Bài viết nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi đặc tính làm việc của hệ thống khi thay đổi các yếu tố như: mức độ, vị trí che phủ pin quang điện. Tính hiệu quả của giải pháp đề xuất không những được so sánh với phương pháp nhiễu loạn và quan sát (P&O) mà còn được so sánh với các giải thuật tối ưu trước đó trong cùng điều kiện vận hành. Bên cạnh đó, một mô hình thực nghiệm được phát triển để khảo sát đáp ứng của giải pháp đề xuất trong môi trường thực với bộ mô phỏng pin quang điện Chroma-62050H cũng được xem xét thảo luận.
Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(1):326-338 Bài Nghiên cứu Open Access Full Text Article Tối ưu điểm phát công suất cực đại pin quang điện làm việc điều kiện bóng che Bùi Văn Hiền1 , Trương Việt Anh2,* , Quách Thanh Hải2 TÓM TẮT Use your smartphone to scan this QR code and download this article Pin quang điện (PV) dùng để biến đổi điện từ xạ mặt trời Đặc tính làm việc phụ thuộc vào điều kiện môi trường nhiệt độ, cường độ xạ mặt trời môi trường xung quanh Trong q trình hoạt động, hệ thống PV bị che phần toàn tượng tự nhiên như: đám mây, tòa nhà, bụi, động vật, cột điện, cối… làm thay đổi đặc tính cơng suất phát Bài báo đề xuất giải thuật dị tìm điểm phát cơng suất cực đại (MPPT) hệ thống PV vận hành điều kiện bóng che phần dựa thuật tốn tối ưu hóa phần tử bày đàn (PSO) mơ hình gồm modul PV loại PHM60W36 sử dụng để mô phần mềm PSIM Nghiên cứu tập trung vào thay đổi đặc tính làm việc hệ thống thay đổi yếu tố như: mức độ, vị trí che phủ pin quang điện Tính hiệu giải pháp đề xuất so sánh với phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O) mà so sánh với giải thuật tối ưu trước điều kiện vận hành Bên cạnh đó, mơ hình thực nghiệm phát triển để khảo sát đáp ứng giải pháp đề xuất môi trường thực với mô pin quang điện Chroma-62050H xem xét thảo luận Những kết thu cho thấy vượt trội giải pháp đề xuất việc nâng cao hiệu suất tốc độ MPPT hệ thống điều kiện vận hành phức tạp Từ khố: Bóng che phần, pin quang điện, dãy pin lượng mặt trời, đặc tính P-V GIỚI THIỆU Trường ĐH Cơng nghiệp Thực phẩm Thành Phố Hồ Chí Minh, Việt Nam Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Liên hệ Trương Việt Anh, Trường ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM, Việt Nam Email: anhtv@hcmute.edu.vn Lịch sử • Ngày nhận: 13-08-2019 • Ngày chấp nhận: 10-12-2019 • Ngày đăng: 31-3-2020 DOI : 10.32508/stdjet.v3i1.544 Bản quyền © ĐHQG Tp.HCM Đây báo công bố mở phát hành theo điều khoản the Creative Commons Attribution 4.0 International license Trong vấn đề ấm lên toàn cầu sử dụng lượng từ nguồn hóa thạch phát thải khí nhà kính quan tâm tồn giới việc nhà máy lượng xanh, sạch, bền vững phát triển cách nhanh chóng ngày tất yếu Điện mặt trời đã, đóng góp phần khơng nhỏ vào việc trì ổn định nguồn cung cấp điện thiếu hụt nguồn lượng truyền thống nhu cầu sử dụng ngày tăng cao người 1,2 Tuy nhiên, module PV làm việc với tổng trở tải khơng thích hợp có hiệu suất chuyển đối thấp, mặt khác, bị ảnh hưởng khơng nhỏ điều kiện vận hành bóng che phần Do đó, dị tìm MPPT điều cần thiết hệ thống PV Điện tạo modul PV phụ thuộc vào dòng điện điện áp hoạt động Trên đặc tuyến V-I P-V PV tồn điểm mà cơng suất phát đạt cực đại, điểm thay đổi phụ thuộc vào xạ nhiệt độ môi trường Nhiệm vụ MPPT xác định trì chế độ làm việc hiệu Tuy nhiên, công suất đạt bị dao động lớn dễ rơi vào cực trị địa phương (LMPP) xạ module không đồng Vì vậy, ngồi phương pháp