Đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán tái cấu trúc hệ thống pin mặt trời
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (5.71 MB, 170 trang )
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Ngô Ngọc Thành
ĐỀ XUẤT CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO BÀI
TOÁN TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG
Hà Nội – 2020
BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO
VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CÔNG NGHỆ VIỆT NAM
HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ
-----------------------------
Ngô Ngọc Thành
ĐỀ XUẤT CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CHO BÀI
TOÁN TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 9.52.02.16
LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
1. PGS. TSKH. Phạm Thượng Cát
2. GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang
Hà Nội – 2020
ii
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các kết quả
được viết chung với các tác giả khác đều được sự đồng ý của đồng tác giả trước khi
đưa vào luận án. Các kết quả trong luận án là trung thực và chưa từng được công bố
trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận án
Ngô Ngọc Thành
iii
LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, Tôi xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Học viện Khoa học
và Công nghệ, Viện Công nghệ thông tin - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ
Việt Nam, phòng Công nghệ tự động hóa đã tạo điều kiện thuận lợi trong quá trình
học tập, nghiên cứu.
Tôi xin được bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc tới người thầy quá cố
PGS.TSKH.Phạm Thượng Cát và thầy hướng dẫn GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang,
hai thầy đã định hướng và tận tình hướng dẫn để tôi có thể hoàn thành luận án.
Tôi xin cảm ơn các cán bộ Phòng Công nghệ Tự động hóa – Viện Công nghệ
thông tin, các đồng nghiệp thuộc khoa Công nghệ thông tin, khoa Kỹ thuật điều
khiển tự động hóa, khoa Kỹ Thuật Điện và Ban Giám hiệu trường Đại học Điện lực
đã động viên và trao đổi kinh nghiệm trong quá trình hoàn thành luận án.
Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, người thân, các bạn đồng
nghiệp những người luôn dành cho tôi những tình cảm nồng ấm, luôn động viên và
sẻ chia những lúc khó khăn trong cuộc sống và tạo điều kiện tốt nhất để tôi có thể
hoàn thành quá trình nghiên cứu.
Hà Nội, ngày 8 tháng 7 năm 2020
Tác giả luận án
Ngô Ngọc Thành
iv
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................................................. iii
LỜI CẢM ƠN......................................................................................................................................... iv
MỤC LỤC................................................................................................................................................. v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT................................................................... vii
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ............................................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG BIỂU................................................................................................................ xv
MỞ ĐẦU................................................................................................................................................... 1
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................................................................................................................................... 8
1.1
Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời................................................................... 8
1.1.1
Năng lượng mặt trời..................................................................................................... 8
1.1.2
Bức xạ mặt trời............................................................................................................. 9
1.1.3
Điện mặt trời............................................................................................................... 10
1.1.4
Các cấu trúc kết nối TPQĐ...................................................................................... 18
1.1.5
Cấu trúc cơ bản của hệ thống NLMT hòa lưới có kho điện............................. 22
1.1.6
Các cấu trúc kết nối TPQĐ và bộ chuyển đổi..................................................... 24
1.2
Tổng quan chiến lược tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT trong điều
