Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

GIỚI THIỆU CHUNG

Giới thiệu

Ngành năng lượng điện toàn cầu, bao gồm Việt Nam, đang đối mặt với những thách thức lớn như nhu cầu năng lượng gia tăng nhanh chóng, sự khan hiếm nguồn nhiên liệu hóa thạch và áp lực giảm thiểu khí thải CO2 để bảo vệ môi trường Những yếu tố này đã thúc đẩy nỗ lực tìm kiếm các nguồn năng lượng thay thế, đồng thời khuyến khích việc sử dụng năng lượng một cách tiết kiệm và hiệu quả hơn.

Việt Nam, với vị trí địa lý gần xích đạo và trung bình 2.000 giờ nắng mỗi năm, có tiềm năng năng lượng mặt trời cao, đạt từ 4,08 đến 5,15 kWh/m²/ngày tại các đô thị lớn Điều này cho thấy điều kiện tự nhiên thuận lợi cho phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, vốn là nguồn năng lượng đáng tin cậy và có năng suất cao trong giờ cao điểm tiêu thụ điện Mặc dù năng lượng tái tạo ngày càng quan trọng, nhưng chi phí công nghệ năng lượng mặt trời vẫn cao và cần biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển Do đó, các nhà khoa học đang nghiên cứu để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này Hơn nữa, việc kết nối lưới điện năng lượng mặt trời được xem là giải pháp tiềm năng cho vấn đề lưu trữ năng lượng, nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trường từ các phương pháp lưu trữ truyền thống như ắc-quy.

Giải pháp "Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới" nhằm mục tiêu cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường Hệ thống điện năng lượng mặt trời này được thiết kế để kết nối với lưới điện, đảm bảo hiệu suất hoạt động cao nhất.

Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” nhằm mục tiêu phát triển các phương pháp tối ưu hóa công suất cho hệ thống điện mặt trời, đảm bảo hiệu suất cao và độ tin cậy trong việc cung cấp điện năng cho lưới điện Nội dung nghiên cứu sẽ bao gồm phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất hệ thống, ứng dụng các thuật toán điều khiển hiện đại, và đánh giá hiệu quả hoạt động của hệ thống trong điều kiện thực tế.

- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế giới và tại Việt Nam

- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó

- Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV

- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, Việt Nam phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch và khí với tỷ lệ 53,61%, trong khi thủy điện chiếm 46,08% Tuy nhiên, nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và giá thành ngày càng cao, trong khi nguồn thủy điện lại bị ảnh hưởng bởi biến đổi khí hậu Do đó, năng lượng tái tạo trở thành lựa chọn thiết yếu cho hiện tại và tương lai của đất nước.

Nhận thức được tầm quan trọng và lợi ích của năng lượng tái tạo trong bối cảnh nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng, Chính phủ Việt Nam đã tiến hành nghiên cứu và khuyến khích phát triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo Dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam đạt mức bình quân từ 10,5 - 11%, cho thấy sự cần thiết phải đầu tư vào các nguồn năng lượng bền vững để phục vụ cho sự phát triển kinh tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của đề tài là hệ thống pin quang điện mặt trời, bao gồm nhiều mô-đun, mỗi mô-đun được cấu thành từ nhiều tế bào pin mặt trời được kết nối theo một cấu hình nhất định.

Đề tài nghiên cứu nhằm xác định điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời trong các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau Mục tiêu là tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời tại HUTECH được tối ưu hóa để thu nhận năng lượng hiệu quả Đồng thời, nghiên cứu sẽ được thực hiện để kết nối hệ thống này với lưới điện, nhằm nâng cao hiệu suất và tính bền vững trong việc sử dụng năng lượng tái tạo.

Ý nghĩa của đề tài

Hiện nay, nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin quang điện mặt trời đang thu hút sự quan tâm lớn Nhiều thuật toán như P&O (Perturbation and Observation), InC (Incremental Conductance), thuật toán logic mờ và thuật toán mạng nơ-rôn đã được đề xuất để tìm kiếm điểm công suất cực đại Đề tài này khai thác những ưu điểm của các thuật toán hiện có và giới thiệu một phương pháp cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả bám điểm công suất cực đại so với các thuật toán truyền thống.

Giải quyết bài toán năng lượng và môi trường hiện nay là một nhiệm vụ cấp bách, trong đó năng lượng mặt trời và năng lượng tái tạo đóng vai trò quan trọng Việc nâng cao hiệu quả khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời là cần thiết để thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh Nghiên cứu này nhằm mục đích tối ưu hóa cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời, đồng thời kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện, giúp giảm áp lực cho các nguồn điện truyền thống Giải pháp này hoàn toàn phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng Chính phủ về chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến năm 2030, với tầm nhìn đến năm 2050, đặc biệt trong việc phát triển nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho các khu vực chưa được kết nối với lưới điện quốc gia.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của hệ thống điện năng lượng mặt trời ở Việt Nam và quốc tế Việc áp dụng các phương pháp điều khiển tối ưu giúp nâng cao hiệu quả hoạt động của hệ thống năng lượng mặt trời Đồng thời, kết nối lưới hiệu quả là yếu tố quan trọng để đảm bảo tính ổn định và khả năng cung cấp điện liên tục So sánh với các nước khác, Việt Nam có tiềm năng lớn trong việc phát triển năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời.

Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Bố cục của luận văn

Bố cục của luận văn gồm 6 chương:

- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện mặt trời và pin quang điện

- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới

- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại

- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt trời

- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG ĐIỆN

Cấu trúc mặt trời

Mặt trời là một khối khí hình cầu với đường kính lên tới 1,39 triệu km, gấp hơn 110 lần đường kính của Trái đất Khoảng cách từ Mặt trời đến Trái đất là 150 triệu km, tương đương một đơn vị thiên văn.

Ánh sáng Mặt Trời mất khoảng 8 phút để đến Trái Đất Khối lượng của Mặt Trời khoảng 2 x 10^30 kg Nhiệt độ trung tâm của Mặt Trời dao động từ 10^6 K đến 20 x 10^6 K, với nhiệt độ trung bình khoảng 15.600.000 K.

Ở nhiệt độ 0K, vật chất không thể duy trì cấu trúc nguyên tử và phân tử thông thường, mà chuyển sang trạng thái plasma, nơi các hạt nhân nguyên tử tách biệt với electron Sự va chạm giữa các hạt nhân tự do dẫn đến các vụ nổ nhiệt hạch Qua việc quan sát các tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt Mặt trời, các nhà khoa học đã kết luận rằng phản ứng nhiệt hạch diễn ra trong lòng Mặt trời.

Hình 2.1 Cấu trúc của mặt trời

Mặt trời được cấu tạo từ bốn vùng chính, tạo thành một khối cầu khí khổng lồ Vùng trung tâm, hay còn gọi là nhân, là nơi diễn ra các chuyển động đối lưu và các phản ứng nhiệt hạt nhân, tạo ra nguồn năng lượng cho Mặt trời.

Tài liệu HUTECH có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng đạt 160 kg/dm³, với nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ và áp suất lên tới hàng trăm tỷ atmotphe.

Vùng trung gian, hay còn gọi là vùng “đổi ngược”, là nơi năng lượng được truyền từ trong ra ngoài Vật chất trong vùng này bao gồm sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon (C), silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He) Chiều dày của vùng này khoảng 400.000 km.

Đối lưu có độ dày 125.000 km, trong khi vùng quang cầu có nhiệt độ khoảng 6.000 K và dày 1.000 km Khu vực này chứa các bọt khí sôi sục, cùng với những vết đen là các hố xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 K Ngoài ra, còn có các tai lửa với nhiệt độ dao động từ 7.000 K đến 10.000 K.

Vùng ngoài cùng của Mặt trời, được gọi là "khí quyển," là khu vực bất định với nhiệt độ bề mặt đạt 5.762 K, cho phép các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích Tại đây, các nguyên tử bình thường và cấu trúc phân tử cũng có thể xuất hiện Phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời cho thấy có ít nhất 2/3 số nguyên tố trên Trái đất tồn tại trên Mặt trời, trong đó nguyên tố phổ biến nhất là Hydrogen, chiếm khoảng 73,46% Hêlium chiếm gần 24,85%, trong khi các nguyên tố khác như Oxygen (0,77%), Carbon (0,29%), Iron (0,16%), Neon (0,12%), Nitrogen (0,09%), Silicon (0,07%), Magnesium (0,05%) và Sulphur (0,04%) chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ.

Nguồn năng lượng chủ yếu của Mặt Trời đến từ phản ứng nhiệt hạch tổng hợp hạt nhân Hydrogen, trong đó bốn hạt nhân Hydrogen kết hợp để tạo thành một hạt nhân Helium, hai Neutrino và một lượng bức xạ Hạt nhân Hydrogen mang một proton dương, và mặc dù các hạt mang điện cùng dấu thường đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ cao, chuyển động của chúng đủ nhanh để vượt qua lực đẩy và tiến gần nhau, cho phép xảy ra sự kết hợp nhờ các lực hút.

Neutrino là hạt không mang điện, có độ bền cao và khả năng xuyên thấu mạnh mẽ Sau khi hình thành từ các phản ứng hạt nhân, neutrino ngay lập tức thoát ra khỏi mặt trời và không tham gia vào các sự kiện tiếp theo.

Trong quá trình diễn ra phản ứng nhiệt hạch, Mặt trời mất khoảng 4 triệu tấn khối lượng mỗi giây, nhưng theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời sẽ không thay đổi trong hàng tỷ năm tới Mỗi ngày, Mặt trời sản xuất năng lượng lên đến 9 x 10^24 kWh, tương đương với lượng điện năng mà Trái đất sản xuất trong một năm chỉ trong chưa đầy một phần triệu giây.

Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời

Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, với một vòng quay mất 365,25 ngày Điểm gần nhất với mặt trời, gọi là điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1, khi khoảng cách giữa trái đất và mặt trời là khoảng 147 triệu km Ngược lại, điểm xa nhất, xảy ra vào ngày 3 tháng 7, có khoảng cách khoảng 152 triệu km.

Trong đó: n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng

Bảng 2.1 Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng

Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một

Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa

Mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây, đạt độ cao tối đa vào giữa ngày Trái đất quay quanh mặt trời, khiến việc xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất trở nên khó khăn.

Hình 2.2 Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời

Một quan điểm để xác định vị trí của trái đất là nó quay cố định quanh trục Bắc-Nam, trong khi mặt trời di chuyển lên xuống trong không gian theo tiến độ mùa Vào ngày 21 tháng 6, mặt trời đạt điểm cao nhất và tạo thành một góc 23,45 độ với mặt phẳng xích đạo từ trung tâm trái đất đến trung tâm mặt trời Góc này, được gọi là góc thiên độ (δ), thay đổi khi trái đất di chuyển và nằm trong khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ Một cách tính gần đúng cho góc δ dựa trên giả định một năm có 365 ngày, với xuân phân vào ngày n = 81.

