Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả bám điểm công suất cực đại dàn pin điện mặt trời dưới điều kiện có bóng che

Bài viết đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu đa điểm PSO, mô phỏng MPPT. Kết quả cho thấy hệ thống luôn bám chính xác điểm công suất cực đại, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh nhỏ dàn pin PV khi không có bóng che và có bóng che, dao động quanh điểm công suất cực đại không đáng kể dẫn đến hao tổn công suất của dàn Pin PV nhỏ.

ISSN 2354-0575 NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI DÀN PIN ĐIỆN MẶT TRỜI DƯỚI ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên Ngày tòa soạn nhận báo: 30/02/2020 Ngày phản biện đánh giá sửa chữa: 12/04/2020 Ngày báo duyệt đăng: 22/5/2020 Tóm tắt: Bài báo đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu đa điểm PSO, mô MPPT Kết cho thấy hệ thống ln bám xác điểm cơng suất cực đại, thời gian độ ngắn, độ điều chỉnh nhỏ dàn pin PV khơng có bóng che có bóng che, dao động quanh điểm cơng suất cực đại không đáng kể dẫn đến hao tổn công suất dàn Pin PV nhỏ Từ khóa: Bám sát điểm cơng suất cực đại (MPPT), Bóng che, Thuật tối ưu đa điểm (PSO), Dàn Pin PV Mở đầu Phương pháp tối ưu đa điểm thuật tốn xây dựng dựa khái niệm trí tuệ bầy đàn để tìm kiếm lời giải cho tốn tối ưu hóa khơng gian tìm kiếm Phương pháp tối ưu đa điểm dạng thuật tốn tiến hóa quần thể, với tương tác cá thể quần thể để khám phá khơng gian tìm kiếm PSO kết mơ hình hóa việc đàn chim bay tìm kiếm thức ăn thường xếp vào loại thuật tốn có sử dụng trí tuệ bầy đàn Được giới thiệu vào năm 1995 hội nghị IEEE James Kennedy Russell C.Eberhart [1] PSO khác với phương pháp tối ưu khác điểm sau: PSO sử dụng tương tác cá thể quần thể để khám phá khơng gian tìm kiếm; PSO tìm kiếm từ số điểm không gian n chiều từ điểm; PSO sử dụng thông tin hàm mục tiêu đạo hàm hay đại lượng phụ khác; PSO sử dụng luật chuyển đổi theo xác suất, luật chuyển đổi tiền định; PSO đòi hỏi tập hợp thơng số tự nhiên tốn tối ưu để tìm điểm tối ưu khơng gian tìm kiếm Bên cạnh thuật tốn PSO có tính chất: Trọng lượng qn tính khơng đổi; Động lực quán tính vận tốc tối đa giảm; Thời gian theo dõi phụ thuộc nhỏ nhất; Có sử dụng thơng số nén; Tốc độ tuyến tính trọng lượng qn tính giảm; Sử dụng Khoa học & Cơng nghệ - Số 26/Tháng - 2020 phương pháp tối ưu hóa rời rạc; Có thể tăng tốc độ tìm kiếm địa phương tốt với chi phí cao khả hội tụ sớm hơn; Khả tìm kiếm cục tăng nhanh đạt thuật toán sửa đổi PSO khởi tạo nhóm cá thể ngẫu nhiên sau tìm nghiệm tối ưu cách cập nhật hệ Trong hệ, cá thể cập nhật theo hai vị trí tốt Giá trị thứ vị trí tốt mà đạt thời điểm tại, gọi Pbest Một nghiệm tối ưu khác mà cá thể bám theo nghiệm tối ưu tồn cục Gbest, vị trí tốt tất trình tìm kiếm từ trước tới thời điểm Nói cách khác, cá thể quần thể cập nhật vị trí theo vị trí tốt quần thể tính tới thời điểm Khi dàn pin PV bị bóng che phần đường cong đặc tính đầu dàn pin PV xuất nhiều điểm cực trị nhiều vùng biến thiên khác Các điểm cực trị vùng biến thiên cách ngẫu nhiên theo vị trí bóng che, báo sử dụng thuật toán PSO thực MPPT dàn pin PV hiệu Ứng dụng thuật tốn PSO điều khiển bám điểm