Điều khiển bộ lưu điện lai ghép trong hệ thống pin mặt trời: Nghiên cứu sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 108

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BỘ LƯU ĐIỆN LAI GHÉP TRONG HỆ THỐNG PIN

MẶT TRỜI SỬ DỤNG BỘ ĐIỀU KHIỂN LOGIC MỜ (FLC)

CONTROLLING HYBRID ENERGY STORAGE SYSTEM (ESS)

IN SOLAR SYSTEM USING FUZZY LOGIC CONTROLLER (FLC)

Nguyễn Anh Quảng1,*, Đỗ Trung Hiếu2, Đỗ Công Thịnh2,

Phạm Thị Hồng Hạnh3

1Lớp ĐKTĐ 01 - 16 Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

2Lớp ĐKTĐ 02 - K16, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

3Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội

*Email: nguyenanhquangltt12a5@gmail.com

TÓM TẮT

Trong lưới điện nhỏ, hệ thống điện mặt trời có xu hướng sự kết hợp cùng bộ lưu điện cũng như siêu tụ giúp tăng khả

năng vận hành của hệ thống. Điều khiển chu trình sạc/xả của bộ lưu điện và siêu tụ sẽ quyết định đến hiệu quả vận hành

lưới điện nhỏ, đặc biệt trong chế độ độc lập. Bài báo đề xuất sử dụng bộ điều khiển logic mờ cho hệ thống điện mặt trời

kết hợp bộ lưu điện lai ghép siêu tụ. Bài báo cũng đã tiến hành mô phỏng mô hình hệ thống và thuật toán điều khiển đề

xuất trong các chế độ hoạt động của lưới điện để đưa ra những đánh giá, so sánh các kết quả đạt được dựa trên công cụ

Matlab/Simulink.

Từ khóa: Bộ điều khiển mờ, điện mặt trời, bộ lưu điện, siêu tụ, lưới điện nhỏ.

ABSTRACT

In microgrid, PV solar systems tend to combine with ESS as well as supercapacitors to increase the system's

performance. Controlling the charge and discharge cycle of the ESS and supercapacitor will determine the efficiency

of microgrid operation, especially in autonomous mode. This paper proposes to use a fuzzy logic controller for PV

solar systems incorporating a hybrid ESS. This paper also conducted simulations of system models and proposed

control algorithms in grid operating modes to make assessments and compare results achieved based on

Matlab/Simulink tools.

Keywords: Fuzzy logic controller, PV solar system, ESS, supercapacitor, microgrid.

1. GIỚI THIỆU

Hệ thống điện mặt trời đang ngày càng khẳng định được

vai trò là một nguồn cấp quan trọng trong hệ thống điện,

đặc biệt là các nhà máy điện mặt trời nối lưới trực tiếp. Tuy

nhiên, tính không ổn định và biến đổi của nguồn năng lượng

mặt trời tạo ra thách thức trong việc duy trì ổn định của hệ

thống đặc biệt trong hệ thống điện mặt trời độc lập [1].

Các nguồn phân tán như: pin (lithium-ion), siêu tụ, pin

nhiên liệu (fuel cell) được sử dụng kết hợp với các nguồn

năng lượng tái tạo như mặt trời, gió... nắm vai trò như một

bộ lưu trữ điện năng trong quá trình vận hành [2].

Việc kết hợp các mặt ưu điểm giữa pin và siêu tụ tạo nên

bộ lưu trữ có khả năng đáp ứng nhanh với biến động điện

năng mà vẫn đảm bảo sự duy trì lâu dài với các biến đổi

hằng ngày mà hệ thống gặp phải đồng thời giúp cải thiện

hiệu quả sử dụng năng lượng bằng cách lưu trữ năng lượng

dư thừa để sử dụng lại sau này, giảm thiểu lãng phí năng

lượng và tăng độ hiệu quả của hệ thống điện [3].

Tuy nhiên để quản lý một cách hiệu quả năng lượng đầu

vào không ổn định và quyết định khi nào nên lưu trữ hoặc

cung cấp năng lượng cho phụ tải đòi hỏi một hệ thống điều

khiển thông minh [4]. Trong nhiều năm qua, điều khiển

logic mờ đã phát triển mạnh mẽ và trở thành một phần quan

trọng trong nghiên cứu lĩnh vực điện tử và tự động hóa.

Điều khiển logic mờ được hình thành dựa trên suy nghĩ tư

duy logic của con người, dễ hiểu khi điều khiển mờ sử dụng

quy tắc dựa trên ngôn ngữ tự nhiên, không yêu cầu kiến

thức phức tạp. Ứng dụng điều khiển logic mờ trong việc

quản lý năng lượng mặt trời giúp điều khiển một cách linh

hoạt, tối ưu hóa năng lượng giữa mặt trời và bộ lưu điện khi

cung cấp cho phụ tải ở chế độ độc lập [5].