kiện bị che phủ một phần................................................................................................................ 28
1.2.1
Ảnh hưởng của che phủ một phần......................................................................... 28
1.2.2
Các kỹ thuật để giảm thiểu suy giảm công suất do che phủ một phần..........30
1.2.3
Phương pháp tái cấu trúc cho mạch kết nối TCT............................................... 32
1.2.4
Phương pháp tái cấu trúc cho mạch kết nối SP................................................... 48
1.2.5
So sánh các phương pháp đã trình bày.................................................................. 52
1.2.6
Định hướng nghiên cứu............................................................................................ 53
1.3
Kết luận chương 1............................................................................................................... 55
CHƯƠNG 2:
2.1
KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU............................... 56
Khái quát về bài toán điều khiển tối ưu......................................................................... 56
2.1.1
Điều khiển tối ưu tĩnh............................................................................................... 57
2.1.2
Điều khiển tối ưu động............................................................................................. 58
2.2
Thiết lập bài toán điều khiển tối ưu................................................................................ 59
2.2.1
Cấu trúc điều khiển trong hệ thống NLMT......................................................... 59
2.2.2
Bộ tái cấu trúc............................................................................................................. 62
2.2.3
Đề xuất hệ thống điều khiển.................................................................................... 64
2.2.4
Đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu................................................................ 65
v
2.3
Một số bài toán tối ưu sử dụng trong luận án ...................................................... 66
2.3.1
Bài toán Subset sum problem ...................................................................... 66
2.3.2
2.4
Bài toán Munkres' Assignment Algorithm .................................................. 68
Kết luận chương 2 ............................................................................................... 77
CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG SÁCH LƯỢC TÁI CẤU TRÚC HỆ DỰA TRÊN BÀI
TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU ........................................................................................... 78
3.1
Chiến lược cân bằng bức xạ với mạch kết nối TCT ............................................ 78
3.2
Đo dòng điện, điện áp các TPQĐ ........................................................................ 81
3.3
Ước tính bức xạ mặt trời ..................................................................................... 82
3.4
Đề xuất mô hình toán và 02 thuật toán cho bài toán tìm kiếm cấu hình cân bằng
bức xạ 83
3.4.1
Xây dựng mô hình toán ............................................................................... 83
3.4.2
Thuật toán quy hoạch động (Dynamic programming) ................................ 85
3.4.3
Thuật toán SmartChoice .............................................................................. 92
3.5
Đề xuất mô hình toán và 02 thuật toán bài toán lựa chọn phương pháp chuyển
mạch tối ưu ...................................................................................................................... 98
3.5.1
Giới thiệu ma trận chuyển mạch (Dynamic Electrical Scheme) ................. 98
3.5.2
Đề xuất mô hình toán ................................................................................ 103
3.5.3
Phương pháp tìm kiếm cấu hình với số lần chuyển mạch là ít nhất sử dụng
MAA 107
3.5.4
Phương pháp cân bằng số lần đóng mở khóa của ma trận chuyển mạch sử
dụng MAA cải tiến .................................................................................................... 112
3.6
Kết luận chương 3 ............................................................................................. 119
CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM ......................................................
4.1
121
Mô phỏng ........................................................................................................... 121
4.1.1
Mô phỏng đánh giá hiệu quả phương pháp lựa chọn cấu hình cân bằng bức
xạ
121
4.1.2
