời điểm giây trì ổn định Bên cạnh đó, nhờ điều khiển ANFIS thiết kế cho khối điều khiển DC mà dao động hệ thống giảm đáng kể (thể đường liền nét màu tím) so với điều khiển PI truyền thống (thể đường nét đứt màu xanh) b Công suất phát điện mặt trời a Điện áp DC điện mặt trời c Điện áp DC điện mặt trời b Dòng điện trục d điện mặt trời Hình Đáp ứng hệ thống điện áp nguồn bị giảm 50% d Dòng điện trục d điện mặt trời Hình Đáp ứng hệ thống xạ thay đổi cố ngắn mạch pha biến tần Ngồi ra, Hình cung cấp thêm thông tin đáp ứng hệ thống cố điện áp nguồn giảm xuống 50% giá trị định mức thời điểm 0,5 giây kéo dài thời gian 0,1 giây hệ thống điện mặt trời làm việc xạ 600 W/m2 Kết mô cho thấy giá trị điện áp VDC 58 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh (Hình 7a) trì giá trị 450 V dịng điện Id hệ thống điện mặt trời (Hình 7b) có giá trị 0,6 p.u sau kết thúc q trình q độ Trong đó, nhờ điều khiển ANFIS đề xuất mà thời gian độ giảm cách nhanh chóng (thể đường nét liền màu tím) KẾT LUẬN Bài báo trình bày cải thiện độ ổn định dao động hệ thống điện mặt trời mái nối lưới công suất nhỏ Để cung cấp lượng tối đa từ hệ thống điện mặt trời, điều khiển P&O đề xuất để dò điểm làm việc cực đại MPPT điều khiển ANFIS thiết kế để ổn định điện áp DC nghịch lưu Từ kết so sánh q trình mơ cho thấy lỗi ra, làm cho tất tham số hệ thống bị dao động Tuy nhiên, sau hệ thống trở lại hoạt động bình thường sau trình độ Trong tất trường hợp, nhờ điều khiển ANFIS mà dao động độ kiểm soát tốt so với điều khiển PI TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] K C Rout and P Kulkarni, "Design and Performance evaluation of Proposed kW Solar PV Rooftop on Grid System in Odisha using PVsyst," 2020 IEEE International Students' Conference on Electrical, Electronics and Computer Science (SCEECS), pp 1-6, 2020 [2] R B Bollipo, S Mikkili and P K Bonthagorla, "Hybrid, optimal, intelligent and classical PV MPPT techniques: A review," in CSEE Journal of Power and Energy Systems, vol 7, no 1, pp 9-33, Jan 2021 [3] H Afghoul, D Chikouche, F Krim and A Beddar, "A comparative study between sliding mode controller and P&O controller applied to MPPT," 2013 International Renewable and Sustainable Energy Conference (IRSEC), pp 112-117, 2013 [4] C Wang, M Chen, X Zhang and M Gao, "An analog MPPT controller without multiplier for PV applications based on simplified P&O method," 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), pp 2296-2300, 2017 [5] R Khezri, A Mahmoudi, and M H Haque, "Optimal Capacity of Solar PV and Battery Storage for Australian Grid-Connected Households," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol 56, no 5, pp 5319-5329, Sept.-Oct 2020 [6] J Windarta, D Denis, S Saptadi, J S Silaen, and D A Satrio, "Implementation and Testing of Rooftop Solar Power Plant with On-Grid System 1215 Wp Household Scale," 2020 7th International Conference on Information Technology, Computer, and Electrical Engineering (ICITACEE), pp 294-299, 2020 [7] G Coria, F Penizzotto, and R Pringles, “Economic analysis of photovoltaic projects: The Argentinian renewable generation policy for residential sectors”, Renewable Energy, 2018 [8] T Somsak, S Jumpaim, J Thongporn and D Chenvidhya, "Techno evaluation on a grid connected 9.8 kWp PV rooftop at various orientation in Thailand," 2016 13th International Conference on Electrical Engineering/Electronics, Computer, Telecommunications and Information Technology (ECTI-CON), pp 1-4, 2016 [9] Abhiram S, Ilango K and A M Narayanan, "The Impacts of Rooftop Solar PV Systems on Secondary Distribution System and Advanced Net Metering," 2018 3rd IEEE International Conference on Recent Trends in Electronics, Information & Communication Technology (RTEICT), pp 189-194, 2018 [10] S Sebastian, E A S Varghese, and E J Varghese, "Mitigation And Improvement Of Power Quality Using Shunt Series Switched Grid Tied Inverter (SSS-GTI)," 2021 7th International Conference on Electrical Energy Systems (ICEES), pp 5-8, 2021 Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 65 (08/2021) Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP Hồ Chí Minh 59 [11] V Jain and B Singh, "Power Quality Improvement in PV System Tied to Weak Grid," 2019 International Conference on Computing, Power and Communication Technologies (GUCON), pp 936-941, 2019 [12] B Singh and V Jain, "AFLL-Based Control Technique for Grid Interfaced Three Phase PV System," in IEEE Transactions on Industry Applications, vol 56, no 3, pp 2263-2272, 2020 [13] B Ayalew, A A Yahaya and A Al Durra, "Robust Continuous Nonlinear Predictive Controller (CNMPC) via Integral Sliding Mode Control (ISMC) for Grid-Tied PV Inverter," 2020 2nd International Conference on Smart Power & Internet Energy Systems (SPIES), pp 514-519, 2020 [14] V.-T Bui, D.-N Truong, “Improvement of ANFIS Controller for SVC Using PSO”, In Computational Intelligence Methods for Green Technology and Sustainable Development GTSD 2020 Advances in Intelligent Systems and Computing, vol 1284 Springer, Cham, 2021 [15] B Talbi, F Krim, T Rekioua, A Laib, and H Feroura, “Design and hardware validation of modified P&O algorithm by a fuzzy logic approach based on model predictive control for MPPT of PV systems”, Journal of Renewable and Sustainable Energy 9, 043503, 2017 [16] L Wang and D.-N Truong, “Stability enhancement of a power system with a PMSG-based and a DFIG-based offshore wind farms using an SVC with an adaptive-network-based fuzzy inference system”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol 60, no 7, pp 2799-2807, 2013 Tác giả chịu trách nhiệm viết: PGS.TS Trương Đình Nhơn Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp.HCM Email: nhontd@hcmute.edu.vn ... phát điện mặt trời a Điện áp DC điện mặt trời c Điện áp DC điện mặt trời b Dòng điện trục d điện mặt trời Hình ? ?áp ứng hệ thống điện áp nguồn bị giảm 50% d Dòng điện trục d điện mặt trời Hình ? ?áp. .. thống điện mặt trời mái nối lưới công suất nhỏ Để cung cấp lượng tối đa từ hệ thống điện mặt trời, điều khiển P&O đề xuất để dò điểm làm việc cực đại MPPT điều khiển ANFIS thiết kế để ổn định điện. .. Điều khiển a PI Điều khiển dịng điện VDC Hình Đồ thị quan hệ vào-ra ANFIS Sơ đồ điều khiển biến tần VDC-đặt e VDC-đo de dt Bộ điều khiển ANFIS id-đặt b Sơ đồ ANFIS điều khiển VDC Hình Sơ đồ điều