Hình 2.3 Quỹ đạo trái đất

Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ

Bảng 2.2 Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng

Tháng Một Hai Ba Bốn Năm Sáu Bảy Tám Chín Mười Mười một

Hình 2.3 không thể hiện quỹ đạo quay của trái đất quanh mặt trời, nhưng rất hữu ích trong việc hiển thị các vĩ độ khác nhau và góc tính toán thu nhận năng lượng mặt trời Cụ thể, nó cho phép xác định góc cao độ β N của mặt trời vào buổi trưa, là góc giữa tia sáng mặt trời và đường chân trời.

Hình 2.4 Góc cao độ mặt trời

Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa là một thông số quan trọng để tham chiếu với việc tính toán về năng lượng mặt trời

Bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời chủ yếu liên quan đến các phản ứng hạt nhân trong nhân mặt trời, chiếm không quá 3% tổng bức xạ Khi bức xạ γ di chuyển qua lớp vật chất dày 5.10^5 km, nó bị biến đổi mạnh mẽ, chuyển từ sóng ngắn thành sóng dài hơn, cụ thể là bức xạ Rơngen Gần bề mặt mặt trời, nơi có nhiệt độ đủ thấp để tồn tại vật chất ở trạng thái nguyên tử, các cơ chế khác bắt đầu hoạt động Bức xạ mặt trời phát ra ngoài không gian có phổ rộng, với cường độ tối đa nằm trong dải 10^-1 - 10 âm, và gần một nửa tổng năng lượng mặt trời tập trung trong khoảng bước sóng 0,38 - 0,78 μm, tương ứng với vùng nhìn thấy của phổ.

Hình 2.5 Dải bức xạ điện từ

Bức xạ trực xạ là chùm tia truyền thẳng từ Mặt trời, trong khi tổng xạ là sự kết hợp của các tia trực xạ và tán xạ Mật độ dòng bức xạ trực xạ bên ngoài lớp khí quyển được tính cho 1m² bề mặt vuông góc với tia bức xạ theo một công thức cụ thể.

 D_ : Hệ số góc bức xạ giữa trái đất và mặt trời

C 0 =5,67 W/m 2 K 4 : Hệ số bức xạ của vật đen tuyệt đối

TW62 0 K: Nhiệt độ bề mặt mặt (xem giống như vật đen tuyệt đối) Độ dài bước sóng (m)

Tia tử ngoại Radar, TV, Radio

Tia cosmic Tia X Ánh sáng nhìn thấy

Tia hồng ngoại Gần Xa

Sóng dài Năng lượng mặt trời

Hình 2.6 Góc nhìn mặt trời

Khoảng cách giữa Trái đất và Mặt trời thay đổi theo mùa, dẫn đến sự biến đổi của β và q Tuy nhiên, sự thay đổi này không đáng kể, vì vậy q có thể được coi là hằng số và được gọi là hằng số mặt trời.

Khi bức xạ đi qua khí quyển Trái đất, nó bị hấp thụ và tán xạ bởi ôzôn, hơi nước và bụi, chỉ một phần năng lượng đến được bề mặt Ôxy phân tử O2 bị phân ly thành ôxy nguyên tử O, cần các photon có bước sóng ngắn hơn 0,18μm để phá vỡ liên kết Hầu hết các nguyên tử ôxy tương tác với nhau để tạo thành ôzôn O3, hấp thụ bức xạ tử ngoại ở mức độ thấp hơn Dưới tác động của photon với bước sóng ngắn hơn 0,32μm, ôzôn phân tách thành O2 và O Quá trình này giúp duy trì sự ổn định của O2 và O3, đồng thời làm giảm năng lượng của bức xạ tử ngoại khi đi qua khí quyển.

Trái đất Đường kính, D = 1.390.000 km Đường kính, D ' = 12.700 km

Bức xạ với bước sóng trong vùng nhìn thấy và hồng ngoại tương tác với các phân tử khí và bụi mà không làm phá vỡ liên kết của chúng, dẫn đến hiện tượng tán xạ photon theo nhiều hướng, trong đó một số photon quay trở lại không gian Bức xạ tán xạ chủ yếu là bức xạ có bước sóng ngắn, mang đến màu xanh lam của bầu trời trong sáng mà chúng ta có thể quan sát ở độ cao không lớn Ngoài ra, các giọt nước cũng tán xạ mạnh bức xạ mặt trời Khi đi qua khí quyển, bức xạ mặt trời còn phải đối mặt với sự hấp thụ của hơi nước, khí carbonic và các hợp chất khác, trong đó mức độ hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng, mạnh nhất ở giữa vùng hồng ngoại Vào những ngày quang đãng, năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề mặt trái đất có thể đạt khoảng 1.000W/m².

Hình 2.7 Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất

Cường độ bức xạ mặt trời tại một điểm trên Trái đất chủ yếu phụ thuộc vào quãng đường mà bức xạ phải đi qua Năng lượng bức xạ bị mất dọc theo quãng đường này do sự tán xạ và hấp thụ, và điều này còn bị ảnh hưởng bởi thời gian trong ngày, mùa và vị trí địa lý.

Tài liệu HUTECH về địa lý giải thích rằng các mùa hình thành do sự nghiêng của trục trái đất khoảng 66,5 độ so với mặt phẳng quỹ đạo quanh Mặt trời Góc nghiêng này được coi là không đổi trong không gian, và sự định hướng của trục quay trái đất trong chuyển động quanh Mặt trời dẫn đến những biến đổi quan trọng về độ dài ngày và đêm trong suốt năm.

Ứng dụng năng lượng mặt trời

Năng lượng mặt trời (NLMT) đã được con người biết đến từ lâu, nhưng chỉ thực sự được ứng dụng rộng rãi vào cuối thế kỷ 18, chủ yếu ở những khu vực có nhiều ánh sáng mặt trời như vùng sa mạc Sau các cuộc khủng hoảng năng lượng toàn cầu năm 1968 và 1973, NLMT đã thu hút sự chú ý đặc biệt Các quốc gia công nghiệp phát triển đã dẫn đầu trong nghiên cứu và ứng dụng NLMT, với nhiều ứng dụng phổ biến hiện nay.

Năng lượng mặt trời được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng thông qua các tế bào quang điện bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời Các pin mặt trời này sản xuất điện năng liên tục miễn là có bức xạ mặt trời chiếu tới.

Sử dụng năng lượng mặt trời dưới dạng nhiệt năng là một lĩnh vực quan trọng, trong đó các thiết bị thu bức xạ nhiệt mặt trời được sử dụng để tích trữ năng lượng dưới dạng nhiệt Năng lượng này sau đó có thể được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau.

Việt Nam sở hữu tiềm năng năng lượng mặt trời (NLMT) lớn, với vị trí địa lý từ vĩ độ 8° Bắc đến 23° Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, đạt từ 100-175 kcal/cm²/năm Việc khai thác NLMT không chỉ mang lại hiệu quả kinh tế đáng kể mà còn thúc đẩy sự phát triển bền vững Hiện nay, các thiết bị sử dụng NLMT chủ yếu bao gồm hệ thống cung cấp điện từ pin mặt trời, hệ thống nấu cơm bằng gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước, và ứng dụng NLMT cho động cơ nhiệt như động cơ Stirling Các nghiên cứu về ứng dụng NLMT trong làm lạnh cũng đang thu hút sự quan tâm của nhiều nhà khoa học trong và ngoài nước.

Pin mặt trời là công nghệ sản xuất điện từ năng lượng mặt trời thông qua thiết bị biến đổi quang điện Ưu điểm của pin mặt trời là tính gọn nhẹ và khả năng lắp đặt linh hoạt ở bất kỳ vị trí nào có ánh sáng mặt trời, đặc biệt là trong ngành công nghiệp tàu vũ trụ Ứng dụng năng lượng mặt trời dưới dạng này đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt tại các quốc gia phát triển.

Ngày nay, pin năng lượng mặt trời (NLMT) đang dần thay thế nguồn năng lượng truyền thống trong việc cung cấp năng lượng cho xe cộ Tuy nhiên, giá thành của thiết bị pin mặt trời vẫn còn cao, trung bình khoảng 5 USD/WP, khiến cho ở những nước đang phát triển, nó chỉ có khả năng cung cấp điện cho các vùng sâu, xa chưa có điện lưới quốc gia Tại Việt Nam, nhờ sự hỗ trợ từ một số tổ chức quốc tế, nhiều trạm pin mặt trời với công suất khác nhau đã được xây dựng để phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương, đặc biệt là ở đồng bằng sông Cửu Long và Tây Nguyên Dù vậy, pin mặt trời vẫn được coi là hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như Việt Nam.

2.5.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời

Điện năng có thể được sản xuất từ năng lượng mặt trời (NLMT) thông qua việc tạo nhiệt độ cao bằng hệ thống gương phản chiếu và hội tụ, làm nóng môi chất để vận hành máy phát điện Hiện nay, trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT, có ba loại hệ thống bộ thu chính: Hệ thống parabol trụ tập trung bức xạ mặt trời vào ống môi chất, đạt nhiệt độ lên tới 400 °C; hệ thống nhận nhiệt trung tâm sử dụng gương phản xạ định vị theo mặt trời, có thể đạt nhiệt độ trên 1.500 °C; và hệ thống gương parabol tròn xoay cũng định vị theo mặt trời, tập trung NLMT vào bộ thu ở tiêu điểm của gương, với nhiệt độ vượt quá 1.500 °C.

Hình 2.10 Tháp năng lượng mặt trời

2.5.3 Động cơ Stirling chạy bằng NLMT a) b)

Hình 2.11 Động cơ Stirling dùng NLMT

Tài liệu HUTECH về ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) trong việc vận hành động cơ Stirling đang ngày càng được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi, đặc biệt trong lĩnh vực bơm nước sinh hoạt và tưới cây tại các nông trại Tại Việt Nam, động cơ Stirling sử dụng NLMT đã được nghiên cứu và chế tạo, nhằm triển khai ứng dụng thực tế, như trong việc bơm nước bằng năng lượng mặt trời.

2.5.4 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun nước nóng Các hệ thống nước nóng dùng NLMT đã được dùng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nước nóng bằng NLMT đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở Hà Nội, TP HCM và Đà Nẵng Các hệ thống này đã tiết kiệm cho người sử dụng một lượng đáng kể về năng lượng, góp phần rất lớn trong việc thực hiện chương trình tiết kiệm năng lượng của nước ta và bảo vệ môi trường chung của nhân loại

Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời (NLMT) tại Việt Nam và toàn cầu chủ yếu áp dụng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh để thu nhiệt Khi nhiệt độ nước đạt 60°C, hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, tuy nhiên, hiệu suất này sẽ giảm khi nhiệt độ sử dụng cao hơn.