Mô phỏng và đánh giá hiệu quả phương pháp lựa chọn phương pháp chuyển
mạch tối ưu. ............................................................................................................... 130
4.2
Thực nghiệm ...................................................................................................... 132
4.2.1
Bộ tái cấu trúc các tấm pin quang điện ...................................................... 132
4.2.2
Các thành phần bộ tái cấu trúc .................................................................. 133
4.2.3
Kết quả thực nghiệm ................................................................................. 135
4.3
Kết luận chương 4 ............................................................................................. 139
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ........................................................................................... 141
DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ......................................................... 143
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 145
vi
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
Danh mục chữ viết tắt
Ký hiệu
Tiếng anh
Tiếng việt
AC
Alternating current
Điện xoay chiều
BL
Bridge-Link
Mạch bắc cầu
CT
Publications
Công trình công bố
DC
Direct current
Điện 1 chiều
DES
Dynamic Electrical Scheme
Ma trận chuyển mạch
động
Concentrated solar power
Điện mặt trời tập trung
Dynamic programming
Quy hoạch động
Object control
Đối tượng điều khiển
EI
Equalization index
Chỉ số cân bằng
HC
Honey-Comb
Mạch tổ ong
I-V
Current-Voltage
Dòng điện - Điện áp
ĐMTTT
DP
ĐTĐK
MAA
Munkres'
Algorithm
Assignment Thuật toán phân việc
Munkres
MPP
Maximum Power Point
Điểm làm việc cực đại
MPPT
Maximum
Tracking
NLMT
Solar power
Năng lượng mặt trời
P-V
Power-Voltage
Công suất - Điện áp
SC
SmartChoice
Lựa chọn thông minh
SP
Serries-Parallel
Mạch nối tiếp-song song
TBĐK
Device control
Thiết bị điều khiển
TBQĐ
Photovoltaic cells
Tế bào quang điện
TCT
Total-Cross-Tied
Mạch song song-nối tiếp
Photovoltaic panel
Tấm pin quang điện
Ultraviolet
Tia cực tím
TPQĐ
UV
Power
Point Theo dõi điểm làm việc
cực đại
vii
Danh mục ký hiệu
Ký hiệu
Đơn vị
tính
Ý nghĩa
A
Mảng giá trị các phần tử
Ad
Hệ số chất lượng của điốt
As
Tập đồ vật
avg
W/m2
Giá trị trung bình tổng bức xạ mặt trời tại các hàng
C
Ma trận chi phí
c
Khả năng chịu trọng lượng của ba lô
CiMjM
Chi phí khi giao công nhân iM thực hiện công việc jM
EI
Chỉ số cân bằng
G
Ma trận bức xạ mặt trời
g
Tổng số tấm pin quang điện
G_OP
Ma trận bức xạ mặt trời sau khi cân bằng bức xạ
Gi
W/m2
Tổng mức độ chiếu sáng của hàng i
Gij
W/m2
Giá trị chiếu sáng của tấm pin quang điện thuộc hàng
i và cột j
GS
Bức xạ mặt trời TPQĐ tính toán
GSTC
I
giá trị bức xạ mặt trời ở điều kiện tiêu chuẩn
(1000W/m2)
A
Dòng điện
i
Chỉ số hàng
I0
Dòng bão hòa
ik
Chỉ số hàng trong ma trận S
IL
Dòng quang điện
iM
Chỉ số công nhân
IMPP
A
Iout
ISC
Dòng điện tại điểm PMPP
Dòng điện tổng các TPQĐ trong mạch nối tiếp/song
song
A
Dòng ngắn mạch
Dòng điện tạo ra bởi TBQĐ tại điều kiện tiêu chuẩn
!
"#$%
viii
j
Chỉ số cột
jM
Chỉ số công việc
k
Hằng số Bolzamann
m
Số hàng
m-throw
Số hàng trong mạch TCT tối ưu
mAS
Số lượng đồ vật chọn từ 1..mAS có giá trị tối ưu bằng
giới hạn trọng lượng khi chọn các phần tử từ 1..mAS
(MImin)step k
Số lần đóng mở khoá ít nhất cho lần tái cấu trúc thứ
stepk
MIstepk
Số lần đóng mở khóa tại lần tái cấu trúc thứ stepk
n
Số cột
n_opi
Số lượng phần tử tại hàng i của ma trận G_OP
nAS
Số đồ vật
NCi
Số lượng cấu hình có thể sản xuất dòng DC khác
nhau trong mạch TCT
ni
Số TPQĐ kết nối song song thuộc hàng thứ i
nM
Số công nhân, công việc
np
Số TBQĐ mắc song song
NPV
Tổng số TPQĐ trong mạch TCT
Nrowmax
Số hàng lớn nhất có thể tái cấu trúc trong mạch TCT
Nrowmin
Số hàng nhỏ nhất có thể tái cấu trúc trong mạch TCT
Nrows
Số hàng trong mạch TCT sau khi tái cấu trúc
ns
Số TBQĐ mắc nối tiếp
NSW
P
Pout
Số lượng các thiết bị chuyển mạch
W
Công suất
Công suất tổng các TPQĐ trong mạch nối tiếp/song
song
q
Điện tích electron
Q
Mảng các khóa đơn
RS
Điện trở nối tiếp
RSH
Điện trở song song
ix
S
Ma trận số lần đóng mở khóa của các khóa kép
SG
Tổng bức xạ mặt trời của toàn hệ thống
SI
Chỉ số cân bằng của ma trận S
Sij
Số lần đóng mở khóa tại hàng i, cột j trong DES
stepk
Số lần tái cấu trúc
T
Nhiệt độ tuyệt đối
Tc
Nhiệt độ của TBQĐ
Nhiệt độ tại điều kiện tiêu chuẩn (298.15 K)
&'()'
V
V
Điện áp của TBQĐ
VMPP
V
Điện áp tại điểm MPP
VOC
V
Điện áp mở mạch
Vout
Điện áp tổng các TPQĐ trong mạch nối tiếp/song
song
wj
Trọng lượng đồ vật thứ j
xj
Bằng 1 hoặc 0 thể hiện khả năng có hay không chọn
vật j đặt vòa balo.