truyền thống P&O điện dẫn gia tăng (Incremental ConductanceINC), gần nhiều giải thuật tối ưu khác đề xuất để cải thiện nhược điểm giải thuật truyền thống như: Modified PSO (M-PSO), Bat Algorithm (BA), Whale Optimization Algorithm (WOA), Firework Algorithm (FWA), Grey Wolf Optimization (GWO), Ant Colony Optimization (ACO), Firefly Algorithm (FFA), hay kết hợp giải thuật với PSO-P&O, INC-FFA, FWA-P&O 3–13 Hiệu suất, tốc độ hội tụ, độ phức tạp chi phí nói lên tính khả thi giải pháp Việc trì độ xác tối đa với thời gian nhỏ nghiên cứu Ram and Rajasekar (2017) tỏ hiệu M-PSO nghiên cứu Chao et al Ngay kết hợp PSO P&O 13 giúp giảm không gian tìm kiếm nên giảm đáng kể thời gian hội tụ tính hiệu khơng đề cập 14 Bài viết đề xuất sử dụng giải thuật PSO với cải tiến lọc, giới hạn độ rộng xung D phân bố hợp lý tham số điều khiển để xác định GMPPT điều kiện xạ thay đổi bị bóng che Tính hiệu giải thuật đề xuất kiểm chứng với P&O truyền thống giải thuật tối ưu khác trình bày phần Kết Thảo luận Trích dẫn báo này: Hiền B V, Anh T V, Hải Q T Tối ưu điểm phát công suất cực đại pin quang điện làm việc điều kiện bóng che Sci Tech Dev J - Eng Tech.; 3(1):326-338 326 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(1):326-338 Bảng 1: Thông số module PV CƠ SỞ LÝ THUYẾT VÀ PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT Tên module PV PHM60W36 Pin quang điện Số lượng cell 36 Mơ hình tốn tế bào quang điện giới thiệu Hình bao gồm diode song song với nguồn dòng điều khiển ánh sáng hai điện trở nối tiếp song song RS , RP 15–18 Hai thông số quan trọng PV dòng ngắn mạch ISC điện áp hở mạch VOC liên quan đến biểu thức tính dịng ( ngõ ra)(2), (3) Dịng qua diode: Cơng suất cực đại 60 W Dòng điện Pmax 3,33 A Điện áp Pmax 18 V Dòng điện ngắn mạch Isc 3,99 A Điện áp hở mạch Voc 21,6 V Hiệu suất module 14,2 % Điện áp cực đại hệ thống 165 V Kích thước 780 x 675 x 35 mm qVd Id = I0 e kT − (1) Mà ISC − Id − I − IP = ⇒ I = ISC − Id − IP Với IP = RVdP Vd = V + I.RS } { q(V +I.RS ) S ⇒ I = ISC − I0 e kT − − V +I.R RP Điện áp hở mạch ( ) (2) ISC VOC = kT (3) q ln I0 + Trong đó: Vd - điện áp diode (V); V – điện áp PV (V) I – dòng điện PV (A) IP – dòng qua điện trở RP (A) ISC – dòng điện ngắn mạch PV (A) I0 – dòng điện bão hịa diode (A); q - điện tích electron (1,602.10−19 C); k - số Boltzman (1,381.10−23 J/K); T - nhiệt độ lớp tiếp xúc (K); RS , RP – điện trở nối tiếp song song ( W) có điện áp ngõ cao cần phải liên kết nối tiếp chúng với Khi cần điện áp cao dòng phải đủ lớn cấu hình nối tiếp – song song thường sử dụng 19,20 Các nghiên cứu trước rằng, điều kiện vận hành với mức độ xạ module nhau, đường đặc tuyến P-V I-V hệ thống không thay đổi hình dạng (Hình 2) Nhưng mức độ xạ không đồng đều, số lượng MPP tăng lên gây khó khăn cho việc xác định MPP tồn cục ảnh hưởng đến cơng suất tồn hệ thống Theo đó, việc sử dụng giải thuật MPPT cần thiết trường hợp (Hình 3) Hình 2: Đặc tuyến I-V P-V PV Hình 1: Sơ đồ thay tế bào quang điện Ảnh hưởng bóng che Từ (1), (2) (3), mơ hình gồm modul PV có thơng số Bảng sử dụng để mô thực nghiệm Trong điều kiện vận hành tiêu chuẩn (1000 W/m2 25o C), thông thường công suất PV nhỏ xác định dựa vào đường đặc tuyến I-V Hình Do đó, để có hệ thống với dịng điện lớn cần mắc song song modul PV, ngược lại muốn 327 Hình 3: Đặc tuyến I-V P-V bị bóng che Tạp chí Phát triển Khoa học Công nghệ – Kĩ thuật Công nghệ, 3(1):326-338 Bộ chuyển đổi DC – DC Như trình bày mục Ảnh hưởng bóng che, điện