Hình 2.12 Hệ thống cung cấp nước nóng dùng NLMT

2.5.5 Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí dùng NLMT

Ứng dụng năng lượng mặt trời (NLMT) trong làm lạnh và điều hòa không khí đang trở thành xu hướng hấp dẫn, đặc biệt ở những vùng khí hậu nóng và xa xôi, nơi nhu cầu làm lạnh cao nhưng thiếu lưới điện quốc gia Các máy lạnh sử dụng NLMT để biến đổi thành điện năng qua pin mặt trời là lựa chọn thuận tiện, tuy nhiên, giá thành pin mặt trời hiện vẫn còn cao Ngoài ra, hệ thống lạnh sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng với máy lạnh hấp thụ đang ngày càng được áp dụng, nhưng vẫn chưa phổ biến do chi phí cao và hiệu suất của bộ thu phẳng còn thấp (dưới 45%), yêu cầu diện tích lắp đặt lớn Tại Việt Nam, một số nhà khoa học đã nghiên cứu tối ưu hóa bộ thu NLMT kiểu hộp phẳng mỏng có gương phản xạ, giúp tạo nhiệt độ cao cho máy lạnh hấp thụ, nhưng vẫn cần diện tích mặt bằng rộng để lắp đặt.

Hình 2.13 Hệ thống máy lạnh dùng NLMT

Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Lãnh thổ Việt Nam trải dài từ vĩ độ 8 đến 23 độ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời cao, với tổng xạ đạt từ 100 đến 175 kcal/cm² mỗi năm.

Việc sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam mang lại hiệu quả kinh tế lớn và được xem là giải pháp tối ưu cho nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm Phát triển ngành công nghiệp sản xuất năng lượng mặt trời (PV) sẽ giúp thay thế nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát thải khí nhà kính và bảo vệ môi trường Năng lượng mặt trời được coi là nguồn tài nguyên quý giá, có khả năng thay thế các dạng năng lượng truyền thống đang cạn kiệt Mặc dù nhiều quốc gia đã áp dụng năng lượng mặt trời, Việt Nam mới chỉ khai thác khoảng 25% tiềm năng này Với lãnh thổ trải dài, tiềm năng năng lượng mặt trời ở mỗi vùng của Việt Nam có sự khác biệt, có thể chia thành 5 vùng với các mức tiềm năng khác nhau.

Bảng 2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Năng lượng mặt trời trung bình (kcal/cm 2 năm)

Số giờ nắng trung bình năm (giờ/năm)

Việt Nam sở hữu tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời nhờ vào số giờ nắng trong năm cao, như thể hiện trong Bảng 2.3.

Nhờ sự hỗ trợ của nhà nước và các tổ chức quốc tế, nhiều tỉnh thành Việt Nam đã thành công trong việc xây dựng các trạm điện mặt trời (PV) với công suất khác nhau để phục vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa tại các vùng sâu, vùng xa và khu vực không có lưới điện Ngành bưu chính viễn thông dẫn đầu trong việc ứng dụng này, sử dụng trạm PV để cung cấp điện cho thiết bị thu phát sóng tại các bưu điện lớn và trạm thu phát truyền hình vệ tinh Trong lĩnh vực hàng hải, trạm PV cung cấp điện cho thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng và đèn báo sông Ngành công nghiệp cũng sử dụng trạm PV làm nguồn điện dự phòng cho thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV và máy tính, cũng như kết nối với lưới điện quốc gia Đối với các hộ gia đình ở vùng sâu, trạm PV giúp cung cấp ánh sáng, nghe radio và xem truyền hình Trong lĩnh vực giao thông đường bộ, trạm PV đang dần được sử dụng để cấp điện cho các cột đèn đường.

Tại khu vực phía Nam, dàn pin mặt trời (PV) đã được ứng dụng để cung cấp điện cho chiếu sáng và sinh hoạt văn hóa ở những vùng nông thôn xa lưới điện Các trạm điện mặt trời có công suất từ 500–1.000 Wp được lắp đặt tại trung tâm xã, giúp nạp điện vào ắc quy để phục vụ cho các hộ gia đình Ngoài ra, các dàn PV có công suất từ 250–500 Wp thường được sử dụng cho chiếu sáng tại bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hóa xã Hiện nay, khu vực này đã lắp đặt khoảng 800–1.000 dàn pin mặt trời.

PV đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình với công suất mỗi dàn từ 22,5–

Khu vực miền Trung Việt Nam có bức xạ mặt trời cao và số giờ nắng dồi dào, tạo điều kiện thuận lợi cho việc ứng dụng năng lượng mặt trời Hiện nay, nơi đây đang sở hữu hai dự án lai ghép năng lượng mặt trời với công suất lớn nhất cả nước.

Dự án phát điện kết hợp giữa năng lượng mặt trời (PV) và thủy điện nhỏ có công suất 125 kW được lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai Hệ thống PV có công suất 100 kWp, trong khi hệ thống thủy điện đạt 25 kW Dự án này đã chính thức đi vào hoạt động từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng trong khu vực Quản lý và vận hành hệ thống điện là trách nhiệm của Điện lực Mang Yang.

Dự án phát điện lai ghép giữa năng lượng mặt trời (PV) và gió với tổng công suất 9 kW, trong đó hệ thống PV có công suất 7 kWp, được thực hiện bởi Viện Năng lượng tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum Kể từ tháng 11/2000, công trình đã cung cấp điện cho 42 hộ gia đình thuộc một bản người dân tộc thiểu số Hệ thống điện này hiện đang được Sở Công thương tỉnh quản lý và vận hành.

Các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) đã được lắp đặt tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định, Quảng Ngãi và Khánh Hòa, cung cấp công suất từ 40–50 Wp cho mỗi hộ gia đình Ngoài ra, các dàn PV cũng được triển khai tại các trung tâm cụm xã và trạm y tế xã với công suất từ 200–800 Wp.

Tại miền Bắc, việc ứng dụng hệ thống năng lượng mặt trời (PV) đang phát triển nhanh chóng, đặc biệt phục vụ cho các hộ gia đình tại vùng núi cao, hải đảo và trạm biên phòng Công suất của các hệ thống PV dành cho hộ gia đình dao động từ 40–75 Wp, trong khi các hệ thống cho trạm biên phòng và hải đảo có công suất từ 165–300 Wp.

Wp Các dàn PV dùng cho các trạm xá và các cụm văn hóa thôn, xã là từ 165–525

Tại Quảng Ninh có hai dự án PV được thực hiện bằng vốn ngân sách nhà nước là:

Dự án PV cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc có tổng công suất lắp đặt khoảng 20 kWp Dự án này được thực hiện bởi Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới, Trường Đại học Bách khoa Hà Nội Hệ thống năng lượng mặt trời chủ yếu được sử dụng để thắp sáng và truyền thông, với sự quản lý và vận hành trực tiếp bởi các đơn vị bộ đội.

- Dự án PV cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô

Tô Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp Dự án do Viện Năng lượng thực hiện Công trình đã được đưa vào vận hành và sử dụng từ tháng 12/2001

Công ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án năng lượng mặt trời với công suất 6.120 Wp, phục vụ cho các trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng.

Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc, tỉnh Lạng Sơn đã được hoàn thành vào tháng 11/2002, với tổng công suất 3.000 Wp Dự án này đã cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, góp phần nâng cao chất lượng cuộc sống cho người dân địa phương.

Trung tâm Hội nghị Quốc gia đã lắp đặt hệ thống điện mặt trời với tổng công suất 154 kWp, trở thành công trình điện mặt trời lớn nhất tại Việt Nam.

- Trạm PV nối lưới của Viện Năng lượng với tổng công suất là 1080 Wp

- Trạm PV nối lưới lắp đặt trên mái tòa nhà của Bộ Công thương, 54 Hai Bà Trưng, Quận Hoàn Kiếm, Hà Nội với tổng công suất là 2.700 Wp

Hệ thống đèn năng lượng mặt trời tại Đà Nẵng được thiết kế với các tấm thu năng lượng mặt trời gắn trực tiếp trên thân trụ đèn Bên trong trụ đèn, các bình ắc quy được lắp đặt để lưu trữ năng lượng, đảm bảo cung cấp ánh sáng hiệu quả cho đường phố.

Tổng quan tình hình nghiên cứu

Một số kỹ thuật để bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu, bao gồm thuật toán xáo trộn và giám sát (P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), mạng nơ-rôn nhân tạo và Fuzzy logic Các kỹ thuật này khác nhau về tính đơn giản của thuật toán, tốc độ hội tụ, độ phức tạp trong thực hiện và chi phí áp dụng cho mỗi giải pháp.

Dựa trên thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), Phạm Văn Để đã đề xuất một thuật toán InC cải tiến cho việc điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời, cho thấy hiệu suất tốt hơn và ổn định hơn trong các điều kiện bức xạ khác nhau Đồng thời, Trầm Minh Tuấn đã cải tiến thuật toán P&O để khắc phục các khuyết điểm của nó, đặc biệt là trong trường hợp bức xạ thay đổi đột ngột, giúp tăng tốc độ hội tụ và giá trị đạt được Nguyễn Mạnh Tường đã giới thiệu thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (PSO) nhằm tìm điểm công suất cực đại, đặc biệt trong điều kiện có bóng râm, cho thấy hiệu quả trong việc xác định điểm công suất cực đại toàn cục Cuối cùng, J Jiang, T Huang, Y Hsiao và C Chen đã phát triển phương pháp so sánh 3 điểm dựa trên thuật toán P&O, xem như một phiên bản cải tiến của thuật toán này.

Thuật toán so sánh 3 thời điểm được giới thiệu trong tài liệu HUTECH nhằm cải thiện quyết định tăng, giảm hoặc giữ nguyên giá trị điện áp So với phương pháp truyền thống P&O, thuật toán này có ưu điểm trong việc khắc phục sai sót khi môi trường thay đổi nhanh, như cường độ bức xạ và nhiệt độ Tuy nhiên, nó cũng gặp phải một số khuyết điểm, đặc biệt khi cường độ bức xạ biến động mạnh và kéo dài Trong trường hợp này, thuật toán có thể xác định sai khi tất cả 3 điểm cùng tăng hoặc cùng giảm, dẫn đến quyết định thay đổi giá trị điện áp không chính xác và ảnh hưởng đến hiệu quả của hệ thống.

Để khắc phục các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền thống, D Sera, T Kerekes, R Teodorescu và F Blaabjerg đã phát triển một thuật toán bám điểm công suất cực đại mới dựa trên thuật toán P&O, bằng cách lấy thêm các mẫu trung gian Thuật toán này giúp bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại hoạt động chính xác hơn khi cường độ sáng thay đổi tuyến tính Tuy nhiên, nhược điểm của nó là có thể hoạt động sai khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính.

M A Younis, T Khatib, M Najeeb và A M Ariffin [15] 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 này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể

B Das, A Jamatia, A Chakraborti, P R Kasari và M Bhowmik [16] đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công

Tài liệu HUTECH suất cực đại của hệ thống PV Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun

Trong nghiên cứu này, chúng tôi tập trung vào việc tính toán công suất của hệ thống PV và xác định điểm công suất cực đại Kết quả mô phỏng cho thấy phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suất cực đại nhanh hơn so với thuật toán P&O thông thường, điều này được khẳng định qua việc so sánh các kết quả.

Bên cạnh các kỹ thuật bám điểm công suất cực đại, các phương pháp nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập để tối ưu hóa khả năng khai thác nguồn năng lượng mặt trời.