*+,-,
Bằng 1 hoặc 0 thể hiện khả năng có hay không công
nhân iM làm việc jM
z
Giá trị lớn nhất trọng lượng có thể đặt trong balo
zP
Số các TPQĐ đổi vị trí trong 01 lần tái cấu trúc
e
Sai số cho phép
Hệ số nhiệt độ dòng ngắn mạch
.
/01
x
DANH MỤC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình 1-1. Quang phổ của bức xạ mặt trời trong không gian (màu đỏ) và trên trái đất (màu
xanh) [11] .............................................................................................................................. 9
Hình 1-2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái đất [12] .... 10
Hình 1-3. Hiệu ứng quang điện [13] ................................................................................... 11
Hình 1-4. Đặc tính Dòng điện - Điện áp (I-V) và Công suất - Điện áp (P-V) của tế bào
quang điện [14] .................................................................................................................... 12
Hình 1-5. Ảnh hưởng của ánh sáng mặt trời đến đường cong đặc tính dòng điện - điện áp
[15] ...................................................................................................................................... 13
Hình 1-6. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến đường cong đặc tính dòng điện - điện áp [15] ..... 13
Hình 1-7. Mạch điện của tế bào quang điện [16] ................................................................ 14
Hình 1-8. Điểm công suất cực đại (MPP) trong biểu đồ đặc tính dòng điện - điện áp của
TBQĐ [19] ........................................................................................................................... 16
Hình 1-9. Chân anode và cathode của điốt [20] .................................................................. 16
Hình 1-10. Vị trí điốt nối tắt và điốt chặn trong kết nối TPQĐ [21] ................................... 17
Hình 1-11. Các TPQĐ trong mạch kết nối song song ......................................................... 18
Hình 1-12. Các TPQĐ trong mạch kết nối nối tiếp ............................................................. 19
Hình 1-13. Các cấu trúc kết nối của TPQĐ [22] ................................................................. 21
Hình 1-14. Mô hình căn bản của hệ thống NLMT .............................................................. 22
Hình 1-15. Đỉnh cực đại cục bộ và đỉnh cực đại toàn cục ................................................... 24
Hình 1-16. Bộ chuyển đổi trung tâm [27] ........................................................................... 25
Hình 1-17. Bộ chuyển đổi nối tiếp [27] ............................................................................... 26
Hình 1-18. Bộ chuyển đổi kết hợp nối tiếp - trung tâm [27] ............................................... 27
Hình 1-19. Bộ chuyển đổi tích hợp [27] ............................................................................. 27
Hình 1-20. Tấm pin quang điện bị che phủ [28] ................................................................. 28
Hình 1-21. Suy giảm công suất làm việc của hệ thống NLMT khi bị che phủ một phần [5]
............................................................................................................................................. 30
Hình 1-22. Một ví dụ về phương pháp cân bằng bức xạ: a) trước khi tái cấu trúc, các hàng
có tổng mức bức xạ khác nhau; b) sau khi tái cấu trúc, thay đổi vị trí một số tấm pin, các
hàng có tổng bức xạ bằng nhau [44] ................................................................................... 33
Hình 1-23. Một số cấu hình không làm thay đổi cấu hình vật lý sản xuất dòng điện DC của
hệ thống [44] ........................................................................................................................ 34
Hình 1-24. (a) Sơ đồ mạch điện đấu nối các tấm pin trong hệ thống 3x3; (b) mô hình mthrow switches [44] ............................................................................................................. 35
xi
Hình 1-25. (a) Cấu trúc DES cho 6 tấm pin mặt trời; (b) ma trận không đối xứng [47] ..... 37
Hình 1-26. Ví dụ minh họa thuật toán sắp xếp phân cấp và lặp [48] .................................. 41
Hình 1-27. (a) Hệ thống 4x4 TPQĐ, (b-c-d) chuyển mạch 2 cực, 2 vị trí (Double Pole
Double Throw - DPDT) cho các TPQĐ [49]. ...................................................................... 42
Hình 1-28. Thuật toán Best-Worst: (a) Cấu hình ban đầu, (b) Giá trị bức xạ mặt trời, (c)
Sắp xếp tìm cấu hình kết nối cân bằng bức xạ, (d) thay đổi cấu trúc kết nối dựa theo (c)
[49] ...................................................................................................................................... 43
