Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kỹ thuật điện, Điện tử và viễn thông: Đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán tái cấu trúc hệ thống pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM KHOA HỌC
VÀ CƠNG NGHỆ VIỆT NAM

HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ
-----------------------------

Ngơ 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

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN, ĐIỆN TỬ & VIỄN THÔNG

Hà Nội – 2020


Công trình được hoàn thành tại: Học viện Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn
lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam

PGS. TSKH. Phạm Thượng Cát

Người hướng dẫn khoa học:

GS.TSKH. Nguyễn Phùng Quang

Phản biện 1:

Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án tiến sĩ, họp tại Học viện
Khoa học và Công nghệ - Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam vào
hồi ... giờ , ngày ... tháng ... năm ...

Có thể tìm hiểu luận án tại:
- Thư viện Học viện Khoa học và Công nghệ
- Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
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 đồng nhất do hiện tượng che phủ một
phần. Khi bị che phủ một phần, công suất hệ thống đã sụt giảm rõ rệt, ngồi ra cịn xảy ra hiện
tượng Misleading (hiện tượng nhầm lẫn do có nhiều điểm làm việc cho công suất cực đại).
Một lĩnh vực nghiên cứu mũi nhọn là phát triển chiến lược tái cấu trúc hệ thống NLMT dựa
trên phương pháp cân bằng bức xạ, việc tái cấu trúc hệ thống NLMT chính là việc sắp xếp
lại mạch kết nối của các tấm pin quang điện nhằm mục đích tăng cơng suất đầu ra và bảo vệ
thiết bị khi hệ thống NLMT làm việc trong điều kiện ánh sáng khơng đồng nhất.
Do đó, luận án chọn đề tài "Đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu cho bài toán tái cấu
trúc hệ thống pin mặt trời" nhằm góp phần giải quyết các vấn đề trong chiến lược tái cấu
trúc hệ thống NLMT.
2. Mục tiêu và nhiệm vụ của luận án
✓ Xây dựng mô hình tốn, đề xuất áp dụng thuật tốn cho bài tốn tìm kiếm cấu hình cân
bằng bức xạ hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng nhất.
✓ Xây dựng mơ hình tốn, đề xuất áp dụng thuật tốn 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.

3. Phạm vi nghiên cứu
✓ Nghiên cứu phía nguồn sơ cấp, kết nối các tấm pin quang điện sử dụng mạch kết nối TCT.
✓ Chưa xét đến các ràng buộc về chi phí sản xuất thiết bị, tính kinh tế khi áp dụng thực tiễn.
4. Điểm mới của luận án
✓ Xây dựng mơ hình tốn, áp dụng thuật toán Dynamic programming (DP) và đề xuất thuật
toán Smartchoice (SC) cho bài tốn 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 mơ hình tốn, áp dụng thuật tốn Munkres assignment algorithm (MAA) và đề
xuất thuật toán MAA cải tiến cho bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu nhằm
mục đích kéo dài tuổi thọ của ma trận chuyển mạch trong hệ thống NLM.
✓ 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 tốn phục vụ minh chứng các phương pháp mới
của luận án.
5. 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.
Chương 2: Khái quát về lý thuyết điều khiển tối ưu
Chương 3: Xây dựng sách lược tái cấu trúc hệ sử dụng lý thuyết điều khiển tối ưu
Chương 4: Mô phỏng và thực nghiệm

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
1.1 Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời
1.1.3 Điện mặt trời

Điện mặt trời là việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện, hoặc trực tiếp bằng cách sử
dụng tấm pin quang điện (TPQĐ), hoặc gián tiếp thông qua nhiệt năng bằng cách sử dụng
điện mặt trời tập trung (ĐMTTT).
1.1.4 Các cấu trúc kết nối TPQĐ
Về cơ bản 2 chuẩn kết nối chính cho các TPQĐ là kết nối nối tiếp và song song. Ưu điểm
của mạch kết nối song song là dòng điện là dòng điện tổng của các TPQĐ, nhược điểm của
mạch kết nối song song là điện áp bằng điện áp nhỏ nhất của các TPQĐ. Ưu điểm của mạch
kết nối nối tiếp là điện áp là điện áp tổng của các TPQĐ, nhược điểm của mạch kết nối nối
tiếp là dòng điện bằng dòng điện nhỏ nhất của các TPQĐ.
Hình 1-13 giới thiệu 6 phương pháp kết nối khác nhau của TPQĐ thường được sử dụng.
Mặc dù rất nhiều cấu trúc kết nối đặc biệt với nhiều ưu điểm được nghiên cứu và áp dụng,
song giải pháp được khai thác phổ biến nhất hiện nay trong thực tế vẫn là mạch kết nối SP
Hình 1-13c và TCT Hình 1-13d.

Hình 1-13. Các cấu trúc kết nối của TPQĐ; (a) Series array; (b) Parallel array; (c) Series-Parallel array (SP); (d)
Total-Cross-Tied array (TCT); (e) Bridge-Link array; (f) Honey-Comb array

1.1.5 Cấu trúc cơ bản của hệ thống NLMT hịa lưới có kho điện
Bao gồm ba thành phần chính: mảng kết nối các TPQĐ, bộ biến đổi điện và tải (tải cục bộ
hoặc lưới điện). Ngồi ra, có thể sử dụng thêm ắc quy để lưu trữ và ổn định điện năng.
1.2 Tổng quan chiến lược tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT trong điều kiện
bị che phủ một phần
1.2.1 Ảnh hưởng của che phủ một phần
Ảnh hưởng của hệ hống NLMT khi bị che phủ làm giảm công suất được thể hiện trong Hình
1-21. Khi bị che phủ một phần, cơng suất hệ thống đã giảm rõ rệt, ngồi ra còn xảy ra hiện
tượng misleading - hiện tượng nhầm lẫn do có q nhiều điểm làm việc cho cơng suất cực
đại - Maximum Power Point (MPP).

2

1.2.2 Các kỹ thuật để giảm thiểu suy giảm công suất do che phủ một phần
Hiện nay trên thế giới, các cơng trình
nghiên cứu để giảm thiểu tổn thất của hệ
thống NLMT được phân loại theo 3 nhóm
chính: MPP phân tán, bộ chuyển đổi đa
cấp và phương pháp tái cấu trúc hệ thống
NLMT.
Tái cấu trúc mạch kết nối các TPQĐ đã
được đề xuất đầu tiên bởi Salameh và các
cộng sự, được ứng dụng cho vận hành và
tăng tốc độ xe điện sử dụng các tấm pin
NLMT. Sherif và Boutros đề xuất mạch
tái cấu trúc cho các TPQĐ sử bóng bán Hình 1-21. Suy giảm cơng suất làm việc của hệ thống
dẫn và bộ ngắt mạch.
NLMT khi bị che phủ một phần
Nguyen và Lehman đã sử dụng mạch tái cấu trúc bên trong các TPQĐ và đề xuất 2 thuật
toán tối ưu điều khiển mạch tái cấu trúc. Velasco và các cộng sự đã ứng dụng phương pháp
Tái cấu trúc cho hệ thống nối lưới và đề xuất được Mơ hình toán học cho chúng. Tuy nhiên,
mới dừng ở mức tối ưu cục bộ, chưa đưa ra cấu hình tối ưu toàn cục. Velasco đã đề xuất chỉ
số cân bằng bức xạ EI (Equalization Index) là sự khác biệt giữa hàng có tổng chỉ số bức xạ
mặt trời cao nhất so với hàng có tổng chỉ số bức xạ mặt trời thấp nhất, cấu hình có chỉ số EI
thấp nhất chính là cấu hình tối ưu tồn cục. Cấu hình tối ưu nhất đòi hỏi chênh lệch mức độ
chiếu sáng nhận được của các TPQĐ trong mỗi mạch song song là nhỏ nhất.
1.2.5 So sánh các phương pháp đã trình bày
Các phương pháp trong chiến lược tái cấu trúc hệ thống NLMT có các ưu, nhược điểm khác
nhau, thể hiện trong Bảng 1-9 dưới đây.
Bảng 1-9. So sánh các thuật toán cân bằng bức xạ sử dụng mạch kết nối TCT
Tác giả Chiến lược Thuật toán điều khiển
VelascoQuesada