C D Oancea, L Kreindler và J Rizk, Y Chaiko [17]-[19] đã thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời cho hệ thống PV Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt trời Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng của mặt trời

N Barsoum và P Vasant đã giới thiệu một thiết kế mới cho hệ thống bám theo mặt trời, sử dụng vi điều khiển PIC16F84A để điều khiển hoạt động của hệ thống này.

PIN QUANG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN KẾT NỐI LƯỚI

Giới thiệu

Mặt trời phát ra một dải bức xạ năng lượng rộng lớn, nhưng không phải tất cả bức xạ đều có khả năng gây ra hiện tượng quang điện Chỉ những bức xạ có bước sóng,  với năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron mới có thể tạo ra hiện tượng này Khi ánh sáng có bước sóng ngắn tác động lên bề mặt kim loại, nó sẽ làm bật các electron ra khỏi đó, hiện tượng này được gọi là quang điện, và các electron bị bật ra được gọi là electron quang điện.

Phổ năng lượng mặt trời ảnh hưởng đến hiệu suất của pin mặt trời (PV), với 20,2% năng lượng bị tổn hao do không đủ năng lượng để kích hoạt electron (hv < Eg) Ngoài ra, 30,2% năng lượng bị mất ở các vùng năng lượng cao hơn (hv > Eg), dẫn đến chỉ 49,6% năng lượng hữu ích được thu thập bởi PV.

Hình 3.1 Phổ năng lượng mặt trời

Chiều dài sóng (m) Công suất bức xạ (W/m2 m)

Chiều dài mức năng lượng kích hoạt 1,11m

Năng lượng mặt trời là một dạng quang năng có khả năng chuyển đổi thành điện năng Có hai hình thức chính để thực hiện quá trình biến đổi này.

- Quang năng được chuyển thành nhiệt năng và nhiệt năng được chuyển thành điện năng

- Quang năng được trực tiếp chuyển thành điện năng

Trong 2 hình thức phát điện trên, có thể nhận ra rằng hình thức thứ 2 với quang năng được chuyển đổi trực tiếp thành điện năng được nghiên cứu và khai thác mạnh mẽ hơn Hình thức khai thác này sẽ được thực hiện thông qua hệ thống

PV (Photovoltaic, PV) mà được cấu thành từ các chất bán dẫn

Công nghệ năng lượng mặt trời (PV) sử dụng chất bán dẫn để chuyển đổi ánh sáng thành điện năng, tương tự như quy trình sản xuất các linh kiện bán dẫn như diode và transistor Nguyên liệu chính cho sản xuất PV thường là tinh thể silicon, thuộc nhóm IV Có thể coi PV là phiên bản ngược lại của diode quang, khi mà diode quang nhận điện năng để phát sáng, thì PV lại nhận ánh sáng để tạo ra điện năng.

Bảng 3.1 Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV

29 Cu 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se

47 Ag 48 Cd 49 In 50 Sn 51 Sb 52 Te

Hình 3.2 Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của PV

Mô hình đơn giản của PV được mô tả như sau, Hình 3.3 a) b)

Hình 3.3 Mô hình đơn giản của PV

Sơ đồ thay thế đơn giản của PV

Sơ đồ thay thế đơn giản của PV được biểu diễn như sau, hình 3.4 [16]

Hình 3.4 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV

Trong PV, hai tham số quan trọng của nó là dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V 0c

Photon Điện nạp âm Photon

 Các lỗ trống Điện nạp dương

Các tiếp điểm điện Electron

Tài liệu HUTECH a) Dòng điện ngắn mạch, I sc b) Điện áp hở mạch, V 0c

Hình 3.5 Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, I sc và điện áp hở mạch, V oc

Các đặc tuyến mô tả PV:

I: Cường độ dòng điện của PV;

I sc : Cường độ dòng điện ngắn mạch của PV;

V oc : Điện áp hở mạch của PV;

I 0 : Dòng điện ngược của diode, có giá trị rất nhỏ khoảng 10 -12 A/cm 2 ; q: Điện tích electron, q = 1,602.10 -19 (C); k: Hằng số Boltzman, k = 1,381 x 10 -23 (J/K);

Trong điều kiện 25 0 C, ta có:

Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao

Trong thực tế, hệ thống năng lượng mặt trời (PV) luôn gặp phải tổn hao, được đặc trưng bởi các thông số R s và R p Mô hình PV có thể được mô tả dựa trên những thông số này để hiểu rõ hơn về hiệu suất và khả năng hoạt động của hệ thống.

Hình 3.6 Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao

Biểu thức đặc trưng của PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p :

I 0 exp 1 (3.5) Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p

Hình 3.7 Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của R s và R p

Module PV

Một khuyết điểm của PV là điện áp và dòng điện làm việc của nó rất nhỏ Một

Điện áp làm việc của pin mặt trời (PV) khoảng 0,5 V Để tăng điện áp, cần kết nối các pin PV theo dạng nối tiếp, trong khi để tăng dòng điện, các pin PV phải được mắc song song.

I Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A)

Khi ấy, điện áp của module PV có thể được xác định như sau:

V module : Điện áp của module PV n: Số PV của module PV

R s : Giá trị điện trở nối tiếp

Các đường đặc tính của một module PV được mô tả như sau:

Hình 3.9 Đặc tính của module PV

Mảng PV

Mảng PV được định nghĩa là việc kết nối nhiều module PV Có 3 hình thức kết nối các module PV như: nối tiếp, song song và hổn hợp

Mắc nối tiếp các cell

3.5.1 Nối nối tiếp nhiều module PV

Hình thức này được sử dụng để nâng điện áp của hệ thống PV

Hình 3.10 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau

3.5.2 Nối song song nhiều module PV

Hình thức này được sử dụng để nâng cường độ dòng điện của hệ thống PV

Hình 3.11 Các module PV được kết hợp song song với nhau

3.5.3 Nối hỗn hợp nhiều module PV

Hình thức này được sử dụng để nâng cả điện áp và cường độ dòng điện của hệ thống PV

Hình 3.12 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau

Các ảnh hưởng đến PV

Các PV có bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt độ, hiện tượng bóng râm,

3.6.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng

Cường độ chiếu sáng càng lớn thì công suất thu được của PV càng lớn, dòng

I Điện áp Cường độ dòng điện

Hình 3.13 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV không đổi, 25 0 C

3.6.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ

Nhiệt độ PV càng cao thì V oc càng thấp, Hình 3.14

Hình 3.14 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m 2 Điện áp (V)

75 0 C 50 0 C 25 0 C Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A)

Cường độ chiếu sáng, 1 kW/m 2

3.6.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm

Hiện tượng bóng râm xảy ra khi các tấm pin năng lượng mặt trời (PV) bị che phủ một phần, dẫn đến ảnh hưởng nghiêm trọng đến hiệu suất hoạt động của chúng Ví dụ, nếu một tấm PV trong một mảng bị che khuất, hiệu suất tổng thể của hệ thống sẽ giảm đáng kể.

Hình 3.15 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất

Hình 3.16 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần

Khi ấy, điện áp của module PV sẽ là:

PV thứ n bị che khuất

Khi ấy, sụt áp gây ra bởi hiện tượng bóng râm được xác định như sau:

Mặt khác, do R p >> R s Khi ấy:

 ~ (3.12) Đặc tính của module PV khi bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm được biểu diễn như hình 3.16

Hình 3.17 minh họa ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với các mô-đun năng lượng mặt trời (PV) Đặc tuyến V-I cho thấy sự khác biệt rõ rệt giữa trường hợp PV không bị che khuất và trường hợp PV bị che khuất, với sự giảm sút đáng kể về điện áp khi có bóng râm.

Trong trường hợp khi nhiều PV bị che khuất thì các đặc tuyến có thể được biểu diễn như hình 3.18

Để giảm thiểu tác động của bóng râm lên các mô-đun năng lượng mặt trời (PV), việc sử dụng diode bypass là cần thiết Hình 3.18 minh họa hai trường hợp: a) mô-đun PV không bị che khuất và b) mô-đun PV bị che khuất Việc kết hợp các diode bypass giúp bảo vệ hiệu suất của mô-đun PV, ngay cả khi một phần bị che khuất.

Hình 3.19 Module PV sử dụng diode bypass

Cường độ dòng điện (A) Điện áp (V)

Tài liệu HUTECH Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass được mô tả như hình 3.20

Hình 3.20 Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass

Xét một mảng PV dùng nạp điện cho một bộ ắc-quy, 65V khi không có và có diode bypass bảo vệ

Hình 3.21 Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass

Bị che khuất với diode bypass

Bị che khuất và không sử dụng diode bypass Điện áp ắc-quy Điện áp (V) Cường độ dòng điện (A)

A a) Không bị che b) Bị che khuất và không sử dụng dioide b) Bị che khuất và sử dụng dioide bypass

Trong hình 3.21, các PV hoạt động như nguồn phát điện với điện áp 65 V, cho cường độ dòng điện 3,3 A Khi một mô-đun PV bị che khuất bởi bóng râm, nó không còn phát điện và dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song R p, gây ra điện áp rơi ΔV = I x R p Giá trị điện áp rơi ΔV này sẽ được cộng với điện áp của ắc-quy.

65 V sẽ là điện áp đặt trên các mô-đun PV còn lại và dựa vào đặc tuyến (V, I) của

Khi xảy ra hiện tượng che khuất, dòng điện trong hệ thống PV sẽ giảm xuống Tuy nhiên, nếu hệ thống sử dụng các diode bypass, dòng điện sẽ được dẫn qua các diode này, giúp giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực từ hiện tượng che khuất đối với hiệu suất của PV.

Các hệ thống PV ứng dụng

3.7.1 Hệ thống PV độc lập

Hệ thống năng lượng mặt trời (PV) độc lập rất cần thiết cho các vùng nông thôn, vùng núi cao và những khu vực hẻo lánh ở các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa đến Nguồn điện từ PV có thể được sử dụng trực tiếp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu để cung cấp cho tải AC Ngoài ra, phần lưu trữ năng lượng cũng đóng vai trò quan trọng, giúp lưu trữ và phát lại năng lượng khi cần thiết.

Hình 3.22 Hệ thống PV độc lập

3.7.2 Hệ thống PV kết nối lưới

Một trong những xu hướng nghiên cứu gần đây là hệ thống điện mặt trời (PV) kết nối lưới điện Hiện tại, điện năng từ các hệ thống PV kết nối lưới vẫn chưa cạnh tranh được về mặt kinh tế so với điện năng từ các nguồn năng lượng truyền thống.

Tài liệu HUTECH với các máy phát điện sử dụng năng lượng tái tạo khác, nhưng chúng thu hút sự quan tâm bởi:

+ Chúng là một nguồn điện sạch

+ Chúng thuộc quyền sở hữu của từng cá nhân hay từng công ty

+ Chúng có thể được lắp đặt gần vị trí cần nguồn điện

Chúng có khả năng gắn vào các tòa nhà và kiến trúc khác, giúp tiết kiệm chi phí sơn phủ cũng như giảm yêu cầu về diện tích đất cần thiết cho việc xây dựng công trình.