cơng suất cực đại đặc tính dàn pin điện mặt trời điều kiện có bóng che 2.1 Điều khiển MPPT thuật toán PSO Ứng dụng thuật toán PSO MPPT hệ thống điện lượng mặt trời cho phần tử Journal of Science and Technology 39 ISSN 2354-0575 quần thể xác định hai tham số điện áp làm việc bước nhảy điện áp Trong lần lặp, điện áp làm việc bước nhảy điện áp phần tử có giá trị tối ưu lần trước có phần tử đến thời điểm tìm giá trị điện áp làm việc tối ưu, gọi giá trị tối ưu riêng Upi Tất phần tử đến thời điểm tìm giá trị điện áp làm việc tối ưu, gọi giá tối ưu quần thể Ug Như vậy, trình tìm kiếm cách trao đổi học tập lẫn q trình tìm kiếm thơng tin điện áp làm việc phần tử liên tục cập nhật lặp lặp lại, từ mà tìm điện áp điểm cơng suất cực đại Điện áp làm việc Ui bước nhảy điện áp ∆Ui phần tử lựa chọn theo công thức [2][3]: ∆U ik +1 =w∆U ik + c1r1 (U pik − U ik ) + c2 r2 (U gk − U ik ), U ik +1 = U ik + ∆U ik +1 (1)  U k , f (U ik ) > f (U pik −1 );  U pik =  ki−1 k k −1  U pi , f (U i ) ≤ f (U pi ); ( U gk = f −1 max { f (U pk1 ), f (U pk ), , f (U pn )} → U1k → U 2k → U 3k → U 4k → U1k +1 → U 2k +1 → U 3k +1 → U 4k +1 Nếu dao động công suất ∆P thỏa mãn công thức (3) thiết bị đếm bắt đầu đếm liên tục thỏa mãn công thức (3) thiết bị đếm đạt đến giá trị định bốn phần tử làm việc gần điểm công suất cực đại, q trình tối ưu hóa hồn thành trình lặp dừng lại [5] Điện áp Ug coi điện áp Um khi: = ∆P ) (2) Trong đó, số phần tử i = 1,2, ,n; k số lần lặp lại; w trọng số quán tính; c1 c2 hệ số gia tốc, r1 r2 số ngẫu nhiên phân bố khoảng [0,1]; ƒ hàm số công suất dàn pin PV Khởi tạo tham số Trước vận hành phương pháp, cần phải tiến hành khởi tạo tham số bao gồm: w, c1, c2, i [4] Trong đó, việc lựa chọn số phần tử i có vai trò quan trọng, định đến thời gian tính xác q trình dị tìm điểm cơng suất cực đại: - Nếu lựa chọn số phần tử i nhiều thời gian tìm điểm cơng suất cực trị nhanh, lại nhiều thời gian để phần tử trao đổi thông tin với để tìm điểm cơng suất cực đại - Nếu lựa chọn số phần tử i thời gian tìm điểm cơng suất cực trị chậm, lại rút ngắn khoảng thời gian phần tử trao đổi thơng tin với để tìm điểm công suất cực đại Để giảm thời gian độ, dị tìm điểm cơng suất cực đại nhanh, giảm thiểu tổn thất dao động đảm bảo mục tiêu đặt hệ thống MPPT, luận án vào số điểm công suất cực trị đường đặc tính đầu kết hợp với kinh nghiệm 40 q trình mơ để lựa chọn số phần tử i Q trình thực thuật tốn Thuật tốn thực cập nhật giá trị điện áp điểm làm việc bốn phần tử, lần cập nhật thu giá trị tối ưu quần thể Ug, bốn lần cập nhật vòng tuần hồn vịng tuần hồn thu giá trị tối ưu phần tử Upi Điện áp làm việc phần tử lặp lại theo trình tự sau: P − f (U g ) f (U g ) < 0, 005 (3) Trong P cơng suất đầu thực tế, f(Um) hàm số điện áp điểm công suất cực đại dàn pin PV Sơ đồ nguyên lý hệ thống MPPT dựa PSO mơ tả Hình Hình Sơ đồ ngun lý hệ thống điều khiển MPPT dựa PSO 2.2 Mơ hình mơ điều khiển MPPT PSO Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink mô MPPT dàn pin PV dựa thuật toán PSO dàn pin PV khơng bị bóng che dàn pin PV bị phần bóng che Mơ hình mơ thể Hình Khoa học & Cơng nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Giả sử dàn pin