Đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán tái cấu trúc hệ thống pin mặt trời - Luận án tiến sĩ của Ngô Ngọc Thành

Đặt vấn đề Cuộc khủng hoảng năng lượng đang trở nên hết sức cấp bách, không chỉ đe dọa đến tăng trưởng kinh tế thế giới, mà còn đe dọa trực tiếp hoà bình, an ninh quốc tế. Nguồn năng lượng hoá thạch; món quà cực kỳ quý báu của thiên nhiên ban tặng cho con người đang cạn kiệt. Do đó, nguồn năng lượng mới và tái tạo đang là vấn đề nóng mà cả cộng đồng quốc tế phải quan tâm và nghiên cứu. Liên minh châu Âu cam kết giảm phát thải khí nhà kính ít nhất là 20% so với mức năm 1990, đến năm 2020 sẽ sản xuất đuợc 20% mức năng lượng cần thiết từ các nguồn năng lượng tái tạo.

Dưới thực trạng này, năng lượng mặt trời (NLMT) đóng một vai trò rất quan trọng do đây là nguồn năng lượng sạch, NLMT tạo ra năng lượng trực tiếp từ ánh sáng mặt trời mà không phát thải khí CO2 và không gây ra hiệu ứng nhà kính. Ngoài ra, việc cung cấp điện từ nhà máy điện cho các thị trấn và làng mạc xa có thể rất tốn kém và dân chúng thường phải chờ điện đến hàng năm trời. Những nhà máy NLMT nhỏ giải quyết vấn đề này bằng cách đưa nguồn điện đến gần phụ tải điện hơn, giảm thiểu hoặc thay thế hoàn toàn việc sử dụng các máy phát điện dùng nhiên liệu Diesel có chi phí cao. Điều này sẽ mang lại lợi ích kinh tế lâu dài cho cộng đồng thông qua một nguồn năng lượng dồi dào mà không mất một khoản chi phí nào.

Mặt khác, để xây dựng một nhà máy NLMT cần một nguồn vốn đầu tư đắt hơn rất nhiều so với các nhà máy năng lượng khác (thủy điện, nhiệt điện. Chính vì vậy, trên thế giới hiện nay đang thúc đẩy mạnh mẽ các nghiên cứu về công nghệ NLMT để trong tương lai gần có thể giảm được chi phí sản xuất điện năng, cạnh tranh được với các nguồn năng lượng khác [1, 2]. Tuy nhiên, trong quá trình làm việc, nhiều trường hợp các tấm pin quang điện trong nhà máy NLMT có thể nhận được mức độ bức xạ mặt trời là không 1 đồng nhất. Nguyên nhân có thể do sự che phủ một phần của bóng mây, cây cối, nhà cửa, cột ăng ten.

dẫn đến sự sụt giảm công suất của nhà máy NLMT. Hơn nữa, nó còn gây ra hiện tượng Hotspot [3] tại những tấm pin quang điện bị che phủ, từ đó gây hư hỏng trực tiếp đến những tế bào quang điện [4, 5]. Ảnh hưởng của hệ hống NLMT bị che phủ một phần đã được đề cập trong [4, 5] với sự suy giảm công suất được thể hiện trong Hình 1-21. Khi bị che phủ một phần, không những gây sụt giảm công suất hệ thống, ngoài ra còn xảy ra hiện tượng Misleading (hiện tượng nhầm lẫn do có nhiều điểm làm việc cho công suất cực đại - Maximum Power Point).

Để giảm thiểu tổn thất khi các tấm quang điện bị che phủ một phần, rất nhiều giải pháp đã được đề xuất và được chia thành 3 nhóm chính sau [5]: - Phân bổ MPPT. - Biến tần đa cấp. - Tái cấu trúc hệ thống pin NLMT. Một lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn là phát triển chiến lược tái cấu trúc hệ thống pin NLMT dựa trên phương pháp cân bằng bức xạ [6], việc tái cấu trúc hệ thống pin NLMT chính là việc sắp xếp lại mạch kết nối của các tấm pin quang điện nhằm mục đích tăng công suất đầu ra và bảo vệ thiết bị khi hệ thống NLMT làm việc trong điều kiện ánh sáng không đồng nhất gây ra bởi sự che phủ một phần hoặc một số lý do khác như các tấm pin quang điện bị vỡ, hỏng, sụt giảm hiệu suất làm việc.