+ Chúng hoạt động yên tĩnh và không có thành phần chuyển động

Các mô-đun này có độ tin cậy cao, tuổi thọ vượt quá 20 năm và chi phí bảo trì thấp Chúng có thể dễ dàng được điều chỉnh để phù hợp với từng vị trí cụ thể và thuận tiện cho việc mở rộng.

+ Có nhiều triển vọng để tiếp tục giảm chi phí và phát triển công nghệ

Hệ thống PV kết nối lưới điện có thể đi kèm hoặc không có ắcquy dự phòng, nhưng việc tích trữ năng lượng bằng ắcquy sẽ nâng cao độ tin cậy trong cung cấp điện Khách hàng có thể sử dụng điện mặt trời để cung cấp cho tải của mình và năng lượng dư thừa có thể được gửi trả vào lưới điện, giúp rút ngắn thời gian hoàn vốn đầu tư Khi hệ PV được tích hợp với lưới điện công cộng, công suất sẽ chảy theo hai hướng: lưới nhận năng lượng dư từ hệ PV và cung cấp lại cho khách hàng vào buổi tối hoặc khi hệ PV không đủ công suất Mô hình này được các công ty điện lực khuyến khích trên toàn cầu Hệ PV kết nối lưới có thể được phân loại theo nhiều tiêu chí khác nhau.

+ Hệ PV kết nối lưới được gắn trên mái nhà;

+ Hệ PV quy mô lớn

Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới không chỉ tăng cường công suất cho lưới điện quốc gia mà còn giúp tiết kiệm chi phí điện cho cả hộ gia đình và doanh nghiệp Đặc biệt, hệ thống này không yêu cầu thiết bị lưu trữ, mang lại hiệu quả kinh tế cao hơn cho người sử dụng.

Tài liệu HUTECH công suất không dùng hết có thể chuyển hết lên lưới Trong những năm gần đây, hệ

PV kết nối lưới gia tăng đáng kể trên toàn thế giới Trong năm 2004, ở Đức gần 1 tỷ Watt của hệ PV kết nối lưới được lắp đặt

Hình 3.23 Hệ PV kết nối lưới

Trong hệ thống PV kết nối lưới, bộ nghịch lưu đóng vai trò quan trọng như một bộ điều hòa công suất, liên kết hệ thống PV với lưới điện Nó chuyển đổi dòng DC từ các tấm PV thành dòng AC phù hợp cho lưới điện công cộng Bộ nghịch lưu phải đảm bảo tạo ra sóng sin chuẩn, đồng thời tuân thủ điện áp và tần số của lưới Để tối ưu hóa hiệu suất, bộ dò tìm điểm công suất cực đại được sử dụng nhằm thu nhận công suất tối đa từ các tấm PV, với các cấp điện áp đầu vào được điều chỉnh cho đến khi đạt được điểm công suất cực đại theo đặc tính V-I.

Bộ nghịch lưu phải giám sát và điều khiển tất cả các pha ngõ ra theo sự thay đổi của điện áp và tần số

Bộ nghịch lưu kết nối lưới thông thường sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) và hoạt động trong khoảng từ 2 kHz đến 20 kHz

Hệ thống điều khiển dòng công suất trên lưới điện, như mô tả trong Hình 3.24, có thể được điều khiển bằng analog hoặc vi xử lý Hệ thống này tạo ra dạng sóng và điều chỉnh biên độ cũng như góc pha để kiểm soát dòng công suất giữa bộ nghịch lưu và lưới điện Mạch ghép nối giữa lưới điện và bộ nghịch lưu sử dụng bộ điều khiển áp (VCI) hoặc bộ điều khiển dòng (CCI), cho phép dòng công suất chảy theo cả hai chiều Điều này không chỉ cung cấp điện cho các tải cục bộ mà còn có khả năng phát công suất tác dụng và phản kháng dư cho lưới điện công cộng Sử dụng bộ điều khiển thích hợp là cần thiết để tránh những vấn đề không mong muốn.

Trong quá trình đồng bộ, tài liệu HUTECH nhấn mạnh rằng các sự cố có thể dẫn đến quá tải bộ nghịch lưu Hình 3.24 và 3.25 mô tả một mạch ghép nối đơn giản giữa lưới và bộ nghịch lưu, bao gồm một bộ lọc bậc một và giản đồ pha.

Trong trường hợp của bộ điều khiển áp, phương trình công suất là như sau: jQ P

Trong trường hợp của bộ điều khiển dòng, phương trình công suất là như sau:

Hình 3.24 Sơ đồ đơn giản của hệ PV kết nối với lưới điện

Hình 3.25 Sơ đồ pha của hệ PV kết nối với lưới điện

Các bộ nghịch lưu được dùng để điều hòa công suất và đồng bộ ngõ ra của hệ

PV với lưới điện công cộng Cấu hình của hệ PV kết nối lưới không có hệ tích trữ được phân thành 4 loại:

+ Bộ biến đổi DC-DC với một bộ nghịch lưu ở ngõ ra;

+ Bộ nghịch lưu tích hợp môđun

Các bộ nghịch lưu được dùng để điều hòa công suất và đồng bộ ngõ ra của hệ

Hệ thống PV kết nối với lưới điện công cộng bao gồm các mô-đun PV được mắc nối tiếp thành các mảng PV, sau đó ghép song song để nối đến một đường dẫn DC Đây là một cấu trúc đơn giản thường được áp dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 3.26 Hệ PV kết nối lưới điện đơn giản

Các yếu tố cần xem xét khi hệ PV kết nối lưới điện bao gồm:

Có hai nhóm cấu hình chính được sử dụng trong việc kết nối hệ PV với lưới điện là: cách ly và không cách ly

Hình 3.27 Sơ đồ khối mô tả hệ PV kết nối lưới

Dạng biến đổi có cách ly có thể được thực hiện bằng cách sử dụng bộ nâng áp DC-DC kết hợp với máy biến áp tần số cao, nghịch lưu và lọc đầu ra LC để kết nối với lưới điện Một phương pháp khác là sử dụng nghịch lưu điện áp thấp, sau đó dùng máy biến áp tần số thấp để nâng mức điện áp lên tương đương với điện áp hệ thống trước khi kết nối vào lưới điện.

Hình 3.28.Kiểu máy biến áp tần số thấp, Kiểu máy biến áp tần số cao

Trong phương pháp sử dụng máy biến áp tần số thấp, năng lượng điện từ Solar Panel được chuyển đổi thành điện xoay chiều áp thấp thông qua bộ nghịch lưu và bộ lọc điện dung, sau đó nâng lên 220V bằng máy biến áp lõi thép để cung cấp cho tải AC Ngược lại, phương pháp máy biến áp tần số cao yêu cầu thêm một tầng biến đổi DC/DC với biến áp xung, hoạt động ở tần số cao qua các phương pháp như Flyback, Halfbridge, Fullbridge, nhằm nâng điện áp thấp từ PV thành điện áp DC đủ cao để phục vụ cho việc nghịch lưu trực tiếp 220/380V vào tải.

Biến đổi không cách ly bằng máy biến áp (Transformerless) cho phép chuyển đổi trực tiếp năng lượng điện một chiều từ ngõ ra PV lên lưới thông qua các bộ nâng áp DC không cách ly Các phát triển quan trọng trong công nghệ Transformerless nhằm nâng cao hiệu suất, giảm chi phí đầu tư hệ thống và đơn giản hóa quy trình ở quy mô lớn Công nghệ này có thể đạt hiệu suất tối đa lên đến 98%, trong khi các cấu hình cách ly sử dụng Transformer chỉ đạt hiệu suất tối đa từ 95% đến 96%.

Hình 3.29 Kiểu không cách ly bằng máy biến áp

Cấu hình DC/DC - DC/AC

3.8.1 Bộ biến đổi DC/DC

Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch:

+ Dùng các tụ điện chuyển mạch, và

+ Dùng các điện cảm chuyển mạch

Giải pháp dùng điện cảm chuyển mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp)

Hình 3.30 minh họa sơ đồ nguyên lý của các bộ biến đổi điện Các bộ biến đổi này sử dụng các cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch và diode khác nhau để thực hiện các mục tiêu đa dạng, nhưng nguyên tắc hoạt động chung của chúng đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện qua điện cảm.

Tài liệu HUTECH a) Buck b) Boost c) Buck - Boost

Hình 3.30 Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển

Trong nghiên cứu này, bộ biến đổi Buck-Boost được đưa vào sử dụng trong các hệ PV

Hình 3.31 Bộ biến đổi Buck-Boost

Bộ biến đổi Buck-Boost hoạt động dựa trên nguyên tắc điện cảm, khi khóa đóng, điện áp ngõ vào được áp dụng lên điện cảm, làm dòng điện tăng dần Khi khóa ngắt, điện cảm duy trì dòng điện, tạo ra điện áp cảm ứng đủ để diode phân cực thuận Tỷ lệ thời gian đóng mở van ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của bộ biến đổi này.

Tài liệu HUTECH trình bày về khóa (van) và ngắt khóa (van) với giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hoặc lớn hơn giá trị điện áp vào Dấu của điện áp ra luôn ngược với dấu của điện áp vào, dẫn đến dòng điện qua điện cảm giảm dần theo thời gian Chu kỳ chuyển mạch (T) được xác định bằng tổng thời gian đóng khóa (T1) và thời gian ngắt khóa (T2), tức là T = T1 + T2 Khi dòng điện qua điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ bằng 0 Cụ thể, điện áp rơi trung bình khi đóng khóa là (T1/T) × Vin, và khi ngắt khóa là −(T2/T) × Vout Điều kiện để điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 được biểu diễn qua công thức: (T1/T) × Vin − (T2/T) × Vout = 0.

Lưu ý rằng các giá trị V in và V out ở trên chỉ xét về độ lớn, vì thực tế V in và V out là ngược dấu

Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp và đó là lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi Buck-Boost

Khi giải quyết các bài toán liên quan đến việc xác định các thông số điện trong mạch, cần xem xét các yếu tố như phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào (V in), giá trị điện áp ngõ ra (V out), độ dao động điện áp ngõ ra cho phép, và dòng điện tải tối thiểu (I out,min) Những yếu tố này sẽ giúp xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần số chuyển mạch, cũng như phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, nhằm đảm bảo rằng điện áp ngõ ra được ổn định.

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra sẽ xác định phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ D.

D min = V out /(V in,max + V out ) (3.18)

D max = V out /(V in,min + V out ) (3.19)

Lý thuyết về bộ biến đổi buck cho thấy rằng độ thay đổi dòng điện cho phép là gấp đôi dòng điện tải tối thiểu Tình huống tồi tệ nhất xảy ra khi điện áp trung bình đặt vào điện cảm đạt giá trị tối đa trong trạng thái khóa, tức là khi D bằng D min.

Như vậy, đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm L giống như của bộ biến đổi Buck:

(1 − D min )  T  V out = L min  2  I out,min (3.20)

Hình 3.32 Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm

3.8.2 Bộ biến đổi DC/AC

Bộ nghịch lưu điện áp có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp DC 100V từ DC Link thành điện áp xoay chiều 3 pha hình sin, đồng thời đảm bảo tần số và pha dòng điện phù hợp với lưới điện Khi hoạt động hiệu quả, bộ nghịch lưu sẽ cung cấp công suất có ích cho lưới điện 3 pha.