Hình 1-29. Ma trận chuyển mạch sử dụng bởi Jazayeri [51] ............................................. 44
Hình 1-30. (a) Ma trận bức xạ mặt trời ban đầu, (b) Tách hàng 1 và hàng 4 của ma trận ban
đầu, (c) Sắp xếp lại vị trí kết nối, (d) Thay đổi kết nối hàng 1 và hàng 4, (e) Cấu trúc kết
nối cuối cùng [51]. ............................................................................................................... 45
Hình 1-31. Hệ thống đề xuất với phần TPQĐ kết nối cố định và TPQĐ kết nối động ....... 46
Hình 1-32. Ví dụ hệ thống NLMT với khác biệt bức xạ mặt trời ....................................... 47
Hình 1-33. Thuật toán tham lam tìm cấu hình Cân bằng bức xạ ......................................... 47
Hình 1-34. Cấu tạo Ma trận chuyển đổi linh hoạt trong mảng FSM [53] ........................... 49
Hình 1-35. Phương thức kết nối các tấm pin mặt trời của phương pháp kết nối theo nhóm
bức xạ [54] ........................................................................................................................... 51
Hình 2-1. Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời ..................... 61
Hình 2-2. Tái cấu trúc các tấm pin: (a) Cấu hình kết nối TCT, (b) Ma trận chuyển mạch,
(c) Sơ đồ kết nối động nhờ ma trận chuyển mạch ............................................................... 62
Hình 2-3. Bộ tái cấu trúc trong hệ thống NLMT hòa lưới có dự trữ ................................... 63
Hình 2-4. Các thành phần trong bộ tái cấu trúc (CT1) ........................................................ 64
Hình 2-5. Hệ thống điều khiển hở cho Bộ tái cấu trúc ........................................................ 64
Hình 2-6. Lưu đồ phương pháp điều khiển tối ưu áp dụng trong bộ tái cấu trúc ................ 65
Hình 2-7. Ma trận chi phí C dạng tổng quát ........................................................................ 68
Hình 2-8. Lưu đồ thuật toán phương pháp hungari ............................................................. 71
Hình 3-1. Ví dụ cân bằng bức xạ: (a) trước khi cân bằng, (b) sau khi cân bằng. Biểu đồ
công suất: (c) trước khi cân bằng với hiện tượng misleading, (d) sau khi cân bằng không
còn hiện tượng misleading (CT1) ....................................................................................... 79
Hình 3-2. Mạch đo dòng điện, điện áp các TPQĐ .............................................................. 81
Hình 3-3. Mạch kết nối TCT tổng quát ............................................................................... 83
Hình 3-4. Lưu đồ phương pháp áp dụng thuật toán Quy hoạch động trong bài toán tìm ma
trận cân bằng bức xạ ............................................................................................................ 86
Hình 3-5. Hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất ............................ 88
Hình 3-6. Ma trận bức xạ mặt trời G (W/m2) ...................................................................... 88
xii
Hình 3-7. Sắp xếp lại ma trận G........................................................................................................ 89
Hình 3-8. Mảng giá trị A gồm các phần tử của ma trận G........................................................... 89
Hình 3-9. Hàng đầu tiên của ma trận G_OP................................................................................... 89
Hình 3-10. Mảng giá trị A sau khi xóa một số phần tử................................................................. 89
Hình 3-11. Mảng giá trị A sau khi sắp xếp lại................................................................................ 90
Hình 3-12. Ma trận cân bằng bức xạ G_OP.................................................................................... 90
Hình 3-13. Cấu hình kết nối hệ thống NLMT cân bằng bức xạ tương ứng với ma trận
G_OP........................................................................................................................................................ 90
Hình 3-14. Ví dụ thuật toán BWSA [48]......................................................................................... 92
Hình 3-15. Lưu đồ phương pháp áp dụng thuật toán SC trong bài toán tìm cấu hình cân
bằng bức xạ............................................................................................................................................. 93
Hình 3-16. Hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng không đồng nhất.............................. 95
2
Hình 3-17. Ma trận bức xạ mặt trời G (W/m )............................................................................... 95