Cân bằng
bức xạ

Romano

Cân bằng
bức xạ

Storey

Cân bằng
bức xạ

Matam and Cân bằng
Barry
bức xạ
Jazayeri

Cân bằng
bức xạ

-

Số khóa
2.NPV.m-throw

Yêu cầu dữ liệu

Ghi chú

dịng điện, điện áp

phần tĩnh và phần
động

Tìm kiếm ngẫu nhiên và NSW = (2.m.NPV)DPST
bức xạ mặt trời
tìm kiếm xác định
+ (m)SPDT
Sắp xếp phân cấp và lặp
Sắp xếp theo thứ tự bức
xạ giảm dần

NSW = NPV.(m2m)SPST
24-DPST relays

Sắp xếp theo thứ tự bức
xạ giảm dần, thay đổi kết

dòng điện, điện áp

3

hỗ trợ khác biệt số
TPQĐ trong các hàng

dòng điện, điện áp, không thay đổi cấu
bức xạ mặt trời
trúc TCT ban đầu

-

bức xạ mặt trời

-

bức xạ mặt trời

nối nhóm TPQĐ

Mahmoud
Cân bằng Tham lam, áp dụng cho các
and Elbức xạ
TPQĐ thuộc phần động
Saadany

hỗ trợ khác biệt số
TPQĐ trong các hàng

hỗ trợ khác biệt số
TPQĐ trong các hàng
phần tĩnh và phần
động


1.3 Kết luận chương 1
Trong chương 1, tác giả trình bày tổng quan về hệ thống NLMT có hịa lưới bao gồm các
thành phần của hệ thống NLMT hòa lưới, mơ hình kết nối các thành phần cơ bản của hệ
thống NLMT và các cấu trúc kết nối TPQĐ. Phần 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. Tác giả đã phân tích
ưu, nhược điểm thuật tốn tối ưu của các nghiên cứu khác, bảng thống kê đặc điểm của các
phương pháp được liệt kê để có cái nhìn tổng quan đánh giá về ưu nhược điểm của các
phương pháp đã được đề xuất.
Chương 2: KHÁI QUÁT VỀ BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
2.1 Khái quát về bài toán điều khiển tối ưu
Mục đích của điều khiển tối ưu là tìm tín hiệu tối ưu u* để hàm mục tiêu Q đạt giá trị cực
đại hoặc cực tiểu. Các phương pháp cơ bản nhất của lĩnh vực điều khiển tối ưu được chia
thành hai nhóm chính: điều khiển tối ưu tĩnh và điều khiển tối ưu động.
2.2 Thiết lập bài toán điều khiển tối ưu
2.2.1 Cấu trúc mạch điều khiển trong hệ thống NLMT
Mặc dù các cấu trúc mạch lực rất đa dạng, nhưng đều có đặc điểm chung về sơ đồ khối chức
năng điều khiển ứng dụng cho pin mặt trời chỉ ra trên Hình 2-1. Trong đó, một hệ thống
điều khiển điện tử công suất cho pin mặt trời được chia làm ba cấp chức năng.

Hình 2-1. Sơ đồ khối chức năng điều khiển ĐTCS nối lưới cho pin mặt trời

Mục tiêu nghiên cứu của luận án đưa ra phương pháp tái cấu trúc kết nối các tấm pin quang
điện giúp hệ thống luôn làm việc với hiệu suất cao nhất. Tái cấu trúc kết nối các TPQĐ thể
hiện trong Hình 2-2 (CT2).

4


1

2

n1

1

n2
2

nm
m

PV Reconfiguration techniques. HANOI May 2013
(a)
(b)
(c)
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
Figure 2-7: Connection topologies
of thetrận
PV array
nhờ ma
chuyển mạch

Bộ tái cấu trúc có vị trí nằm trước inverter nhằm thay đổi kết nối của các TPQĐ, như vậy
mạch điều khiển áp dụng trong bộ tái cấu trúc thuộc điều khiển cấp 2 - cấp điều khiển đặc
trưng của pin mặt trời.
2.2.2 Bộ tái cấu trúc
14
Vị trí của bộ tái cấu trúc thể hiện trong Hình 2-3.

Bộ tái
cấu trúc

Hình 2-3. Bộ tái cấu trúc trong hệ thống NLMT hịa lưới
có dự trữ

Hình 2-4. Các thành phần trong bộ tái cấu trúc

Bộ tái cấu trúc (CT1) được mơ tả trong Hình 2-4 bao gồm thành phần chính là ma trận
chuyển mạch và bộ điều khiển. Ban đầu, bộ điều khiển có chức năng đo đếm dịng điện,
điện áp của các TPQĐ, ước tính mức độ chiếu sáng, tìm cấu hình kết nối cho cơng suất hệ
thống là cao nhất. Sau đó, bộ điều khiển ra lệnh đóng mở các khóa trong ma trận chuyển
mạch, chuyển cấu hình kết nối các TPQĐ từ cấu hình ban đầu đến cấu hình tối ưu.
2.2.3 Đề xuất Hệ thống điều khiển
Trong luận án, NCS đề xuất áp dụng hệ thống điều khiển hở để xây dựng bộ tái cấu trúc
theo lưu đồ như Hình 2-5 (CT2).

Hình 2-5. Hệ thống điều khiển hở cho Bộ tái cấu trúc

5


2.2.4 Đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu
Phương pháp điều khiển tối ưu áp
dụng trong Bộ tái cấu trúc Hình
2-6 được đề xuất (xem CT2) bao
gồm 2 bài tốn chính: bài tốn tìm
kiếm cấu hình cân bằng bức xạ và
bài toán lựa chọn phương pháp
chuyển mạch tối ưu. Dữ liệu đầu
vào của phương pháp là bức xạ
mặt trời và vị trí kết nối hiện tại
của từng TPQĐ. Kết quả đầu ra

của phương pháp là vị trí kết nối
mới của từng TPQĐ. Như vậy,
đây là bài tốn trong đó quan hệ
vào, ra và biến trạng thái của mơ
hình khơng phụ thuộc vào thời
gian, giá trị đầu ra tại một thời
điểm chỉ phụ thuộc và các giá trị
đầu vào và trạng thái tại thời điểm
đó. Phương pháp điều khiển tối ưu
tĩnh được lựa chọn áp dụng cho Hình 2-6. Lưu đồ phương pháp điều khiển tối ưu áp dụng trong bộ
tái cấu trúc
hai bài toán tối ưu trên.
2.3 Một số bài toán tối ưu sử dụng trong luận án.
2.3.1 Bài toán Subset sum problem
Bài toán Subset sum problem được Knapsack giới thiệu đầu tiên vào năm 1990. Bài toán
được phát biểu như sau: Cho tập AS có nAS đồ vật và 1 cái ba lô, với wj là trọng lượng của
đồ vật thứ j; c là khả năng chịu trọng lượng của ba lô.
Yêu cầu: Chọn một số các đồ vật gần bằng c nhất, mà không được vượt quá c.
𝑛𝐴𝑆
𝑛𝐴𝑆
Tức là tìm giá trị lớn nhất của 𝑧 = ∑𝑗=1
𝑤𝑗 𝑥𝑗 thỏa mãn điều kiện ∑𝑗=1
𝑤𝑗 𝑥𝑗 ≤ 𝑐 với 𝑥𝑗 =
1, 𝑛ế𝑢 𝑐ℎọ𝑛 đồ 𝑣ậ𝑡 𝑡ℎứ 𝑗
0, 𝑛ế𝑢 𝑘ℎô𝑛𝑔 𝑐ℎọ𝑛 đồ 𝑣ậ𝑡 𝑡ℎứ 𝑗
Tổng quát bài toán với hàm mục tiêu tối đa trọng lượng z:
0 𝑜𝑟 1, 𝑗 ∈ 𝑁 = {1, . . , 𝑛𝐴𝑆 } sao cho 𝑥𝑗 = {