Hình 3.33 Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới

Bộ nghịch lưu sử dụng biến tần 3 pha 2 bậc với thuật toán điều chế vectơ không gian, tạo ra điện áp chứa nhiều thành phần hài bậc cao Những thành phần này được xử lý qua bộ lọc L hoặc LC trước khi được đưa vào biến áp cách ly (hoặc không sử dụng biến áp cách ly) để hòa lưới.

Cho đại lượng ba pha cân bằng V a , V b , V c thỏa mãn:

Phép biến hình từ đại lượng ba pha V a , V b , V c sang vector:

3 j  e a  : Phép biến hình vectơ và đại lượng v gọi là vectơ không gian của đại lượng ba pha

Tính toán trên vectơ không gian giúp xử lý thông tin hiệu quả cho đại lượng ba pha Điều chế vectơ không gian, hay còn gọi là điều chế độ rộng xung sin (SVPWM), cho phép tổng hợp vectơ không gian quay đều trong hệ tọa độ, từ đó tạo ra điện áp ba pha với biên độ và tần số theo yêu cầu.

Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới được mô tả như hình 3.34

Hình 3.34 Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới

Phần điều khiển bao gồm:

+ Bộ PLL: được sử dụng để nhận dạng biên độ, tần số và góc pha của điện áp lưới

+ Bộ biến đổi abc thành dq: được sử dụng để biến đổi điện áp 3 pha abc sang dq

Bộ PI được sử dụng để điều chỉnh điện áp Ud và Uq nhằm đạt được góc pha dòng điện mong muốn, đảm bảo góc pha dòng điện đồng pha với góc pha áp Trong khi đó, bộ nghịch lưu PWM chuyển đổi từ hệ tọa độ dq sang vectơ không gian, cung cấp xung điều khiển cho bộ công suất.

PLL là một hệ thống hồi tiếp vòng kín gồm ba khối quan trọng là:

+ Phát hiện pha (Phase Detector); và

+ Bộ lọc thông thấp (Lowpass Filter)

Trong hệ thống điều khiển PLL, VCO tạo ra tín hiệu theo một tín hiệu khác, mặc dù có thể có sự lệch trong quá trình hiệu chỉnh Tuy nhiên, khi kết thúc vòng lặp, tín hiệu đầu ra của PLL phải tương đồng với tín hiệu đầu vào Định nghĩa về pha và tần số vào ra khi kết thúc vòng kín được xác định như sau:

Hình 3.35 Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL

Phân tích lần lượt 3 khối của một hệ thống điều khiển PLL:

Ngõ ra của VCO được xác định như sau:

 0 : Tần số ngõ tại thời điểm V cont = 0

Hệ số tỷ lệ của bộ VCO (rad/s/V) được xác định để tạo ra ngõ ra mong muốn, trong đó V cont được hiệu chỉnh bởi bộ phase detector trong giới hạn điều chỉnh của VCO Độ lệch pha được định nghĩa như sau:

Hình 3.36 Tín hiệu ngõ ra VCO

Trong hình 3.36, khi hai ngõ vào của bộ phát hiện pha là hai sóng vuông, mức logic 1 sẽ xuất hiện bất cứ khi nào chúng lệch pha Giả sử tần số mong muốn là  1 như trong hình phía trên bên phải, ta sẽ nhận được một áp điều khiển V 1 từ bộ phát hiện pha Khi PLL hoạt động trong chế độ lặp vòng kín, độ lệch pha sẽ được giảm xuống.

PLL được sử dụng với nhiều mục đích khác nhau, sau đây ta sẽ phân tích bộ PLL trong việc phát hiện pha của lưới điện 3 pha

Hình 3.37 Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha

Khối này có nhiệm vụ so sánh ngõ ra với ngõ vào và phát sinh ra một sai số với hệ số tỉ lệ nhất định KD (V/rad)

Giả sử sai số này bao gồm các hài bậc cao như sau:

Tần số cao hơn tần số cơ bản sẽ bị loại bỏ bởi bộ lọc thông thấp Sai số sau khi lọc sẽ tỷ lệ thuận với biến Vcont (áp điều khiển - DC), cung cấp tham chiếu cho bộ VCO.

 Bộ biến đổi abc thành αβ

Bộ biến đổi abc thành αβ chuyển đổi điện áp 3 pha sin, lệch nhau 120 độ, thành 2 pha trực giao, lệch pha 90 độ Điện áp 3 pha được biểu diễn dưới dạng: a = Usin(θ); b = Usin(θ + 120 độ); c = Usin(θ - 120 độ).

Hình 3.38 Hệ trục tọa độ 

Với phép biến đổi như trên, ta sẽ thu được 2 thành phần điện áp: Thành phần

U α cùng pha với a của điện 3 pha, U β sớm hơn U α một góc là 90 0

THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI

Giới thiệu

Một trong những vấn đề quan trọng cần chú ý trong các hệ thống năng lượng mặt trời (PV) là sự không tương thích giữa đặc tính hoạt động của tải và đặc tính của mảng PV.

Hình 4.1 Quan hệ điện áp và dòng điện của PV

Khi mảng PV được kết nối trực tiếp với tải, điểm làm việc của hệ thống là giao điểm giữa đường đặc tính V-I của PV và đường đặc tính tải Tuy nhiên, điểm này không phải lúc nào cũng là điểm có công suất lớn nhất (Maximum Power Point - MPP) của mảng PV Để khắc phục điều này, cần xây dựng thuật toán theo dõi điểm công suất lớn nhất (Maximum Power Point Tracking - MPPT), điều này rất quan trọng trong hệ PV vì nó giúp giảm số lượng mảng PV cần thiết để đạt công suất mong muốn và tối ưu hóa hiệu suất làm việc của hệ thống Cần lưu ý rằng vị trí của MPP trên đường đặc tính V-I của PV không thể xác định trước.

Cường độ bức xạ, nhiệt độ môi trường và tải là những yếu tố quyết định MPP Để xác định MPP, có thể thực hiện mô hình hóa mảng PV và đo lường cường độ bức xạ cùng với nhiệt độ của mảng PV.

Trong những thập kỷ qua, nhiều phương pháp đã được phát triển để xác định MPP, với sự khác biệt về yêu cầu cảm biến, độ phức tạp, chi phí, phạm vi ảnh hưởng, tốc độ hội tụ, và độ chính xác trong điều kiện chiếu xạ hoặc thay đổi nhiệt độ, cùng với phần cứng cần thiết cho việc thực hiện.

4.2 Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) [19] Đây là thuật toán được sử dụng phổ biến nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét đến sự tăng giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đó chính là điểm MPP

Giải thuật P&O là một phương pháp leo đồi như hình vẽ sau:

Hình 4.2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất

Bảng 4.1 Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O

Quan sát điện áp Công suất Thực hiện bước kế tiếp

Căn cứ vào Bảng 4.1, thuật toán P&O có thể được trình bày như sau:

- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp

- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp

- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp

Hình 4.2 Lưu đồ thuật toán P&O

Thuyết minh sơ đồ thuật toán P&O:

- Đặt giá trị đầu cho V, I, P

- Đo giá trị V, I, P ở thời điểm k

- Đo giá trị V, I và tính giá trị P ở thời điểm (k+1)

Nếu P(k+1) khác P(k) thì xem xét:

P(k+1) > P(k) ? Sau đó, tiếp tục so sánh đến V(k+1) và V(k),

Cuối cùng, ra quyết định tăng hay giảm điện áp Điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm cực đại

Giải thuật P&O phụ thuộc nhiều vào thời gian lấy mẫu so sánh Khi cường độ chiếu sáng ổn định, P&O hoạt động hiệu quả trong việc tìm kiếm điểm cực đại Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi, giải thuật này sẽ gặp sai sót.

Khi cường độ chiếu tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P 1 sang P 2 như hình vẽ sau:

Hình 4.3 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ

Khi hệ MPPT điều khiển pin quang điện ở điểm A và cường độ chiếu sáng tăng nhanh tại thời điểm (k+1), theo thuật toán P&O, nếu P[k+1] > P[k] và V[k+1] > V[k], hệ MPPT sẽ điều chỉnh tăng điện áp, dẫn đến điểm làm việc chuyển sang điểm C, mặc dù đây không phải là điểm cực đại.

Nếu hệ thống MPPT sử dụng thuật toán P&O được thiết kế để dao động xung quanh điểm cân bằng, sau một vài chu kỳ hoạt động không chính xác, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh điểm làm việc về điểm MPP mới.

Nếu cường độ chiếu sáng tăng dần (hoặc giảm dần), giải thuật P&O vẫn có thể sai nếu chu kỳ lấy mẫu không phù hợp

Hệ MPPT không phân biệt được sự tăng công suất do thay đổi cường độ và sự dao động điện áp Kết quả là thuật toán liên tục giảm hoặc tăng điện áp, vì nó nhận thấy công suất đo sau lớn hơn công suất đo trước.

Nguyên nhân chính gây ra sự hoạt động sai của thuật toán P&O là không phân biệt được sự thay đổi công suất do biến động điện áp và sự thay đổi công suất do thay đổi cường độ sáng Đây là nhược điểm cơ bản của thuật toán này.

4.3 Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) [19] Đây là thuật toán khắc phục những nhược điểm của thuật toán P&O trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Thuật toán này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin quang điện để dò tìm điểm công suất cực đại Thuật toán có thể được biểu diễn như hình sau:

Thuật toán này dựa trên đặc điểm rằng độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP Cụ thể, độ dốc dP/dV là dương khi ở bên trái điểm MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP Tại điểm cực đại MPP của pin quang điện, điều kiện dP/dV = 0 được thỏa mãn.

Tài liệu HUTECH dP/dV < 0, bên phải điểm MPP

Nên ta cũng có thể viết lại là: dI/dV = - I/V, tại điểm MPP dI/dV > - I/V, bên trái điểm MPP dI/dV < - I/V, bên phải điểm MPP

Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (ΔI/ΔV), thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) Tại MPP, điện áp chuẩn V ref = V MPP, và hệ thống duy trì hoạt động tại điểm này trừ khi có sự thay đổi dòng điện ΔI, phản ánh điều kiện thời tiết và vị trí MPP Độ lớn của điện dẫn gia tăng ảnh hưởng đến tốc độ tìm kiếm điểm MPP; tuy nhiên, nếu điện dẫn gia tăng quá lớn, hệ thống có thể hoạt động không chính xác và dao động Phương pháp này mang lại kết quả tốt nhất trong điều kiện thời tiết thay đổi nhanh và có dao động nhỏ hơn so với phương pháp P&O, nhưng nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp.

Hệ thống này sử dụng hai cảm biến để đo dòng điện và điện áp, dẫn đến chi phí lắp đặt cao Tuy nhiên, nhờ sự phát triển của nhiều phần mềm và bộ xử lý hiện đại, giá thành của hệ thống đã giảm đáng kể.