Ví dụ khi một hoặc nhiều tấm pin quang điện trong mạch nối tiếp bị che phủ, dòng công suất tạo ra sẽ bị giảm dẫn đến giảm thiểu công suất đầu ra của hệ thống [7]. Hơn nữa, khi tấm pin quang điện bị che phủ, nhiệt độ tăng rất cao, dẫn đến hiện tượng Hotspot [3, 8] và làm nguy hại trực tiếp đến tấm pin quang điện. Việc sử dụng bypass diốt [9] tránh được hiện tượng Hotspot nhưng sẽ gây ra các suy giảm công suất cục bộ tại mạch nối tiếp đó và gây suy giảm công suất đầu ra của hệ thống [10]. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án Mục tiêu của luận án là phân tích và đưa ra các phương pháp mới cho bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT sử dụng mạch kết nối Total-Cross-Tied (TCT) dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất dựa trên chiến lược cân bằng bức xạ.

Nhằm mục tiêu giảm tổn thất công suất, tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT, cụ thể luận án có 2 mục tiêu tối ưu sau: - Xây dựng mô hình toán, đề xuất áp dụng thuật toán cho bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất. - Xây dựng mô hình toán, đề xuất áp dụng thuật toán cho bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu, từ cấu hình kết nối ban đầu đến cấu hình cân bằng bức xạ. - Xây dựng mô phỏng trên Matlab Simulink và mô hình thực nghiệm để đánh giá thuật toán đã đề xuất. Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu của luận án tập trung nghiên cứu phương pháp tối ưu hóa nguồn sơ cấp của hệ thống NLMT, cụ thể áp dụng vào bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất, sử dụng mạch kết nối TCT dựa trên chiến lược cân bằng bức xạ với những nội dung cụ thể sau: - Nghiên cứu phía nguồn sơ cấp, kết nối các tấm pin quang điện sử dụng mạch kết nối TCT.

- Bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ với hàm mục tiêu giảm tổn thất công suất hệ thống NLMT, loại bỏ các điểm cực đại cục bộ trong trường hợp chiếu sáng không đồng nhất. 3 - Bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu với hàm mục tiêu giảm thiểu số lần đóng mở khóa, kéo dài tuổi thọ của ma trận chuyển mạch. - Trong nghiên cứu luận án chưa xét đến các ràng buộc về chi phí sản xuất thiết bị, tính kinh tế khi áp dụng thực tiễn. Phương pháp nghiên cứu Luận án sử dụng các phương pháp lí thuyết, kiểm chứng, thực nghiệm trên các hệ thống NLMT với mức độ che phủ khác nhau, đồng thời so sánh với các nghiên cứu khác để đánh giá, cụ thể: - Nghiên cứu lý thuyết áp dụng các thuật toán tối ưu cho bài toán tái cấu trúc hệ thống NLMT.

- Mô hình hóa hệ thống pin NLMT làm cơ sở đề xuất thuật toán tái cấu trúc. - Sử dụng phương pháp mô phỏng, thực nghiệm để kiểm tra độ chính xác của các thuật toán đề xuất thông qua việc so sánh với các nghiên cứu khác để đánh giá. Điểm mới của luận án Các điểm mới của luận án được thể hiện trong các công trình nghiên cứu của tác giả, gồm có ba điểm sau: - Xây dựng mô hình toán, áp dụng thuật toán Dynamic programming (DP) và đề xuất thuật toán Smartchoice (SC) cho bài toán lựa chọn cấu hình cân bằng bức xạ nhằm tìm được cách sắp xếp vị trí kết nối các TPQĐ sao cho công suất hệ thống là tối ưu, loại bỏ các điểm cực đại cục bộ. - Đề xuất mô hình toán, áp dụng thuật toán Munkres assignment algorithm (MAA) và đề xuất thuật toán MAA cải tiến cho bài toán lựa chọn phương 4 pháp chuyển mạch tối ưu nhằm mục đích kéo dài tuổi thọ của ma trận chuyển mạch trong hệ thống NLMT.