Hình 3-18. Mảng giá trị A gồm các phần tử của ma trận G......................................................... 95
Hình 3-19. Mảng giá trị A gồm các phần tử của ma trận G sau khi sắp xếp........................... 96
Hình 3-20. Từng bước sắp xếp phần tử từ mảng giá trị A vào ma trận G_OP........................ 96
Hình 3-21. Ma trận cân bằng bức xạ G_OP.................................................................................... 96
Hình 3-22. Cấu hình kết nối hệ thống NLMT cân bằng bức xạ tương ứng với ma trận
G_OP........................................................................................................................................................ 97
Hình 3-23. Ví dụ về thuật toán cân bằng bức xạ DP..................................................................... 98
Hình 3-24. Ví dụ về thuật toán cân bằng bức xạ SC..................................................................... 98
Hình 3-25. Ma trận chuyển mạch DES [47]................................................................................. 100
Hình 3-26. Ma trận chuyển mạch (b-d) tương ứng với cấu trúc kết nối (a-c)......................101
Hình 3-27. Ma trận chuyển mạch DES tổng quát cho g tấm pin quang điện, m mạch song
song........................................................................................................................................................ 101
Hình 3-28. Mảng Q và ma trận S thể hiện số lần đóng mở Khóa của ma trận chuyển mạch
102
Hình 3-29. Ví dụ về cùng cấu hình cân bằng bức xạ nhưng có số lần chuyển mạch khác
nhau........................................................................................................................................................ 103
Hình 3-30. Ví dụ về tìm kiếm cấu hình kết nối cân bằng bức xạ............................................ 107
Hình 3-31. Số liệu thay đổi vị trí kết nối của tấm pin quang điện........................................... 107
Hình 3-32. Ví dụ về tìm kiếm cấu hình kết nối cân bằng bức xạ............................................ 111
Hình 3-33. Số liệu thay đổi vị trí kết nối của tấm pin quang điện........................................... 111
Hình 3-34. Ma trận chi phí C dạng tổng quát............................................................................... 112
Hình 3-35. Ma trận S số lần đóng mở khóa tại stepk-1 = 1999............................................... 116
xiii
Hình 3-36. Ma trận S số lần đóng mở khóa tại stepk bằng phương pháp MAA..................117
Hình 3-37. Ma trận S số lần đóng mở khóa tại bước k bằng phương pháp MAA cải tiến 119
Hình 4-1. Mô phỏng hoạt động hệ thống NLMT bằng Matlab-Simulink............................. 122
Hình 4-2. Lưu đồ hoạt động hệ thống............................................................................................ 122
Hình 4-3. Bộ tham số cơ bản của TPQĐ tại điều kiện tiêu chuẩn........................................... 123
Hình 4-4. Sơ đồ thiết kế ma trận chuyển mạch DES cho 9 TPQĐ.......................................... 124
Hình 4-5. Sơ đồ kết nối ma trận chuyển mạch DES cho 9 TPQĐ trên Matlab-Simulink . 124
Hình 4-6. Ví dụ về dữ liệu đầu vào cho bộ mô phỏng............................................................... 126
Hình 4-7. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d)..........127
Hình 4-8. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d)..........128
Hình 4-9. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d)..........129
Hình 4-10. Dữ liệu mô phỏng hệ thống NLMT trong điều kiện hoạt động bị che phủ một
phần: (a) Hệ thống NLMT; (b) Bức xạ mặt trời của từng TPQĐ dưới điều kiện che phủ
một phần................................................................................................................................................ 130
Hình 4-11. Giao diện phần mềm mô phỏng hoạt động của bộ tái cấu trúc........................... 131
Hình 4-12. Biểu đồ so sánh số lần đóng mở Khóa của các khóa trong DES: (a) Sử dụng
phương pháp MAA; (b) Sử dụng phương pháp MAA cải tiến................................................. 132
Hình 4-13. Sơ đồ tổng quan kết nối Bộ tái cấu trúc.................................................................... 133
Hình 4-14. Thiết kế tổng thể giải pháp.......................................................................................... 134
Hình 4-15. Hệ thống NLMT với bộ tái cấu trúc: a) bình thường; b) Che phủ 1 phần; c) sau
khi tái cấu trúc..................................................................................................................................... 135