Sơ đồ giải thuật của thuật toán InC được mô tả như sau:

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán InC

4.4 Thuật toán điện áp hằng số [19]

Cơ sở của thuật toán điện áp hằng số dựa trên quan sát đường cong V-I của pin quang điện Tỷ lệ giữa điện áp tối đa MPP (V MPP) và điện áp hở mạch (V oc) được coi là hằng số.

Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance)

Thuật toán này được thiết kế để khắc phục những hạn chế của thuật toán P&O khi gặp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Nó sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin quang điện nhằm tìm kiếm điểm công suất cực đại một cách hiệu quả.

Thuật toán này dựa trên đặc điểm rằng độ dốc của đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPP Cụ thể, độ dốc là dương khi ở bên trái điểm MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP, thể hiện qua công thức dP/dV = 0 tại điểm cực đại MPP của pin quang điện, với dP/dV > 0 bên trái điểm MPP.

Tài liệu HUTECH dP/dV < 0, bên phải điểm MPP

Nên ta cũng có thể viết lại là: dI/dV = - I/V, tại điểm MPP dI/dV > - I/V, bên trái điểm MPP dI/dV < - I/V, bên phải điểm MPP

So sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (I/V) giúp xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPP) Tại điểm MPP, điện áp chuẩn V ref = V MPP Khi điểm MPP được xác định, pin sẽ duy trì hoạt động tại điểm này, trừ khi có sự thay đổi về dòng điện I, phản ánh điều kiện thời tiết và sự thay đổi của MPP Độ lớn của điện dẫn gia tăng ảnh hưởng đến tốc độ tìm kiếm MPP; tuy nhiên, nếu điện dẫn gia tăng quá lớn, hệ thống có thể hoạt động không chính xác và bị dao động Phương pháp này mang lại kết quả tốt nhất khi thời tiết thay đổi nhanh và có dao động nhỏ hơn so với phương pháp P&O, nhưng nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp.

Hệ thống này sử dụng hai cảm biến để đo dòng điện và điện áp, dẫn đến chi phí lắp đặt cao Tuy nhiên, sự phát triển của nhiều phần mềm và bộ xử lý hiện nay đã giúp giảm đáng kể giá thành của hệ thống này.

Sơ đồ giải thuật của thuật toán InC được mô tả như sau:

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán InC

Thuật toán điện áp hằng số

Thuật toán điện áp hằng số dựa trên quan sát từ đường cong V-I của pin quang điện Tỷ lệ giữa điện áp tối đa V MPP và điện áp hở mạch V oc được coi là hằng số.

Các thuật toán điện áp không đổi có thể được thực hiện thông qua sơ đồ trong hình 4.7 Trong quá trình này, bộ pin quang điện tạm thời được cô lập khỏi MPPT.

V(k-1) = V(k) I(k-1) = I(k) Đúng Sai Đúng Đúng Đúng

Tài liệu HUTECH mô tả quy trình đo điện áp Voc và cách mà MPPT xác định điểm hoạt động tối ưu Bằng cách áp dụng phương trình (4.1) cùng với các giá trị thiết lập K, MPPT điều chỉnh điện áp của pin quang điện cho đến khi đạt được điện áp V MPP Quy trình này được thực hiện định kỳ để liên tục theo dõi vị trí của điểm công suất tối đa (MPP).

Mặc dù thuật toán này rất đơn giản, việc chọn giá trị tối ưu cho K lại gặp nhiều khó khăn Các tài liệu nghiên cứu cho thấy giá trị K thành công thường nằm trong khoảng 73-80%.

Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi được thể hiện như hình sau:

Điều khiển điện áp không đổi là một quá trình đơn giản, nhưng hiệu quả của MPPT trong việc theo dõi vẫn thấp so với các thuật toán khác Nguyên nhân chính là do các lỗi trong giá trị của K và việc đo điện áp hở mạch cần phải cắt nguồn pin tạm thời Hệ thống có khả năng tự động điều chỉnh giá trị của K để cải thiện hiệu suất.

Phương pháp điều khiển MPPT

Thuật toán MPPT hướng dẫn bộ điều khiển MPPT điều chỉnh điện áp hoạt động để tối ưu hóa hiệu suất Nhiệm vụ chính của bộ điều khiển là thực hiện các lệnh này nhằm đạt được hiệu suất tối đa trong quá trình chuyển đổi năng lượng.

Bắt đầu Đo Vpv Đúng Sai Đặt Vref

MPPT là điều chỉnh tăng giảm điện áp làm việc và duy trì ổn định mức điện áp làm việc của hệ nguồn pin quang điện

Có 3 phương pháp phổ biến điều khiển MPPT đó là:

- Phương pháp điều khiển PI;

- Phương pháp điều khiển trực tiếp;

- Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra

4.5.1 Phương pháp điều khiển PI

MPPT sẽ đo điện áp và dòng điện của pin quang điện, sau đó sử dụng các thuật toán như P&O, InC để tính toán giá trị điện áp chuẩn V ref Mục tiêu của MPPT là điều chỉnh điện áp làm việc của pin quang điện lên theo V ref Quá trình tính toán này được lặp lại theo chu kỳ, thường từ 1 đến 10 lần mỗi giây.

Hình 4.7 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI

Bộ điều khiển tỉ lệ – tích phân PI điều chỉnh điện áp vào bộ biến đổi DC/DC, bù sai lệch giữa V ref và điện áp đo được bằng cách điều chỉnh hệ số đóng cắt D Với tốc độ làm việc nhanh, bộ PI mang lại đáp ứng nhanh chóng và ổn định Dù được cấu tạo từ các thành phần tương tự Analog, bộ điều khiển PI hoạt động theo nguyên tắc điều khiển xử lý tín hiệu số DSP.

Bộ xử lý tín hiệu số (DSP) không chỉ thực hiện nhiều nhiệm vụ quan trọng mà còn giúp xác định điểm làm việc với công suất tối ưu, từ đó giảm thiểu số lượng thành phần trong hệ thống.

4.5.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp

Phương pháp điều khiển này đơn giản, sử dụng một mạch vòng điều khiển duy nhất để điều chỉnh hệ số làm việc trong thuật toán MPPT.

Hình 4.8 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT

Trong bộ biến đổi Boost, ta có:

Giả sử, đây là bộ biến đổi lý tưởng, công suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ được

Tổng trở của pin quang điện được coi là tổng trở vào bộ biến đổi

D: Hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost

- Khi tăng D sẽ làm giảm tổng trở vào bộ biến đổi R in từ đó điện áp làm việc của pin quang điện sẽ dịch sang bên trái (giảm đi)

Khi giảm giá trị D, tổng trở vào bộ biến đổi R sẽ tăng, dẫn đến điện áp làm việc của pin quang điện dịch sang bên phải, tức là tăng lên Thuật toán MPPT, bao gồm P&O, InC và các thuật toán khác, sẽ quyết định việc điều chỉnh điện áp này.

Hình 4.9 Mối quan hệ giữa tổng trở vào R in và hệ số làm việc D

Thời gian đáp ứng của các tầng công suất và nguồn PV tương đối chậm (10 –

Thuật toán MPPT điều chỉnh hệ số làm việc D và yêu cầu lấy mẫu điện áp và dòng của pin quang điện sau khi hệ đạt trạng thái ổn định, nhằm tránh đo giá trị trong trạng thái chuyển tiếp Tỷ lệ lấy mẫu thường dao động từ 1 đến 100 lần mỗi giây, chậm hơn so với bộ điều khiển PI Mặc dù phương pháp điều khiển trực tiếp có độ bền vững cao với sự thay đổi đột ngột của tải, nhưng đáp ứng của hệ thống lại chậm hơn Phương pháp này hoạt động ổn định với các thiết bị như hệ thống có ắc quy và hệ thống bơm nước, đồng thời cho phép sử dụng bộ vi điều khiển giá thành thấp nhờ vào tỷ lệ lấy mẫu chậm.

4.5.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra

Phương pháp cải tiến này từ phương pháp điều khiển trực tiếp chỉ yêu cầu hai cảm biến để đo điện áp và dòng điện ra khỏi bộ biến đổi Việc sử dụng phương pháp điều khiển PI kết hợp với điều khiển trực tiếp giúp kiểm soát chính xác điểm làm việc của pin quang điện Tuy nhiên, để đảm bảo an toàn cho tải, cần thêm các cảm biến khác để đo tín hiệu ra, dẫn đến tổng cộng bốn cảm biến cho hai phương pháp này Điều này làm tăng chi phí lắp đặt.

Phương pháp điều khiển đo trực tiếp này tập trung vào việc đo sự thay đổi công suất đầu ra của pin quang điện qua bộ biến đổi, với hệ số làm việc D được sử dụng như một biến điều khiển Thông thường, thuật toán P&O được áp dụng để xác định điểm MPP (Maximum Power Point).

Đề xuất thuật toán bám điểm công suất cực đại

Thuật toán P&O là một trong những phương pháp MPPT đơn giản và dễ thực hiện, giúp tìm kiếm điểm công suất cực đại cho hệ thống năng lượng mặt trời (PV) một cách hiệu quả.

Các bước thay đổi điện áp trong lưu đồ thuật toán P&O là không đổi, điều này có thể cản trở quá trình hội tụ của thuật toán và ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả tìm kiếm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.

Thay vì sử dụng bước thay đổi điện áp không đổi thông thường, luận văn đề xuất một phương pháp thay đổi điện áp linh hoạt, thích nghi với các điều kiện làm việc cụ thể.

PV như cường độ bức xạ và nhiệt độ thông qua sự thay đổi của công suất và điện áp tại các thời điểm khảo sát

Giá trị điện áp thay đổi thích nghi có thể được biểu diễn như sau: i i i dV

V i : Giá trị điện áp thay đổi thích nghi tại các thời điểm khảo sát tìm điểm công suất cực đại

Giá trị điện áp không đổi ban đầu được ký hiệu là V0 Sự thay đổi của công suất giữa các thời điểm khảo sát ti và t(i-1) được ký hiệu là dPi Đồng thời, sự thay đổi của điện áp giữa các thời điểm khảo sát ti và t(i-1) được ký hiệu là dVi.

Để cải thiện tốc độ hội tụ của thuật toán bám điểm công suất cực đại, luận văn đề xuất phương pháp xấp xỉ các giá trị vi phân dPi và dVi, trong đó dPi được tính bằng công thức dPi = Pi - Pi-1.

Thuật toán P&O thích nghi cho thấy khả năng đạt được tốc độ và giá trị hội tụ tốt hơn so với thuật toán P&O thông thường Để khẳng định tính hiệu quả của đề xuất này, các mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống điện năng lượng mặt trời sẽ được thực hiện trong chương tiếp theo.

MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ KẾT NỐI LƯỚI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Giới thiệu

Hệ thống điện năng lượng mặt trời và bài toán kết nối lưới đã được trình bày chi tiết trong các chương 3 và 4 Đề xuất cho hệ thống này bao gồm các khối cơ bản, với thuật toán bám điểm công suất cực đại, như thể hiện trong hình 5.1.