- Xây dựng bộ công cụ mô phỏng trên Matlab-Simulink và Micrsoft Visual Studio đánh giá hiệu năng và độ chính xác của các thuật toán phục vụ minh chứng các phương pháp mới của luận án. Giá trị thực tiễn của luận án: - Các kết quả nghiên cứu của luận án đạt được có giá trị thực tiễn trong vấn đề nghiên cứu về bài toán tái cấu trúc: - Phương pháp nghiên cứu dựa trên chiến lược tái cấu trúc hệ thống pin NLMT khẳng định được việc áp dụng các luật kinh nghiệm và phương pháp tối ưu cho các bài toán tối ưu vẫn được sử dụng tốt trong một số trường hợp, tuy nhiên để thực hiện được phương pháp này, đòi hỏi người xây dựng phải nắm bắt được rõ về tính chất cũng như đặc điểm của bài toán. - Thuật toán tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ cho các tấm pin quang điện (TPQĐ) với ưu điểm độ chính xác cao, tốc độ tính toán nhanh, có ý nghĩa thực tế trong việc áp dụng bộ tái cấu trúc vào các hệ thống NLMT lớn hiện nay, đáp ứng xử lý trong thời gian thực. - Đề xuất bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu, dựa trên thuật toán MAA và MAA cải tiến, giúp tối thiểu hóa các hoạt động đóng mở mạch, tăng tuổi thọ của ma trận chuyển mạch, giúp giảm chi phí, tăng khả năng áp dụng thực tế của chiến lược tái cấu trúc.

- Xây dựng bộ mô phỏng Matlab Simulink là công cụ hỗ trợ ra quyết định cho việc thiết kế, vận hành hệ thống NLMT khi tham gia vào thị trường điện cạnh tranh. 5 - Tạo các tình huống khác nhau, xây dựng được bộ dữ liệu chuẩn trong quá trình hoạt động của hệ thống NLMT để đánh giá thuật toán đề xuất. - Khi áp dụng thực tế sẽ góp phần nâng cao hiệu quả khai thác hệ thống NLMT tại các nguồn phát. Bố cục luận án: Luận án được chia làm 4 chương.

Chương 1: Cấu trúc hệ thống năng lượng mặt trời và chiến lược tăng hiệu suất làm việc của hệ thống trong điều kiện bị che phủ một phần. Trong chương này, tác giả trình bày tổng quan về hệ thống NLMT có hòa lưới bao gồm các thành phần, mô hình kết nối các thành phần cơ bản của hệ thống NLMT và các cấu trúc kết nối TPQĐ. Tiếp theo, trình bày tổng quan chiến lược tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất cho mạch kết nối TCT và mạch nối tiếp-song song (SP), dựa trên phương pháp cân bằng bức xạ. Phân tích ưu, nhược điểm các phương pháp của các nghiên cứu khác, từ đó xây dựng định hướng nghiên cứu cho luận án.

Chương 2: Khái quát về lý thuyết điều khiển tối ưu Tác giả trình bày khái quát về lý thuyết điều khiển tối ưu, từ đó lựa chọn phương pháp điều khiển tối ưu áp dụng cho luận án. Mô tả tổng quan thiết bị tái cấu trúc kết nối các tấm pin quang điện bao gồm: Tính năng, dữ liệu vào ra, vị trí lắp đặt trong hệ thống NLMT có hòa lưới.