PV có pin mắc nối tiếp, có pin bị che chắn cịn khơng bị che chắn tương ứng với mức cường độ xạ lượng mặt trời sau: S5 = W/m2; S4 = 250 W/m2; S3 = 500 W/m2; S2 = 750 W/m2; S1= 1000 W/m2 Sơ đồ mô thể Hình Đặc tính đầu thể Hình đến Hình Hình Mơ hình mơ MPP dàn pin PV dựa thuật tốn PSO Khi dàn pin PV bị bóng che phần đường cong đặc tính đầu dàn pin PV xuất nhiều điểm cực trị nhiều vùng biến thiên khác Các điểm cực trị vùng biến thiên cách ngẫu nhiên theo vị trí bóng che, luận án sử dụng thuật toán PSO thực MPPT dàn pin PV Tiến hành nghiên cứu mô với điều kiện mô giả định sau: nhiệt độ môi trường không thay đổi Tair = 25 oC Mỗi pin PV có tham số là: P = 50 W, Uoc = 24 V, Isc = A, Um = 18.6 V, Im = 2.8 A Các tham số đầu vào như: Cường độ xạ lượng mặt trời S = 1000 W/ m2; nhiệt độ T = 25 oC Hai trường hợp đưa vào mô sau: Hình Đặc tính P-U dàn pin PV mắc nối tiếp có phần bóng che Trường hợp 1: Hình Đặc tính I-U dàn pin PV mắc nối tiếp có phần bóng che Hình Mơ hình dàn pin PV mắc nối tiếp điều kiện bóng che Khoa học & Cơng nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Trên Hình ta thấy có bốn điểm cực trị, bốn điểm cực trị điểm cực trị thứ có giá trị cơng suất lớn (được gọi điểm công suất cực đại) với P = 76.31 W tương ứng với dòng điện I = 1.45 A điện áp U = 52.37 V Nhiệm vụ thuật tốn PSO phải tìm điểm công suất lớn (điểm số 3) đường cong công suất P-U với thời gian nhanh xác Đây chất thuật tốn PSO Kết mơ điều khiển MPPT PSO trường hợp biểu diễn Hình Journal of Science and Technology 41 ISSN 2354-0575 đến Hình Hình Cơng suất cực đại dàn pin PV mắc nối tiếp điều kiện bị phần bóng che Hình Q trình tìm điểm công suất cực đại dàn pin PV mắc nối tiếp dựa thuật tốn PSO Hình Dịng điện điểm công suất cực đại dàn pin PV mắc nối tiếp điều kiện bị phần bóng che Từ kết mơ Hình đến Hình cho thấy sử dụng thuật tốn PSO để thực điều khiển MPPT dàn pin PV bị bóng che bám xác điểm công suất cực đại dàn pin PV so với điều kiện giả định Hình 4, Hình Thời gian q độ nhỏ, gần khơng có dao động sau tìm điểm cơng suất cực đại Trường hợp 2: Giả sử có ba dàn pin PV mắc song song với nhau, dàn pin PV có năm pin mắc nối tiếp Dàn pin PV thứ có pin PV bị che chắn tương ứng với mức cường độ xạ lượng mặt trời sau: S5 = 200 W/m2; S4 = 200 W/m2; S3 = 200 W/m2; S2 = 1000 W/m2; S1 = 1000 W/m2 Dàn pin thứ hai có pin bị che chắn với mức cường độ xạ lượng mặt trời sau: S5 = 200 W/m2; S4 = 200 W/m2; S3 = 1000 W/m2; S2 = 1000 W/m2; S1 = 1000 W/m2 Dàn pin thứ ba có pin bị che chắn với mức cường độ xạ lượng mặt trời sau: S5 = 200 W/m2; S4 = 1000 W/m2; S3 = 1000 W/m2; S2 = 1000 W/m2; S1 = 1000 W/m2 Sơ đồ mơ dàn pin PV đặc tính đầu thể Hình 10 kết mơ Hình 11 đến Hình 12 Hình Điện áp điểm cơng suất cực đại dàn pin PV mắc nối tiếp điều kiện bị phần che 42 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ISSN 2354-0575 Kết mô MPPT PSO trường hợp biểu diễn Hình 13 đến Hình 16 Hình 10 Sơ đồ mơ dàn pin PV mắc song song với nhau, dàn pin PV có năm pin mắc nối tiếp Hình 13 Q trình tìm điểm cơng suất cực đại dàn pin PV mắc song song dựa thuật tốn PSO Hình 11 Đặc tính P-U dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Hình 14 Dịng