𝑛𝐴𝑆

( 2-8 )

maximize z = ∑ 𝑤𝑗 𝑥𝑗
𝑗=1

Ràng buộc:

𝑛𝐴𝑆

( 2-9 )

∑ 𝑤𝑗 𝑥𝑗 ≤ 𝑐
𝑗=1

𝑗 ∈ 𝑁 = {1, . . , 𝑛𝐴𝑆 }
𝑗 ∈ 𝑁 = {1, . . , 𝑛𝐴𝑆 }

𝑥𝑗 = 0 𝑜𝑟 1,
{ 𝑤𝑗 ≥ 0

6


2.3.2 Bài tốn Munkres' Assignment Algorithm (MAA)
Bài tốn phân cơng công việc lần đầu được tác giả James Munkres đề xuất. Bài tốn được
phát biểu như sau:
Bài tốn này có nội dung như sau: Có nM cơng nhân (iM = 1, 2, ... , nM) và nM công việc (jM
= 1, 2, ... , nM). Để giao cho công nhân iM thực hiện cơng việc jM cần một chi phí CiMjM ≥ 0.
Vấn đề là cần giao cho người nào làm việc gì (mỗi người chỉ làm một việc, mỗi việc chỉ do
một người làm) sao cho chi phí tổng cộng nhỏ nhất?

Ma trận C tổng qt Hình 2-7:
Cơng nhân
Cơng việc
1
2
...
nM
1
C11
C12
𝐶1𝑛𝑀
2
C21
C22
𝐶2𝑛𝑀
...
nM
𝐶𝑛𝑀1
𝐶𝑛𝑀2
𝐶𝑛𝑀𝑛𝑀
Hình 2-7. Ma trận chi phí C dạng tổng qt

Mơ hình tốn học của bài tốn như sau:
𝑛𝑀

𝑛𝑀

( 2-14 )

𝑧𝑀 = ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑀𝑗𝑀 𝑥𝑖𝑀𝑗𝑀 → 𝑚𝑖𝑛

𝑖𝑀=1 𝑗𝑀 =1

Với các điều kiện:
𝑛
Mỗi công nhân chỉ làm một việc: ∑𝑗𝑀𝑀=1 𝑥𝑖𝑀 𝑗𝑀 = 1 , 𝑖𝑀 = 1, … , 𝑛𝑀
Mỗi việc chỉ do một công nhân làm:

∑𝑛𝑖𝑀𝑀=1 𝑥𝑖𝑀𝑗𝑀

= 1 , 𝑗𝑀 = 1, … , 𝑛𝑀

( 2-15 )
( 2-16 )

( 2-17 )
𝑥𝑖𝑀𝑗𝑀 = 0 ℎ𝑎𝑦 1 , 𝑖𝑀 = 1 , … , 𝑛𝑀 ; 𝑗𝑀 = 1 , … , 𝑛𝑀
vì có các điều kiện (2-15)(2-16) nên điều kiện (2-17) có thể thay bằng
( 2-18 )
𝑥𝑖𝑀𝑗𝑀 nguyên ≥0, iM = 1 , 2 , ... , nM ; jM = 1 , 2 , ... , nM
2.4 Kết luận chương 2
Chương 2 đã giới thiệu khái quát về bài tốn điều khiển tối ưu, từ đó đề xuất phương pháp
điều khiển tối ưu và thiết lập bài toán điều khiển tối ưu sử dụng trong luận án. Phần đầu giới
thiệu khái quát về bài toán điều khiển tối ưu, các định nghĩa, điều kiện hạn chế, phân loại
các bài toán điều khiển tối ưu. Phần tiếp theo, tác giả thiết lập bài toán điều khiển tối ưu sử
dụng trong bộ tái cấu trúc. Phần cuối cùng, tác giả trình bày hai bài toán tối ưu, làm cơ sở
để đề xuất thuật toán tối ưu cho luận án: Subset sum problem và Munkres' Assignment
Algorithm.
Việc áp dụng điều khiển tối ưu trong bài toán tái cấu trúc kết nối các tấm pin quang điện sẽ
giúp tăng hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu sáng. Tác giả đề xuất
áp dụng bài toán điều khiển tối ưu tĩnh, với hệ thống điều khiển hở để xây dựng bộ tái cấu

trúc có khả năng tác động nhanh, áp dụng được cho các hệ thống NLMT lớn.

7


Chương 3: XÂY DỰNG SÁCH LƯỢC TÁI CẤU TRÚC HỆ DỰA TRÊN BÀI
TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU
3.1 Chiến lược cân bằng bức xạ với mạch kết nối TCT
Phương pháp cân bằng bức xạ cho mạch kết nối TCT (Hình 1-13d) chính là sắp xếp lại vị
trí kết nối các TPQĐ nhằm mục đích cân bằng tổng mức độ bức xạ mặt trời tại các kết nối
song song trong mạch TCT (CT1,5).
Phương pháp cân bằng bức xạ, nâng cao hiệu suất làm việc của hệ thống NLMT có thể tổng
quát theo lưu đồ tại Hình 2-6. Phương pháp cân bằng bức xạ được thực hiện nhằm mục đích
hệ thống NLMT ln luôn hoạt động với hiệu suất là cao nhất, được thực hiện lặp đi lặp lại
trong khoảng thời gian nhất định.
3.2 Đo dịng điện, điện áp các TPQĐ
Trong q trình hoạt động, các TPQĐ được
kết nối với nhau, dòng điện, điện áp từng
TPQĐ phụ thuộc lẫn nhau như phần 1.1.4 đã
phân tích. Để có thể đo chính xác dịng điện
và điện áp tạo bởi mỗi TPQĐ làm cơ sở ước
tính bức xạ mặt trời nhận được bởi mỗi TPQĐ
là một thách thức lớn. Trong luận án này, tác
giả sử dụng phương pháp đo như Hình 3-2 (ví
Hình 3-2. Mạch đo dòng điện, điện áp các TPQĐ
dụ mạch đo cho 4 TPQĐ) (CT9).
3.3 Ước tính bức xạ mặt trời
Sau khi đo được dòng điện và điện áp tại mỗi TPQĐ, áp dụng cơng thức tính bức xạ mặt
trời (3-1) của mỗi TPQĐ.
𝐺𝑆 =

𝐺𝑆𝑇𝐶
𝐼𝐿𝑆𝑇𝐶 + 𝜇1𝑠𝑐 (𝑇𝑐 − 𝑇𝐶 𝑆𝑇𝐶 )

[𝐼 + 𝐼0 (𝑒

𝑉+𝐼𝑅𝑆
𝑇
𝑛𝑆𝐴𝑑 𝑘 𝑞𝑐

− 1) +

𝑉 + 𝐼𝑅𝑆
]
𝑅𝑆ℎ

(3-1)

3.4 Đề xuất mơ hình tốn và 02 thuật tốn cho bài tốn Tìm kiếm cấu hình cân bằng bức xạ
Mơ hình tốn xây dựng được công bố tại (CT8), phương áp áp dụng thuật tốn DP được
cơng bố tại (CT1), đề xuất thuật tốn SC cơng bố tại (CT3).
3.4.1 Xây dựng mơ hình tốn (CT8)
𝑛𝑖
𝑛𝑖
(3-4)
𝐸𝐼 = max (∑ 𝐺𝑖𝑗 ) − min (∑ 𝐺𝑖𝑗 ) → 0
𝑖=1,𝑚

𝑖=1,𝑚

𝑗=1

𝑗=1

Ràng buộc:
𝑛1 + 𝑛2 + 𝑛3 + . . . +𝑛𝑚 = 𝑛
𝐺𝑖1 + 𝐺𝑖2 + 𝐺𝑖3 + . . . + 𝐺𝑖𝑛𝑖 = 𝐺𝑖
𝑛𝑖 > 0
𝐺𝑖𝑗 ≥ 0
𝑖 = 1, 𝑚
{

;

𝑗 = 1, 𝑛𝑖

8

(3-5)


connected in series in order to increase the total voltage and in parallel to increase the
total current.