- Năng lượng điện được lấy từ pin quang điện (PV Array) là dạng nguồn điện một chiều (DC) có điện áp thấp

- Điện áp này được nâng lên thông qua bộ biến đổi điện áp DC (DC/DC)

- Điện áp này được nghịch lưu thành dạng 1 pha hoặc 3 pha tùy theo mô hình hòa lưới 1 pha hoặc 3 pha

Bộ PLL và PWM được sử dụng kết hợp để điều khiển bộ nghịch lưu, đảm bảo rằng dòng nghịch lưu có cùng pha, cùng áp và cùng tần số, từ đó thực hiện hiệu quả việc hòa lưới.

Hình 5.1 Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và nối lưới

Sử dụng phần mềm mô phỏng Simulink/Matlab, sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời theo phương pháp bám điểm công suất cực đại được trình bày trong hình 5.2.

Hình 5.2 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại và nối lưới

Hệ thống điện năng lượng mặt trời 3 pha nối lưới bao gồm ngõ vào là pin quang điện và đầu ra là lưới điện 3 pha Hệ thống này được cấu trúc bởi các khối công suất và khối điều khiển Khối điều khiển thực hiện việc bám điểm công suất cực đại (MPP) thông qua thuật toán InC cải tiến và điều khiển bám điểm công suất cực đại (MPPT) bằng bộ điều khiển PI.

Mô phỏng pin quang điện

- Đặc tuyến công suất cực đại của pin quang điện được mô tả như sau:

+ Bức xạ, G = 1,0kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C: P MPP = 1000W;

+ Bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C: P MPP = 789 W;

+ Bức xạ, G = 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C: P MPP = 581 W

- Hệ thống điện năng lượng mặt trời với hệ pin quang điện bao gồm:

+ 10 PV tương ứng với công suất, PPV = 50 Wp: mắc nối tiếp;

+ 02 nhánh của 10 PV tương ứng với công suất, PPV = 50 Wp: mắc song song

Các thông số của 01 PV và hệ với 10 PV được biểu như bảng 5.1

Bảng 5.1 Thông số của 01 PV và hệ với 10 PV

Thông số Ký hiệu 01 PV Hệ PV (10 × 2) Điện áp hở mạch V oc (V) 21,42 214,2

Dòng điện ngắn mạch I sc (A) 3,11 6,22

Công suất cực đại P MPP (W) 50 1000

Hình 5.3 Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song)

Hình 5.4 Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C) khác nhau

- Hệ thống điện năng lượng mặt trời được kết nối với lưới điện 3 pha có các thông số cơ bản bao gồm:

Hình 5.5 Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz

 Kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện 3 pha tương ứng với hệ số công suất là 1

 Toàn bộ công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời được đẩy lên lưới

 Trong thời gian hệ PV chưa hòa lưới, công suất phát ra từ PV sẽ được lưu trữ thông qua ắc quy và được sử dụng cho tự dùng

 Thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

- Các kết quả mô phỏng quan hệ V-I, V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m 2 ; 0,8 kW/m 2 và 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ môi trường 25 0 C lần lượt như sau:

Hình 5.6 Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m 2 ; 0,8 kW/m 2 và 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ môi trường 25 0 C

Hình 5.7 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m 2 ; 0,8 kW/m 2 và 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ môi trường 25 0 C

Để hệ thống PV hòa lưới điện 220V, 50Hz và duy trì điểm công suất cực đại, cần sử dụng mạch nghịch lưu (Inverter) vì VMPP luôn nhỏ hơn 180V.

Bức xạ, G = 1 kW/m 2 Bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 Bức xạ, G = 0,6 kW/m 2 × × ×

Khối DC/DC MPPT

Bộ biến đổi công suất DC/DC chuyển đổi năng lượng từ pin thành dạng DC với điện áp cao để nghịch lưu Đồng thời, nó cũng hoạt động như một bộ "dung hợp tổng trở", giúp tối ưu hóa công suất cực đại từ pin quang điện.

Hình 5.8 Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT)

Có thể nhận thấy rằng, bộ biến đổi DC/DC được điều khiển thông qua bộ PI

Bộ điều khiển này hoạt động dựa trên giá trị điện áp tham chiếu Vref từ bộ dò tìm điểm công suất cực đại (MPP) theo thuật toán InC cải tiến Mục tiêu chính là duy trì điểm làm việc của hệ thống năng lượng mặt trời (PV) để đảm bảo công suất luôn đạt giá trị cực đại phù hợp với từng tải Điều này đồng nghĩa với việc ngõ ra sẽ có các giá trị điện áp khác nhau, nhưng công suất thu được trên tải sẽ luôn đạt mức tối đa mà PV có thể sản xuất tại thời điểm khảo sát.

Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi

5.4.1 Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C Đáp ứng khả năng hòa đồng bộ khi hệ thống điện năng lượng mặt trời được kết nối với lưới điện được thể hiện qua các đáp ứng cường độ dòng điện và điện áp như các hình 5.10 và 5.11 Đáp ứng điện áp, V dc được biểu diễn như hình 5.9

Hình 5.10 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả nhất dưới điều kiện bức xạ G = 1 kW/m² và nhiệt độ T = 25°C Để tối ưu hóa hiệu suất, thuật toán bám điểm công suất cực đại (InC) được áp dụng nhằm duy trì điện áp ổn định.

Tài liệu HUTECH b) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

Hình 5.12 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã đạt được khả năng hòa lưới thành công tại thời điểm t = 0,27 giây, với các giá trị biên độ điện áp ổn định.

220 V; tần số, 50 Hz và góc lệch pha của lưới điện

Hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến cho thấy khả năng bám điểm công suất cực đại vượt trội hơn hẳn so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ Luôn đảm bảo hoạt động với công suất tối ưu là 1000 W.

5.4.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hình 5.13 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hình 5.14 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Tài liệu HUTECH a) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC b) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

Hình 5.15 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã thành công trong việc hòa lưới tại thời điểm t = 0,34 giây, với các giá trị biên độ điện áp đạt 220V, tần số 50 Hz và góc lệch pha của lưới điện.

Hình 5.15 chỉ ra rằng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến có khả năng bám điểm công suất cực đại tốt hơn đáng kể so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời luôn luôn vận hành tương ứng với công suất thu được tối ưu là 789 W

5.4.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hình 5.16 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả dưới điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m² và nhiệt độ T = 25°C Để tối ưu hóa hiệu suất, có thể áp dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC Ngoài ra, việc sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến cũng mang lại những lợi ích đáng kể cho hệ thống.

Hình 5.18 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã thành công trong việc hòa lưới tại thời điểm t = 0,52 s, với các giá trị biên độ điện áp là 220 V, tần số 50 Hz và góc lệch pha của lưới điện.

Hình 5.18 chỉ ra rằng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến có khả năng bám điểm công suất cực đại tốt hơn đáng kể so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời luôn luôn vận hành tương ứng với công suất thu được tối ưu là 581 W

Dựa trên các kết quả mô phỏng từ hình 5.10, 5.13 và 5.16, có thể thấy rằng khả năng hòa lưới của hệ thống điện năng lượng mặt trời đạt hiệu quả cao ở các thời điểm khác nhau, điều này phụ thuộc chủ yếu vào các điều kiện bức xạ.

Hệ thống pin quang điện duy trì khả năng tối ưu hóa công suất thu được, phù hợp với các điều kiện bức xạ khác nhau.

Bảng 5.2 So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi, G = 1; 0,8 và 0,6 kW/m 2 ; nhiệt độ, T = 25 0 C không thay đổi

Thời điểm hòa lưới thành công, t (s)

Công suất tối ưu đạt được, P pv (W)

Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ

5.5.1 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 15 0 C

Hình 5.19 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ môi trường 15 0 C

Hình 5.20 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 15 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả dưới điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m² và nhiệt độ T = 15°C Hình 5.21 minh họa điện áp của hệ thống trong những điều kiện này, sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC để tối ưu hóa hiệu suất.

Tài liệu HUTECH b) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả dưới điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m² và nhiệt độ T = 15°C, như thể hiện trong Hình 5.22 Đồng thời, khả năng hòa lưới của hệ thống đã được chứng minh thành công tại thời điểm t = 0,34 s, với các thông số điện áp 220V, tần số 50 Hz và góc lệch pha tương ứng.

Hình 5.22 chỉ ra rằng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến có khả năng bám điểm công suất cực đại tốt hơn đáng kể so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời luôn luôn vận hành tương ứng với công suất thu được tối ưu là 823 W, hình 5.19

5.5.2 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hình 5.23 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hình 5.24 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Tài liệu HUTECH a) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC b) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

Hình 5.25 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 25 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã đạt được khả năng hòa lưới thành công tại thời điểm t = 0,34 s, với các giá trị biên độ điện áp là 220 V, tần số 50 Hz và góc lệch pha của lưới điện.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến cho thấy khả năng bám điểm công suất cực đại vượt trội hơn so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời luôn luôn vận hành tương ứng với công suất thu được tối ưu là 789 W, hình 5.7

5.5.3 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 30 0 C

Hình 5.26 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ môi trường 30 0 C

Hình 5.27 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 30 0 C

Hình 5.28 Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 30 0 C

Tài liệu HUTECH a) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC b) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

Hình 5.29 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 30 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã thành công trong việc hòa lưới tại thời điểm t = 0,36 s, với các thông số điện áp đạt 220 V, tần số 50 Hz và góc lệch pha tương ứng với lưới điện.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến có khả năng bám điểm công suất cực đại tốt hơn nhiều so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời luôn luôn vận hành tương ứng với công suất thu được tối ưu là 772 W, hình 5.26

5.5.4 Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 35 0 C

Hình 5.30 Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ môi trường 35 0 C

Hình 5.31 Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 35 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời hoạt động hiệu quả dưới điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m² và nhiệt độ T = 35°C Để tối ưu hóa hiệu suất, thuật toán bám điểm công suất cực đại (InC) được áp dụng nhằm duy trì điện áp ổn định cho hệ thống.

Tài liệu HUTECH b) Sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại InC cải tiến

Hình 5.33 Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m 2 và nhiệt độ, T = 35 0 C

Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã thành công trong việc hòa lưới tại thời điểm t = 0,41s, với các giá trị biên độ điện áp đạt 220V, tần số 50 Hz và góc lệch pha tương ứng với lưới điện.

Hình 5.33 chứng minh rằng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng thuật toán InC cải tiến có khả năng bám điểm công suất cực đại vượt trội hơn so với thuật toán InC truyền thống, cả về tốc độ và giá trị hội tụ.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời luôn luôn vận hành tương ứng với công suất thu được tối ưu là 754 W, hình 5.30

Dựa trên các kết quả mô phỏng từ hình 5.20, 5.22, 5.26 và 5.30, có thể thấy rằng hệ thống điện năng lượng mặt trời đã đạt được khả năng hòa lưới thành công, không bị ảnh hưởng nhiều bởi sự biến đổi của nhiệt độ.

Hệ thống pin quang điện luôn duy trì công suất tối ưu, phù hợp với các điều kiện nhiệt độ khác nhau.

Bảng 5.3 So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện nhiệt độ thay đổi khác nhau, T = 15; 25; 30 và 35 0 C; và bức xạ, G = 0,8 kW/m 2 không thay đổi

Thời điểm hòa lưới thành công, t (s)

Công suất tối ưu đạt được, P pv (W)