áp hệ thống PV tương đối thấp so với nhu cầu thiết bị dùng điện Ngoài việc thay đổi cách liên kết PV, chuyển đổi điện áp DC-DC nghiên cứu ứng dụng để nâng cao điện áp Bộ tăng áp Boost Boost biến đổi nguồn DC-DC có điện áp đầu lớn điện áp đầu vào Nó chứa hai chuyển mạch bán dẫn phần tử tích lũy lượng, tụ điện, cuộn dây hai (Hình 4a) Điện áp ngõ xác định theo biểu thức (4): vin Vin Vout = = 1−D (4) T on 1− Ton + To f f Trong đó: D tỷ số đóng điện, Ton : thời gian khóa đóng, To f f : thời gian khóa mở T=Ton +To f f : chu kỳ Với nguồn Boost để có điện áp lớn cơng suất vào phải lớn, cơng suất thu phụ thuộc vào cuộn cảm L Hiệu suất nguồn Boost chứng minh hiệu sử dụng rộng rãi Tuy nhiên, công suất vào không đủ lớn điều kiện vận hành cố hệ thống, cần giảm áp nguồn đáp ứng Bộ giảm áp Buck Ngược lại với nguồn Boost Buck giảm áp hiệu thiết kế chuyển đổi step up giống Boost converter, sử dụng hai khóa chuyển mạch Hình 4b Điện áp ngõ nguồn Buck tính theo biểu thức (5) Ton Vout = Ton+T Vin = D.Vin (5) of f Với điện áp thu thấp ngõ vào nên công suất lớn so với công suất cung cấp Nó phù hợp cho trường hợp giảm áp nguồn DC với tổn hao công suất thấp Phương pháp giải PSO thuật toán phát triển Eberhart Kennedy năm 1995 Đây kỹ thuật tính tốn tìm vị trí tối ưu cho cá thể dựa vào hành vi kinh nghiệm số đông 21 Trong đó, cá thể đặc trưng thơng số vị trí “xi ” tốc độ “vi ” Do đó, vị trí sau lần tìm kiếm bị thay đổi phụ thuộc vào tốc độ vị trí trước theo biểu thức (6): xik+1 = xik + vk+1 (6) i Trong trình tìm kiếm ln tồn vị trí tốt mà cá thể xác định Pbest,i vị trí tốt đám đơng Gbest,i Do đó, tốc độ cá thể bị ảnh hưởng đám đông xác định theo biểu thức (7) vk+1 = wi vki + c1 r1 (Pbest,i − xik ) + c2 r2 (Gbest − i k xi ) (7) Trong đó: c1 , c2 số gia tốc cá thể xã hội r1 , r2 hai số ngẫu nhiên phân bố điều khoảng [0,1] k: số lần lặp wi : trọng số quán tính xác định theo (8) iter−1 wi = 0, − 0, max_iter−1 (8) iter: số lần lặp max_iter: số lần lặp tối đa Để áp dụng PSO vào việc dị tìm GMPPT x = D v = DD (7) với D phân bố từ [0,2 ÷ 0,8] giới hạn điều khiển mạch Boost Lưu đồ giải thuật PSO trình bày Hình có tham số Bảng dùng để xác định tỷ số D tốt cho cá thể (Pbest ) toàn cục (Gbest ) dựa vào điều kiện hội ( tụ ) hàm mục tiêu (9) ( ) (9) P dik ≥ P dik−1 Mặc dù giảm w, c1 , c2 (7) làm tăng thời gian xử lý với việc giới hạn độ rộng xung |△D|≤D0 (D0 =0,15 – để đảm bảo không bỏ qua điểm cực trị nào) phân bố vị trí cho cá thể D∈[0,2÷0,8] để điểm đặc tuyến P-V xem xét tránh LMPP bước nhảy khơng q lớn, gia tăng xác suất tìm GMPPT Hơn nữa, việc chủ động dừng lấy mẫu hai thơng số dịng điện điện áp đạt sai số giới hạn cải tiến lọc giúp tăng tốc độ hội tụ, thể ưu điểm bật so với giải pháp trước i i − ∑ Vj VI = j=1 i − ; II = ∑ Ij j=1 i (10) Bảng 2: Tham số giải thuật PSO Thuộc tính PSO Giá trị Kích cỡ bầy đàn (n) Số lần lập cực đại (kmax ) 100 Hằng số gia tốc c1 ; c2 0,1; 0,5 Trọng số quán tính wi 0,07 Hệ số ngẫu nhiên r1 , r2 [0 1] Chu kỳ tính tốn 2*10−6 (s) Số lượng mẫu 350 Để đánh giá tính khách quan hiệu PSO đề xuất mục Phương pháp giải quyết, phương pháp P&O dùng để mô nhằm so sánh kết thu điều kiện vận hành P&O giải thuật truyền thống có ưu điểm: chi phí thấp, thực 328 Tạp chí Phát triển Khoa học Cơng nghệ – Kĩ thuật Cơng nghệ, 3(1):326-338 Hình 4: Bộ chuyển đổi: a Boost b Buck đơn giản, bảo trì giám sát Lưu đồ giải thuật P&O trình bày Hình với thông số nhiễu loạn DV để quan sát DP sau: • Nếu △P>0 △V>0 △P