Array
Trong topologies
đó:
EI : chỉ số cân bằng,
n : tổng số tấm pin quang điện,
m : số hàng trong mạch TCT,

𝑛𝑖 : số tấm pin quang điện hàng i,
𝐺𝑖𝑗 : độ bức xạ tại TPQĐ hàng i, cột j,
𝐺𝑖 : tổng bức xạ tại hàng i.
Hàm mục tiêu (3-4) nhằm mục đích lựa chọn cấu hình sao cho sự chênh lệch bức xạ trong
các hàng là nhỏ nhất, nghĩa là hàng có tổng bức xạ mặt trời nhiều nhất, trừ đi hàng có tổng
bức xạ mặt trời ít nhất có độ chênh lệch nhỏ nhất, EI bằng 0 là trường hợp lý tưởng.
3.4.2 Áp dụng thuật toán quy hoạch động (Dynamic programming) (CT1)
3.4.2.1. Phương pháp áp dụng
Xét mạch kết nối TCT tổng quát
1

2

n1

1

n2
2

nm
m

PV Reconfiguration techniques. HANOI May 2013
(a)
(b)

(c)

Hệ thống gồm m hàng, các hàng kết nối nối tiếp. Hàng thứ i gồm ni TPQĐ kết nối
Figure 2-7: Connection topologies of the PV array
song song. Bức xạ mặt trời cho bởi mỗi TPQĐ là Gij với i, j tương ứng là chỉ số hàng và chỉ
số cột vị trí đặt TPQĐ.
𝑛𝑖
Tổng bức xạ mặt trời nhận được tại hàng i: 𝐺𝑖 = ∑𝑗=1
𝐺𝑖𝑗
(3-2)
Hình 2-c.

Tổng số tấm pin quang điện: 𝑔 =14∑𝑚
(3-6)
𝑖=1 𝑛𝑖
Số lượng hàng của hệ thống NLMT là m sau khi tìm cấu hình kết nối tối ưu có thể khác với
số hàng k (của cấu trúc ban đầu), phụ thuộc vào tính tốn dải điện áp đầu vào cho bộ biến
đổi điện. Tổng bức xạ mặt trời trên mỗi hàng trong cấu hình kết nối tối ưu lý tưởng bằng giá trị
trung bình tổng bức xạ mặt trời tại tất cả các TPQĐ chia cho các hàng: 𝑎𝑣𝑔 =

9

∑𝑚
𝑖=1 𝐺𝑖
𝑚

(3-7)


Phương pháp áp dụng thể hiện trong lưu đồ
Hình 3-4.
Căn cứ vào kết quả của thuật toán Quy hoạch

động cho bài toán Subset sum problem, nhận
thấy tại mỗi bước:
𝑛_𝑜𝑝𝑖
(3-8)
𝐺_𝑂𝑃𝑖 = ∑ 𝐺_𝑂𝑃𝑖𝑗 → 𝑎𝑣𝑔
𝑗=1

Suy ra:
𝐸𝐼
= max (𝐺_𝑂𝑃𝑖 )

(3-9)

𝑖=1,𝑚

− min (𝐺_𝑂𝑃𝑖 ) → 0
𝑖=1,𝑚

Vậy G_OP chính là cấu hình kết nối tối ưu,
cân bằng bức xạ thỏa mãn hàm mục tiêu (3-4) Hình3-4. Lưu đồ phương pháp áp dụng thuật tốn Quy
đã trình bày tại phần 3.4.1.
hoạch động trong bài tốn tìm ma trận cân bằng bức xạ

3.4.2.2. Ví dụ minh họa
Xét hệ thống NLMT gồm 16 TPQĐ, kết nối TCT, dưới điều kiện chiếu sáng không đồng
nhất, mỗi TPQĐ nhận được bức xạ mặt trời là khác nhau, thể hiện trong Hình 3-5, cấu hình
Cân bằng bức xạ thể hiện Hình 3-13.
1

2

3

4

170 + 200 + 250 + 490 = 1110 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

5

6

7

8

520 + 680 + 480 + 640 = 2320 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

9

10

11

12

720 + 410 + 550 + 290 = 1970 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

13

14

15

16

150 + 830 + 140 + 180 = 1300 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

Hình 3-5. Hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu
sáng không đồng nhất

11

15

13

14

550 + 140 + 150 + 830 = 1670 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

16

4

12

9

180 + 490 + 290 + 720 = 1680 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

7

5

6

480 + 520 + 680
W/m2
W/m2
W/m2

8

3

2

= 1680 W/m2

1

10

2
640 + 250 + 200 + 170 + 410 = 1670 W/m
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

Hình 3-13. Cấu hình hệ thống NLMT cân bằng bức xạ
tương ứng với ma trận G_OP

10

Chỉ số cân bằng tính theo hàm mục tiêu (3-9) (m=4):
𝐸𝐼 = max (𝐺_𝑂𝑃𝑖 ) − min (𝐺_𝑂𝑃𝑖 ) = 10
𝑖=1,𝑚

𝑖=1,𝑚

3.4.2.3. So sánh và đánh giá (CT1)
Storey và các cộng sự năm 2013 đề xuất thuật toán BWSA - một thuật toán sắp xếp lặp,
thuật toán với tốc độ xử lý rất nhanh, số vịng lặp ít nhưng kết quả khơng tốt trong phần lớn
các trường hợp. Một ví dụ trong Hình 3-14, nhận thấy thuật tốn BWSA xử lý với rất ít bước
lặp, tốc độ xử lý cao. Song kết quả khơng tốt so với thuật tốn DP đã đề xuất phần trên trong
cùng một dữ liệu đầu vào. EIBWSA = 110 trong khi EIDP = 10.
𝐸𝐼𝐵𝑊𝑆𝐴 = 1740 − 1630 = 110

Hình 3-14. Ví dụ thuật tốn BWSA

Về tốc độ xử lý, áp dụng cho hệ thống gồm g TPQĐ, m hàng và SG là tổng bức xạ mặt trời
thì độ phức tạp tính tốn của thuật tốn là O(mgSG), mất tối đa 30.72ms thời gian xử lý với
CPU cấu hình Intel Core i5 2.5 Ghz để tái cấu trúc cho 16 TPQĐ với 4 hàng. Tốc độ xử lý
này là phù hợp cho các hệ thống NLMT thực tế, ví dụ như ở Palermo (Italia) tốc độ gió tối
đa là 6.4m/s, có nghĩa với các hệ thống NLMT diện tích 10-20m2 thì việc che phủ của đám
mây diễn ra trong một vài giây là trường hợp tồi tệ nhất đối với hệ thống NLMT, yêu cầu
tốc độ chuyển mạch nhanh, so với tốc độ xử lý của DP thì việc áp dụng DP vào thực tế là
khả quan.
Thuật tốn DP đã được cơng trình cơng bố của Krishna (SCI-Q1-2019) phân tích, đánh giá
là một trong số ít các phương pháp "State of the art" đã chứng minh tính thời sự của thuật
tốn đã đề xuất.
3.4.3 Đề xuất thuật toán SmartChoice (SC) (CT3)
Thuật toán SmartChoice là thuật toán lựa chọn thông minh được tác giả công bố tại (CT2,3)

để bổ sung các nhược điểm của thuật toán DP. Kết quả nào tốt hơn trong 02 thuật toán DP và
SC được lựa chọn để làm "Cấu hình kết nối tối ưu".

11


1.1.1.1. Mơ tả thuật tốn
- Lần lượt chọn TPQĐ có bức xạ mặt trời
nhận được cao nhất, xếp vào hàng có tổng
giá trị bức xạ mặt trời là thấp nhất.
- Trong trường hợp nhiều hàng có tổng giá
trị bức xạ mặt trời thấp nhất như nhau, thì
đặt TPQĐ đó vào hàng có chỉ số thấp nhất.