Hình 4-16. Kết nối các TPQĐ trước khi tái cấu trúc (a) và sau khi tái cấu trúc (b)............136
Hình 4-17. Mạch tái cấu trúc............................................................................................................ 136
Hình 4-18. Mạch đo dòng điện, điện áp từng TPQĐ.................................................................. 136
Hình 4-19. Biểu đồ so sánh công suất hệ thống NLMT trước và sau khi tái cấu trúc trong
11 trường hợp....................................................................................................................................... 139
xiv
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 1-1. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Guillermo VelascoQuesada và các cộng sự....................................................................................................................... 36
Bảng 1-2. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Pietro Romano và
các cộng sự.............................................................................................................................................. 40
Bảng 1-3. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Wilson và các cộng
sự............................................................................................................................................................... 41
Bảng 1-4. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Matam và các cộng
sự............................................................................................................................................................... 43
Bảng 1-5. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Jazayeri và các cộng
sự............................................................................................................................................................... 45
Bảng 1-6. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Mahmoud và các
cộng sự..................................................................................................................................................... 48
Bảng 1-7. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi Alahmad và các
cộng sự..................................................................................................................................................... 50
Bảng 1-8. Tóm tắt đặc điểm chính của phương pháp được đề xuất bởi B. Patnaik và các
cộng sự..................................................................................................................................................... 52
Bảng 1-9. So sánh các thuật toán cân bằng bức xạ sử dụng mạch kết nối TCT [57]............54
Bảng 4-1. Thông số định mức TPQĐ Schüco International KG MPE 240 PS 04...............127
0
Bảng 4-2. Công suất định mức TPQĐ ở điều kiện tiêu chuẩn 25 C....................................... 135
Bảng 4-3. Bảng so sánh hoạt động của bộ tái cấu trúc tối ưu hệ thống NLMT trong 11
trường hợp............................................................................................................................................ 138
xv
MỞ ĐẦU
1. 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].
2
2. 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.
3. 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.
4. 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.
5. 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.
6. 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.
7. 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. Đề xuất hệ thống điều khiển và
thuật toán điều khiển tối ưu sử dụng trong thiết bị tái cấu trúc.
Chương 3: Xây dựng sách lược tái cấu trúc hệ sử dụng lý thuyết điều
khiển tối ưu
Trong chương 3, tác giả phân tích chiến lược cân bằng bức xạ với mạch
kết nối TCT. Phần tiếp theo, tác giả đề xuất mô hình toán và hai thuật toán cho
bài toán lựa chọn cấu hình cân bằng bức xạ; đề xuất mô hình toán và hai thuật
6
toán cho bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu. Mỗi thuật toán
đều được chứng minh tính đúng đắn so với mô hình toán đề xuất, so sánh với
các thuật toán của tác giả khác đã công bố.
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm
Trong chương này tác giả trình bày các kết quả mô phỏng sử dụng công
cụ Matlab Simulink, đánh giá và so sánh chất lượng thuật toán đề xuất ở
chương 3 với các nghiên cứu khác, chứng minh các ưu điểm của phương pháp
đề xuất so với các phương pháp khác.
Thực nghiệm xây dựng bộ tái cấu trúc các tấm pin quang điện, đánh giá
khả năng áp dụng nghiên cứu trên các hệ thống NLMT thật.
7
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 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.