điện điểm cơng suất cực đại dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Hình 12 Đặc tính I-U dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Hình 15 Điện áp điểm công suất cực đại dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Khoa học & Cơng nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology 43 ISSN 2354-0575 Do đó, hao tổn cơng suất dàn pin PV nhỏ Từ kết mô Hình đến Hình 16 kết hợp với phân tích cho thấy, dàn pin PV không bị che chắn bị che chắn phần, áp dụng thuật toán PSO việc điều khiển MPPT hiệu quả, điều phù hợp với điều kiện làm việc dàn pin PV thực tế Chính vậy, luận án định lựa chọn thuật toán PSO để thực điều khiển MPPT dàn pin PV cho hai trường hợp dàn pin PV không bị che chắn bị che chắn Hình 16 Cơng suất cực đại dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Từ kết mơ Hình 13 đến Hình 16 cho thấy sử dụng thuật tốn PSO để thực điều khiển MPPT dàn pin PV bị phần bóng che bám xác điểm công suất cực đại dàn pin PV so với điều kiện giả định thể Hình 11, Hình 12 Sau tìm điểm cơng suất cực đại gần khơng có dao động Kết luận Sử dụng thuật toán PSO điều khiển MPPT thay đổi cường độ xạ lượng mặt trời dàn pin bị phần bóng che đảm bảo công suất đầu dàn pin PV bám xác điểm cơng suất cực đại, thời gian q độ ngắn, khơng có độ q điều chỉnh, khơng dao động sau tìm điểm cơng suất cực đại, hao tổn công suất dàn pin PV nhỏ Tài liệu tham khảo [1] N.A Ahmed, M Miyatake “A novel maximum power point tracking for photovoltaic applications under partially shaded insolation conditions” Electric Power Systems Research, 78:777-784, 2008 [2] 李纬华.独立光伏发电系统研制[D].大连：大连海事大学，2008：24-29 [3] 刘飞 (2008) 三相并网光伏发电系统的运行控制策略研究[D].华中科技大学博士论文：120131 [4] 尹淞，郝继红 (2009) 我国太阳能光伏发电技术应用综述[J].电力技术，3：1-4 [5] 张耀明 (2007) 中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J] 能源研究与利用，1：1-6 STUDYING SOLUTIONS TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF CLINGING MAXIMUM CAPACITY POINTS OF SOLAR PV ARRAY UNDER SHADE CONDITIONS Abstract: This paper proposes particle swarm optimization (PSO) control method, simulation MPPT when PV panel without shadow and shade The results show that the system always track the maximum power point, short transient time, small oversize, fluctuate around the negligible maximum power point leading to loss of capacity of the PV array Keywords: Maximum power point tracking (MPPT), Partial shading, Particle swarm optimization (PSO), Photovoltaic (PV) system 44 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng - 2020 Journal of Science and Technology ... cực đại dàn pin PV mắc nối tiếp điều kiện bị phần bóng che Hình Q trình tìm điểm công suất cực đại dàn pin PV mắc nối tiếp dựa thuật tốn PSO Hình Dịng điện điểm công suất cực đại dàn pin PV mắc... song có phần bóng che Hình 14 Dịng điện điểm cơng suất cực đại dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Hình 12 Đặc tính I-U dàn pin PV mắc song song có phần bóng che Hình 15 Điện áp điểm cơng suất. .. để thực điều khiển MPPT dàn pin PV bị phần bóng che bám xác điểm công suất cực đại dàn pin PV so với điều kiện giả định thể Hình 11, Hình 12 Sau tìm điểm cơng suất cực đại gần khơng có dao động