3.4.3.1. Phương pháp áp dụng

Hình 3-15. Lưu đồ phương pháp áp dụng thuật toán
SC trong bài tốn tìm ma trận cân bằng bức xạ

3.4.3.2. Ví dụ minh họa
Xét hệ thống NLMT gồm 16 TPQĐ, kết nối TCT, dưới điều kiện chiếu sáng không đồng
nhất, mỗi TPQĐ nhận được bức xạ mặt trời là khác nhau, thể hiện trong Hình 3-16, cấu hình
Cân bằng bức xạ thể hiện trong hình 3-22.
1

2

3

4

1

620 + 500 + 600 + 300 = 2020 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

5

6

7

3

8

10

11

12

13

14

15

16

11

16

10

7

15

600 + 460 + 320 + 300 = 1680 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

540 + 420 + 320 + 480 = 1760 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

9

6

620 + 420 + 400 + 240 = 1680 W/m2

W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

12

8

13

9

5

2

14

15

560 + 480 + 360 + 280 = 1680 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

280 + 460 + 400 + 560 = 1700 W/m2
W/m2
W/m2

W/m2
W/m2

540 + 500 + 340 + 300 = 1680 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

360 + 340 + 300 + 240 = 1240 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

Hình 3-16. Hệ thống NLMT dưới điều kiện chiếu
sáng khơng đồng nhất

Hình 3-22. Cấu hình kết nối hệ thống NLMT cân
bằng bức xạ tương ứng với ma trận G_OP

Chỉ số cân bằng tính theo hàm mục tiêu (3-9) (m=4):

12


𝐸𝐼 = max (𝐺_𝑂𝑃𝑖 ) − min (𝐺_𝑂𝑃𝑖 ) = 0 (3-13)
𝑖=1,𝑚

𝑖=1,𝑚

là phương pháp sắp xếp tối ưu.
3.4.3.3. So sánh và đánh giá (CT3)
Thuật toán SC được NCS đề xuất để khắc phục những trường hợp đặc biệt của thuật toán
DP. Trong phần lớn các trường hợp, thuật toán DP cho kết quả rất tốt, song ở một vài trường
hợp đặc biệt, thuật tốn DP cho kết quả khơng tốt bằng thuật tốn SC, ví dụ như trường hợp
trong Hình 3-23 và Hình 3-24: EIDP = 1000 trong khi EISC = 850:
150
1000
1000

150
1000
1000
Ma trận G

150
1000
1000

150
1000
1000
Ma trận G

1000
1000
1000

1000

1000
1000

1000
150
150
1000
1000
1000
Ma trận G_OP sử dụng DP
Hình 3-23. Ví dụ về thuật tốn cân bằng bức xạ DP
1000
1000
1000
150
150
1000
1000
1000
1000
1000
1000
1000
Ma trận G_OP sử dụng SC
Hình 3-24. Ví dụ về thuật toán cân bằng bức xạ SC

= 2300
= 2000
= 3000

= 2300
= 2000
= 3000

Thuật tốn SC có ưu điểm số vịng lặp ít, độ phức tạp O(glogg). Việc kết hợp thuật toán SC
và DP thành thuật toán lai, lựa chọn kết quả tốt hơn trong 2 thuật toán làm kết quả cuối cùng
sẽ giúp tìm được kết quả tối ưu của bài tốn cân bằng bức xạ.
3.5 Đề xuất mơ hình tốn và 02 thuật tốn bài tốn Lựa chọn phương pháp chuyển
mạch tối ưu
Mơ hình tốn được cơng bố tại CT8, thuật tốn MAA cơng bố tại CT1, thuật tốn MAA cải
tiến cơng bố tại CT3.
3.5.1 Giới thiệu ma trận chuyển mạch Dynamic Electrical Scheme (DES)
Ví dụ về hoạt động của ma trận chuyển mạch DES trong Hình 3-26.

(c)
(a)
(b)

(d)

Hình 3-26. Ma trận chuyển mạch Dynamic Electrical Scheme (b-d) tương ứng với cấu trúc kết nối (a-c)

Xét ma trận chuyển mạch tổng quát DES cho g TPQĐ, thay đổi kết nối trong m mạch song
song như Hình 3-27.

13


Hình 3-27. Ma trận chuyển mạch DES

Hình 3-28. Mảng Q và ma trận S thể hiện số lần đóng mở Khóa
của ma trận chuyển mạch

Tổng quát số lần đóng mở khóa của ma trận chuyển mạch thể hiện trong Hình 3-28.
Trong quá trình hoạt động của hệ thống NLMT và bộ tái cấu trúc, sau mỗi lần tái cấu trúc,
số lần đóng mở Khóa của ma trận chuyển mạch thay đổi.
Quy ước về số lần đóng mở Khóa:
- Tại thời điểm ban đầu:
𝑆𝑖𝑗 = 0
∀ 𝑖 = 1, . . . , 𝑚; 𝑗 = 1, . . . , 𝑔
(3-14)
- Trong quá trình hoạt động, khi thay đổi vị trí một TPQĐ p (p=1..m) từ hàng i chuyển sang
hàng ik, số lần đóng mở khóa của ma trận S thay đổi như sau:
𝑆𝑖𝑝 = 𝑆𝑖𝑝 + 1
(3-15)
𝑆𝑖𝑘𝑝 = 𝑆𝑖𝑘𝑝 + 1
Gọi zP là số các TPQĐ đổi vị trí trong một lần tái cấu trúc thì số lần đóng mở khóa của Ma
trận chuyển mạch là 2 x zP.
- Gọi MI là số lần đóng mở khóa tại lần tái cấu trúc thứ stepk, ta có:
𝑖=𝑚
𝑗=g

𝑖=𝑚
𝑗=g

𝑀𝐼𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 = ∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 − ∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘−1
𝑖=1
𝑗=1

𝑖=1

𝑗=1

3.5.2 Đề xuất mơ hình tốn (CT8)

Hình 3-29. Ví dụ về cấu hình cân bằng bức xạ nhưng có số lần chuyển mạch khác nhau

14

(3-16)


Bài toán phương pháp Lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu với mục đích điều khiển
ma trận chuyển mạch chuyển từ cấu hình ban đầu G đến cấu hình cân bằng bức xạ G_OP
sao cho số lần đóng mở khóa của ma trận chuyển mạch S là ít nhất. Hình 3-29 là ví dụ về
việc phương pháp chuyển mạch tối ưu.
3.5.2.1. Bài tốn tìm kiếm cấu hình với số lần đóng mở khóa sau mỗi lần tái cấu trúc là ít
nhất.
MI là số lần đóng mở khóa trong 1 lần tái cấu trúc, Sij là số lần đóng mở khóa của khóa có
chỉ số hàng i và cột j trong Ma trận chuyển mạch. Hàm mục tiêu đặt ra số lần đóng mở khóa
cho 1 lần tài cấu trúc là ít nhất.
Hàm mục tiêu:
𝑖=𝑚
𝑗=g

𝑖=𝑚
𝑗=g

(𝑀𝐼𝑚𝑖𝑛 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 = ∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 − ∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘−1 → 0
𝑖=1
𝑗=1

(3-18)

𝑖=1
𝑗=1

Ràng buộc:
𝑆𝑖𝑗 ≥ 0
𝑖=𝑚
𝑗=g

∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 0 = 0

(3-19)

𝑖=1
𝑗=1

{
Trong đó:
• m
: số hàng trong mạch TCT,
• g
: số tấm pin quang điện,
• (𝑀𝐼𝑚𝑖𝑛 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘
: số lần đóng mở khố cho lần tái cấu trúc thứ stepk.
3.5.2.2. Bài tốn cân bằng số lần đóng mở khóa của Ma trận chuyển mạch
Trong q trình tái cấu trúc, TPQĐ thường xuyên bị che phủ sẽ thay đổi vị trí nhiều nhất,
dẫn đến sự mất cân bằng trong số lần đóng mở của các khóa khác nhau trong ma trận chuyển
mạch. Do đó, tuổi thọ của ma trận sẽ phụ thuộc vào tuổi thọ của khóa đóng mở nhiều nhất.