Chiến lược tăng hiệu suất làm việc cho hệ thống NLMT trong điều kiện
bị che phủ 1 phần được tác giả phân tích và công bố tại (CT1..4).
1.1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.1.1 Năng lượng mặt trời
Mặt trời là ngôi sao ở trung tâm hệ mặt trời, chiếm khoảng 99,86% khối
lượng của hệ mặt trời. Trái đất và các thiên thể khác như các hành tinh, tiểu hành
tinh, thiên thạch, sao chổi, và bụi quay quanh mặt trời. Khoảng cách trung bình
giữa mặt trời và trái đất xấp xỉ 149,6 triệu kilômét (1 đơn vị thiên văn AU) nên
ánh sáng mặt trời cần 8 phút 19 giây mới đến được trái đất. Năng lượng mặt trời
ở
dạng ánh sáng hỗ trợ cho hầu hết sự sống trên trái đất thông qua quá trình
quang hợp, và điều khiển khí hậu cũng như thời tiết trên trái đất. Thành phần
của mặt trời gồm hydro (khoảng 74% khối lượng, hay 92% thể tích), heli
(khoảng 24% khối lượng, 7% thể tích), và một lượng nhỏ các nguyên tố khác,
gồm sắt, nickel, oxy, silic, lưu huỳnh, magiê, carbon, neon, canxi, và crom. Mặt
trời có có nhiệt độ bề mặt xấp xỉ 5.778 K (5.505°C). Quang phổ của bức xạ mặt
trời ở trong không gian và ở trên trái đất thể hiện trong Hình 1-1.
8
Hình 1-1. Quang phổ của bức xạ mặt trời trong không gian (màu đỏ) và trên
trái đất (màu xanh) [11]
1.1.2 Bức xạ mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời mỗi vòng mất 365.2 ngày, tại một thời
điểm một nửa trái đất được chiếu sáng bởi mặt trời. Khi bức xạ mặt trời chiếu
vào bầu khí quyển của trái đất, bầu khí quyển sẽ hấp thu tia cực tím (UV) và tia
hồng ngoại, chỉ cho phép bức xạ mặt trời có bước sóng dao động từ 0.29 μm
and 2.3 μm đi qua.
Bức xạ mặt trời là năng lượng mặt trời nhận được trên diện tích bề mặt
đơn vị được tính bằng Watt/m2. Phần năng lượng bức xạ mặt trời truyền tới bề
mặt trái đất trong những ngày quang đãng ở thời điểm cao nhất vào khoảng
1.000W/m2 (Hình 1-2). Yếu tố cơ bản xác định cường độ của bức xạ mặt trời ở
một điểm nào đó trên Trái đất là quãng đường nó đi qua. Sự mất mát năng
lượng trên quãng đường đó gắn liền với sự tán xạ, hấp thụ bức xạ và phụ thuộc
vào thời gian trong ngày, mùa, vị trí địa lý.
9
Hình 1-2. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển trái
đất [12]
1.1.3 Điện mặt trời
Điện mặt trời là việc chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành
điện năng, chuyển đổi trực tiếp bằng cách sử dụng tấm pin quang điện (TPQĐ),
chuyển đổi gián tiếp bằng cách sử dụng điện mặt trời tập trung (ĐMTTT).
Hệ thống ĐMTTT sử dụng ống kính, gương và các hệ thống theo dõi để tập
trung một khu vực rộng lớn của ánh sáng mặt trời vào một chùm nhỏ. TPQĐ
chuyển đổi ánh sáng thành dòng điện bằng cách sử dụng hiệu ứng quang điện.
Nhiệt tập trung sau đó được sử dụng như một nguồn năng lượng cho một nhà máy
điện thông thường. Các nhà máy ĐMTTT thương mại được phát triển đầu tiên vào
những năm 1980, CSP SEGS354MW là nhà máy ĐMTTT lớn nhất trên thế giới và
nằm ở sa mạc Mojave của California. Các nhà máy ĐMTTT lớn khác bao gồm
Nhà máy điện mặt trời Solnova (150 MW) và Nhà máy điện mặt trời
10