Vậy trong nhiều trường hợp, phương pháp chuyển mạch với số lần đóng mở khóa ít nhất
(gọi số lần đóng mở khóa ít nhất là MImin) chưa chắc đã tối ưu, phải lựa chọn phương pháp
chuyển mạch khác, sao cho khóa có số lần đóng mở nhiều nhất là ít nhất nhằm mục tiêu cân
bằng số lần đóng mở khóa của cả ma trận chuyển mạch.
Hàm mục tiêu số lần đóng mở của khóa nhiều nhất là khơng đổi, vẫn đảm bảo tổi thiểu số
lần đóng mở khóa trong mỗi lần chuyển mạch:

15


max (𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 − max (𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘−1 → 0

𝑖=1,𝑚
𝑗=1,g

𝑖=1,𝑚
𝑗=1,g

𝑖=𝑚
𝑗=g

𝑖=𝑚
𝑗=g

(3-20)

𝑀𝐼𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 = ∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 − ∑(𝑆𝑖𝑗 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘−1 → (𝑀𝐼𝑚𝑖𝑛 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘
𝑖=1

𝑖=1

{
𝑗=1
𝑗=1
Ràng buộc: Tương tự phương trình (3-19).
Trong đó:
• m
: số hàng trong mạch TCT,
• g
: số tấm pin quang điện,
• 𝑀𝐼𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 : số lần đóng mở khố cho lần tái cấu trúc thứ stepk,
• (𝑀𝐼𝑚𝑖𝑛 )𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 : số lần đóng mở khố ít nhất cho lần tái cấu trúc thứ stepk (theo hàm
mục tiêu ( ))
3.5.3 Phương pháp Tìm kiếm cấu hình với số lần chuyển mạch là ít nhất áp dụng MAA
(CT1)
Tại nghiên cứu được xuất bản năm 2015 (CT1), tác giả đã áp dụng thuật tốn MAA trong
việc tìm kiếm cấu hình sao cho số lần đóng mở khóa từ cấu hình kết nối ban đầu đến cấu
hình kết nối tối ưu trong mỗi lần tái cấu trúc là ít nhất, nhằm giải quyết bài tốn đề xuất
trong phần 3.5.2.1.
Xét ví dụ về giải thuật quy hoạch động mục 3.4.2.2 về tìm cấu hình cân bằng bức xạ có được
kết quả như Hình 3-5 và Hình 3-13. Số tấm pin phải di chuyển vị trí là 16 TPQĐ (di chuyển
tối đa).
3.5.3.1. Áp dụng thuật toán MAA
Phương pháp áp dụng theo các bước sau:
Bước 1:
- Coi m hàng trong ma trận G ban đầu tương ứng với m công nhân.
- Coi m hàng trong ma trận G_OP kết quả tương ứng với m công việc.
- Ma trận chi phí C được xây dựng theo nguyên tắc: Cij là số phần tử có mặt trong hàng i
của ma trận G mà khơng có mặt trong hàng j của ma trận G_OP.
Bước 2:

Áp dụng thuật toán MAA tìm tổng chi phí nhỏ nhất từ ma trận C.
Ta có:
𝑚 𝑚
(3-22)
𝑧𝑝 = ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑗 = 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚
𝑖=1 𝑗=1

với 𝑥𝑖𝑗 = 1 khi sắp xếp công nhân i với cơng việc j.
Bước 3:
Sắp xếp lại vị trí các hàng ma trận G_OP theo kết quả của MAA (hàng i trong ma trận G
ứng với hàng j trong ma trận G_OP khi xij = 1).

16


Sắp xếp lại thứ tự các phần tử trong từng hàng của ma trận G_OP tương ứng với ma trận G.
Ta có zp thể hiện số lần chuyển vị trí TPQĐ nhỏ nhất để chuyển ma trận kết nối ban đầu G
đến ma trận cân bằng bức xạ G_OP.
Vậy số lần đóng mở khóa:
𝑚 𝑚
(3-23)
𝑀𝐼𝑚𝑖𝑛 = 2 × 𝑧𝑃 = 2 × ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑗 = 𝑚𝑖𝑛𝑖𝑚𝑢𝑚
𝑖=1 𝑗=1

Thỏa mãn hàm mục tiêu (3-18) tại mục 3.5.2.1.
3.5.3.2. Ví dụ minh họa
Xét 2 ma trận G và G_OP ban đầu:
170
520
720

150

4
4
3
1

200
250
680
480
410
550
830
140
Ma trận G
3
4
2
3

4
1
4
4

490
640
290
180

1
3
3
4

B1. Xây dựng ma trận chi phí

550
180
480
640

140 150 830
490 290 720
520 680
250 200 170
Ma trận G_OP
640
480
180
550

4
3
4
1
4
4
1

3
3
2
4
3
1
3
4
4
B2. Áp dụng MAA

250
520
490
140

410

200
680
290
150

170

410

720
830

B3. Sắp xếp lại vị trí các hàng tương ứng

3.5.3.3. Đánh giá kết quả
Căn cứ vào vị trí các phần tử của ma trận G và ma trận G_OP ta có được cấu hình kết nối
Hình 3-32.
1

2

3

4

170 + 200 + 250 + 490 = 1110 W/m 2
W/m 2
W/m 2
W/m 2
W/m 2

5

6

7

8

520 + 680 + 480 + 640 = 2320 W/m2
W/m 2
W/m 2

W/m 2
W/m 2

9

10

11

12

720 + 410 + 550 + 290 = 1970 W/m2
W/m 2
W/m 2
W/m 2
W/m 2

13

14

15

16

150 + 830 + 140 + 180 = 1300 W/m2
W/m 2
W/m 2
W/m 2
W/m 2

1

2

3

170 + 200 + 250
W/m2
W/m2
W/m2

5

6

8

+

10

640 + 410
W/m2
W/m2

= 1670 W/m2

7

520 + 680 + 480 = 1680 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

9

12

720
W/m2

13

14

16

4

290 + 180 + 490 = 1680 W/m2
W/m2
W/m2
W/m2

+

15

150 + 830 + 140

W/m2
W/m2
W/m2

11

+

550 = 1670W/m2
W/m2

(a) Cấu hình kết nối ban đầu
(b) Cấu hình cân bằng bức xạ
Hình 3-32. Ví dụ về tìm kiếm cấu hình kết nối Cân bằng bức xạ

Nhận thấy, để chuyển đổi cấu hình kết nối ban đầu về cấu hình cân bằng bức xạ, cần số
TPQĐ chuyển vị trí là 5 TPQĐ: 8, 10, 12, 16, 4, 11. Như vậy, sau khi áp dụng thuật toán

17


MAA từ cấu hình kết nối ban đầu G đến cấu hình kết nối cân bằng bức xạ G_OP số TPQĐ
thay đổi vị trí từ 16 tấm xuống 5 tấm.
Thuật toán MAA với độ phức tạp O(m3) với m là số hàng, trong trường hợp sử dụng CPU
Intel Core i5 2.5GHz chỉ mất 0.122ms cho việc sắp xếp 16 TPQĐ trong mỗi lần tái cấu trúc
(CT1), đáp ứng yêu cầu xử lý thời gian thực.
3.5.4 Phương pháp cân bằng số lần đóng mở khóa của ma trận chuyển mạch sử dụng
MAA cải tiến (CT3)
Trong nghiên cứu công bố tại (CT3), tác giả đã đề xuất phương pháp cải tiến thuật tốn
MAA nhằm mục tiêu Cân bằng số lần đóng mở khóa của ma trận chuyển mạch, giúp kéo

dài tuổi thọ của ma trận chuyển mạch hơn phương pháp cũ (mục 3.5.3).
3.5.4.1. Đề xuất phương pháp cải tiến thuật toán MAA
Trong trường hợp, muốn gắn cố định người công nhân thứ u làm việc thứ v, sau đó tìm cách
phân cơng công việc cho (nM-1) công nhân và (nM-1) công việc còn lại, tác giả đề xuất
phương pháp như sau:
Xét ma trận chi phí C Hình 3-34.
Cơng
nhân
1
2
...
u
...
nM

1
C11
C21
Cu1
𝐶𝑛𝑀 1

2
1
2
...
u
...
nM

Cơng việc

1
v
C11
1
C21
2
...
Cu1
u
...
𝐶𝑛𝑀 1
nM

1
C11
C21
Cu1
𝐶𝑛𝑀 1

n
1
2
...
u
...
nM

Hình 3-34. Ma trận chi phí C dạng tổng quát

Bước 1: Trong ma trận chi phí C, tạo ma trận C' bằng cách xóa tất cả các giá trị Cij thuộc

hàng u và cột v.
Bước 2: Áp dụng thuật toán MAA (mục 2.3.2) vào tìm tổng chi phí nhỏ nhất với ma trận C'
gồm (nM-1) x (nM-1) phần tử còn lại.
Sau khi có kết quả của MAA cho ma trận C'. Tạo kết quả của ma trận C từ ma trận C' bổ
sung thêm lựa chọn Cuv.
Kết quả chi phí nhỏ nhất thay đổi như sau:
𝑛𝑀 𝑛𝑀
𝑛𝑀 𝑛𝑀
(3-24)
𝑧𝑃𝑛𝑒𝑤 = ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑀𝑗𝑀 𝑥𝑖𝑀𝑗𝑀 + 𝐶𝑢𝑣 → ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑀𝑗𝑀 𝑥𝑖𝑀𝑗𝑀
𝑖𝑀 =1 𝑗𝑀 =1
𝑖𝑀≠𝑢 𝑗𝑀 ≠𝑣

𝑖𝑀=1 𝑗𝑀 =1

3.5.4.2. Phương pháp áp dụng thuật toán MAA cải tiến
Bước 1:
- Coi m hàng trong ma trận G ban đầu tương ứng với m công nhân.
- Coi m hàng trong ma trận G_OP kết quả tương ứng với m cơng việc.
- Ma trận chi phí C được xây dựng theo nguyên tắc: Cij là số phần tử có mặt trong hàng i
của ma trận G mà khơng có mặt trong hàng j của ma trận G_OP.
Bước 2:

18


- Giả sử đang xét đến lần tái cấu trúc thứ stepk.
- Tìm giá trị Sij lớn nhất trong ma trận đóng mở khóa Sstepk-1, Sij là khóa thuộc TPQĐ j trong
ma trận G.
- Tìm vị trí hàng u là vị trí của TPQĐ j trong ma trận G.

- Tìm vị trí hàng v là vị trí của TPQĐ j trong ma trận G.
Áp dụng thuật toán Munkres cải tiến (mục 3.5.4.1) tìm tổng chi phí nhỏ nhất từ ma trận C
trong khi gắn cố định công nhân u với cơng việc v.
Ta có:
𝑚 𝑚
𝑚 𝑚
(3-28)
𝑧𝑃𝑛𝑒𝑤 = ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑗 + 𝐶𝑢𝑣 → ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑗
𝑖=1 𝑗=1
𝑖≠𝑢 𝑗≠𝑣

𝑖=1 𝑗=1

với: 𝑥𝑖𝑗 = 1 khi sắp xếp công nhân i với công việc j. Trong trường hợp này 𝑥𝑢𝑣 = 1.
Bước 3:
Sắp xếp lại vị trí các hàng ma trận G_OP theo kết quả của Munkres (hàng i trong ma trận
G ứng với hàng j trong ma trận G_OP khi xij = 1).
Sắp xếp lại thứ tự các phần tử trong từng hàng của ma trận G_OP tương ứng với ma trận G.
3.5.4.3. Chứng minh
Xét tại lần tái cấu trúc thứ k-1 tổng quát:
Khóa có số lần đóng mở nhiều nhất:
(3-29)
𝑚𝑎𝑥𝑆𝑠𝑡𝑒𝑝𝑘−1 = max (𝑆𝑖𝑗 )
𝑖=1,𝑚
𝑗=1,g

𝑠𝑡𝑒𝑝𝑘−1

Tại lần tái cấu trúc thứ k tổng quát:
Ưu điểm của thuật toán MAA cải tiến so với thuật tốn MAA thơng thường trong trường

hợp sau: Trong phần lớn trường hợp, với thuật tốn MAA thơng thường sẽ thay đổi cấu trúc
kết nối của TPQĐ bằng cách di chuyển vị trí TPQĐ có số lần đóng mở khóa nhiều nhất dẫn
đến:
(3-30)
𝑚𝑎𝑥𝑆𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 = 𝑚𝑎𝑥𝑆𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘−1 + 1
Với thuật tốn MAA cải tiến, sẽ khơng thay đổi vị trí của TPQĐ có số lần chuyển đổi nhiều
nhất dẫn đến:
(3-31)
𝑚𝑎𝑥𝑆𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘 = 𝑚𝑎𝑥𝑆𝑠𝑡𝑒𝑝 𝑘−1
→ thỏa mãn hàm mục tiêu thứ nhất trong cơng thức (3-20) mục 3.5.2.2.
Ngồi ra, ta có zPnew thể hiện số lần chuyển vị trí TPQĐ nhỏ nhất để chuyển ma trận kết nối
ban đầu G đến ma trận cân bằng bức xạ G_OP.
Số lần đóng mở khóa:
𝑔 𝑔
𝑚 𝑚
(3-32)
𝑀𝐼𝑠𝑡𝑒𝑝𝑘 = 2 × 𝑧𝑃𝑛𝑒𝑤 = 2 × ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑗 + 𝐶𝑢𝑣 → 2 × ∑ ∑ 𝐶𝑖𝑗 𝑥𝑖𝑗
𝑖=1 𝑗=1
𝑖≠𝑢 𝑗≠𝑣

𝑖=1 𝑗=1

= (𝑀𝐼𝑚𝑖𝑛 )𝑠𝑡𝑒𝑝𝑘

19


Thỏa mãn hàm mục tiêu thứ hai trong công thức (3-20) tại mục 3.5.2.2.
3.6 Kết luận chương 3
Trong chương 3, tác giả đã trình bày chiến lược cân bằng bức xạ với mạch kết nối TCT, xây

dựng mơ hình tốn cho 02 bài tốn chính trong chiến lược cân bằng bức xạ là bài tốn tìm
kiếm cấu hình cân bằng bức xạ và bài toán lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu. Tiếp
theo, tác giả đã trình bày phương pháp áp dụng thuật toán DP và SC cho bài tốn tìm kiếm
cấu hình cân bằng bức xạ, thơng qua chứng minh toán học và so sánh với thuật toán của tác
giả khác đã chứng minh tính đúng đắn của 02 thuật tốn đề xuất. Ngồi ra, tác giả đề xuất
sử dụng 02 thuật toán MAA và MAA cả tiến cho bài toán lựa chọn phương pháp chuyển
mạch tối ưu, mỗi thuật tốn đều được chứng minh tính đúng đắn so với mơ hình tốn đề
xuất, phần tiếp theo chương 4 là mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá chất lượng thuật
tốn và tính thực tiễn của phương pháp. Các thuật toán DP, SC, MAA và MAA cải tiến được
cơng trình uy tín thế giới đánh giá là một trong số ít các thuật tốn "State of the art" đã chứng
minh tính thời sự của phương pháp tác giả đề xuất trong luận án.
Chương 4: MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM
Trong chương này, tác giả trình bày phương pháp mơ phỏng, thực nghiệm kèm theo kết quả
chứng minh tính đúng đắn của các phương pháp đã đề xuất trong chương 3. Các kết quả của
mô phỏng và thực nghiệm được tác giả công bố tại (CT1..5,9).
4.1 Mô phỏng
4.1.1 Mô phỏng đánh giá hiệu quả phương pháp Lựa chọn cấu hình cân bằng bức xạ
Phương pháp mô phỏng sử dụng Matlab-Simulink được tác giả công bố tại (CT5), ứng dụng
của kết quả mô phỏng được công bố tại (CT1..3,7,9).
Mô phỏng hoạt động của hệ thống NLMT gồm 9 TPQĐ kết nối như Hìnha, dữ liệu đầu vào
cho Malab-Simulink thể hiện ở Hình 4-6. Hình 4-7 thể hiện kết quả tương ứng đặc tính I-V
và P-V của hệ thống NLMT trước và sau khi tái cấu trúc. Hiệu suất hệ thống tăng 29% so
với trường hợp không sử dụng bộ tái cấu trúc.

Hình 4-6. Ví dụ về dữ liệu đầu vào cho bộ mô phỏng

20


1

2

1

3

2

2

2

4

5

6

2

2

7

8

9

2

6

2

2

2

3

5

7

2

2

2

8

9

2

900 + 900 = 1800 W/m2
W/m
W/m

600 + 900 + 900 = 2400 W/m2
W/m
W/m
W/m
2

4

600 + 600 + 600 = 1800 W/m2
W/m
W/m
W/m

400 + 600 + 900 = 1900 W/m2
W/m
W/m
W/m
2

2

100 + 400 + 400 + 900 = 1800 W/m2
W/m
W/m
W/m
W/m

100 + 400 + 600 = 1100 W/m2
W/m

W/m
W/m

2

2

(a)

2

(b)

(c)
(d)
Hình 4-7. Hệ thống NLMT trước khi tái cấu trúc (a-c) và sau khi tái cấu trúc (b-d)

4.1.2 Mô phỏng và đánh giá hiệu quả phương pháp Lựa chọn phương pháp chuyển
mạch tối ưu.
Mô phỏng đánh giá hiệu quả của phương pháp Lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu
mục 3-5 được tác giả công bố tại (CT3). Tác giả xây dựng bộ dữ liệu bức xạ mặt trời 12 lần
một ngày, từ 7h sáng đến 18h tối, vị trí các TPQĐ bị che phủ, bức xạ mặt trời của các TPQĐ
nhận được khi bị che phủ và khơng bị che phủ một phần thể hiện trong Hình 4-10. Mơ phỏng
tái cấu trúc hệ thống NLMT trong vịng 1 năm, kết quả thể hiện tại Hình 4-12, tuổi thọ của
ma trận chuyển mạch khi sử dụng phương pháp MAA cải tiến đã tăng 56% so với phương
pháp MAA.

21

No.

Time

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12

7h
8h
9h
10h
11h
12h
13h
14h
15h
16h
17h
18h

Radiation degree
(W/m2)
NonPartial
partial
shading
shading
500
650
750
850
950
1000
950
850
750
650
500
400

150
300
350
350
400
450
400
350
350
300
150

100

Partial shading solar panel

(35)
(34, 35)
(33, 34, 35)
(32, 33, 34, 28)
(30, 31, 32, 33, 27, 28)
(29, 30, 31, 26, 27, 28)
(29, 30, 25, 26, 21)
(29, 23, 24, 25, 20, 21)
(22, 23, 24, 19, 20, 21)
(22, 23, 18, 19, 14)
(22, 16, 17, 18, 13, 14)
(15, 16, 17, 12, 13, 14)

(a)
(b)
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

Hình 4-12. Biểu đồ so sánh số lần đóng mở Khóa của các khóa trong DES: (màu xanh) Sử dụng phương pháp
MAA; (màu đỏ) Sử dụng phương pháp MAA cải tiến.

4.2 Thực nghiệm
4.2.1 Bộ tái cấu trúc các tấm pin quang điện
Bộ tái cấu trúc các TPQĐ được mô tả trong phần 2.2.2. Trong phần này, tác giả tập trung
xây dựng Bộ tái cấu trúc áp dụng cho hệ thống NLMT nhỏ, kết nối tối đa 4 TPQĐ.
4.2.2 Kết quả thực nghiệm

Kết quả thực nghiệm bộ tái cấu trúc được công bố trong (CT3), thực nghiệm cho hệ thống
NLMT nhỏ như hình Hình 4-15. Tấm pin NLMT nhỏ (công suất định mức thể hiện trong
bảng 4-2). Mạch tái cấu trúc Hình 4-17.
Bảng 4-2. Cơng suất định mức TPQĐ ở điều kiện tiêu chuẩn 250 C
VMPP
IMPP
PMPP
VOC
ISC
18V
0.33A
6W
21.6V
0.4A

22


(a)

(b)

(c)

Hình 4-15. Hệ thống NLMT với bộ tái cấu trúc: a) bình thường - đèn sáng; b) Che phủ 1 phần - đèn tắt; c) sau khi
tái cấu trúc - đèn sáng trở lại nhưng yếu hơn

Hình 4-17. Mạch tái cấu trúc

Hình 4-19. Biểu đồ so sánh cơng suất hệ thống NLMT

Trong chế độ tự vận hành, mỗi phút, hệ thống sẽ đo điện áp trực tuyến tại mỗi TPQĐ gửi
kết quả liên tục về bộ vi xử lý. Nếu có sự thay đổi điện áp vượt quá giới hạn tại 2 lần đo liền
nhau, ma trận chuyển mạch sẽ ngắt kết nối các TPQĐ, lần lượt do dòng điện tại mỗi TPQĐ,
ước tính bức xạ mặt trời, chạy thuật toán Cân bằng bức xạ, thuật toán Lựa chọn phương
pháp chuyển mạch tối ưu. Trong trường hợp cấu hình kết nối mới khác cấu hình ban đầu,
bộ vi xử lý sẽ gửi dữ liệu điều khiển lên ma trận chuyển mạch để thay đổi kết nối từ cấu
hình ban đầu đến cấu hình kết nối tối ưu. Với cách thiết kế này, nếu che phủ 1 phần diễn ra
trong thời gian ngắn, hệ thống sẽ không tác động.
Đánh giá hiệu quả của bộ tái cấu trúc thơng qua các thí nghiệm che phủ các TPQĐ ở các
mức độ khác nhau theo thời gian, so sánh công suất đầu ra của hệ thống trong trường hợp
có sử dụng bộ tái cấu trúc và không sử dụng bộ tái cấu trúc. Kết quả thể hiện ở Hình 4-19.
Trong nhiều trường hợp, bộ tái cấu trúc tăng hiệu suất làm việc của hệ thống lên đến 43%.
4.3 Kết luận chương 4
Trong chương 4, tác giả đã sử dụng công cụ Matlab-Simulink để mô phỏng hoạt động của
hệ thống NLMT bao gồm: Các tấm pin quang điện với ưu điểm cho phép nhập dữ liệu khác
nhau cho từng TPQĐ, Bộ tái cấu trúc bao gồm khối thuật tốn và ma trận chuyển mạch.
Thơng qua mô phỏng hoạt động của hệ thống NLMT trong điều kiện chiếu sáng không đồng
nhất ở các trường hợp khác nhau đã chứng minh tính hiệu quả của thuật tốn Lựa chọn cấu
hình cân bằng bức xạ: Độ chính xác cao, tốc độ xử lý nhanh, đáp ứng hoạt động trong thời
gian thực ở các hệ thống NLMT lớn. Tiếp theo, tác giả sử dụng phần mềm Microsoft Visual
Studio để xây dựng phần mềm mô phỏng hoạt động của hệ thống NLMT gồm 35 tấm pin,
hoạt động trong 1 năm để đánh giá hiệu quả thuật toán Lựa chọn cấu hình cân bằng bức xạ
và Lựa chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu cho thấy thuật toán hoạt động hiệu quả,
không những tăng hiệu suất làm việc của hệ thống còn kéo dài tuổi thọ của ma trận chuyển
mạch lên đến 56% so với phương pháp cũ.

23