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 109

Hình 1. Sơ đồ khối hệ thống

Nhằm đáp ứng nhu cầu năng lượng trước sự biến đổi của

phụ tải một cách nhanh chóng và tăng hiệu suất, cải thiện

các sai lệch về tần số và điện áp, bài báo đề xuất một phương

pháp điều khiển chu trình sạc/xả của pin và siêu tụ trong

lưới điện phân phối độc lập dựa trên logic mờ. Quá trình

thực hiện mô phỏng và xác minh tính hiệu quả của phương

pháp này được thưc hiện trên công cụ Matlab/Simulink.

2. MÔ HÌNH CÁC PHẦN TỬ

Hình 2. Mô hình lai ghép PV-HESS trong chế độ độc lập

Trong hình 2 là mô hình các phần tử trong lưới điện bài

báo đang thực hiện nghiên cứu và mô phỏng, với các nguồn

cấp chính là hệ thống pin mặt trời lai ghép pin và siêu tụ,

các bộ biến đổi điện áp một chiều và nghịch lưu xoay chiều

trước khi cấp nguồn cho các phụ tải.

Mô hình toán học pin quang điện

Pin mặt trời hoạt động dựa trên đặc tính phi tuyến P-V

và I-V, thay đổi tuyến tính theo bức xạ mặt trời khi được

chiếu vào và nhiệt độ hoạt động của tế bào quang điện [6].

Mô hình pin quang điện xây dựng từ các chuỗi mô-đun

được kết nối song song, mỗi chuỗi bao gồm các mô-đun

được kết nối nối tiếp. Trong mạch điện tương đương của tế

bào quang điện thành phần điện trở song song Rsh đặc trưng

cho dòng rò qua tế bào quang điện, và điện trở Rs mắc nối

tiếp đặc trưng cho một phần điện trở trong của tế bào quang

điện.

Hình 3. Sơ đồ thay thế của pin mặt trời

Công suất của tấm pin được xác định:

PV PV out

P V I (1)

Trong đó:

out

I là dòng điện ra của tấm pin

V là điện áp hoạt động của tấm pin

Bộ lưu điện truyền thống

Hệ thống pin lưu trữ năng lượng (BESS – Battery

Energy storage system) đã và đang trở thành một công nghệ

cần thiết trong quản lý nhu cầu, năng lượng tái tạo, lưới điện

thông minh. Trong đó với những lợi thế của mình, pin

Lithium-Ion ngày càng được ưu chuộng là sự lựa chọn tốt

cho các ứng dụng trong ngành điện và năng lượng [7]. Pin

Lithium-Ion có dung lượng cao giúp cho khả năng lưu trữ

trở nên tối ưu hơn, đáp ứng được các yêu cầu về mật độ

năng lượng, không có hiện tượng bộ nhớ đồng thời có tuổi

thọ tương đối dài nhằm tiết kiệm và hạn chế chi phí cho quá

trình sửa chữa, bảo trì hệ thống.

Hình 4. Mô hình xác định thời lượng pin

Dung lượng lưu trữ trong pin và có thể được tính toán

như sau[8]:

1 2 3

3600. . ( ). ( ). ( )

cap

C Cn f T f n f i (2)

Trong đó:

Cn là dung lượng pin định mức (Ah).

f1(T), f2(n) và f3(i) là các hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào

nhiệt độ, số chu kỳ và dòng điện tương ứng.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 110Siêu tụ điện

Siêu tụ điện là một giải pháp đầy hứa hẹn với những ưu

điểm vượt trội đang dần thay thế tụ điện thông thường và

pin sạc, cực kỳ phù hợp với bất kỳ ứng dụng nào đòi hỏi

chu kỳ sạc và xả thường xuyên, nhiệt độ hoạt động khắc

nghiệt hoặc xả nhanh lượng năng lượng cao chẳng hạn như:

xe điện hybrid (HEV); siêu tụ điện-pin lai ( HESS) và điều

chỉnh chất lượng điện năng đặc biệt trong ứng dụng năng

lượng tái tạo (Renewable Energy).

Hình 5. Mô hình thay thế siêu tụ điện

Điện dung của một siêu tụ được tính bằng:

0 0

( )Δ

( ) Δ Δ

i i

C i

i i

I t t

C V V V

 

 (3)

Trong đó:

( )

c i

C V là điện dung bên trong tại điểm i;

I là dòng điện tỷ lệ tại điểm i;

Q là điện tích của điểm lưu trữ thứ i;

Thuật toán bám điểm công suất cực đại

Hiện nay các kĩ thuật MPPT đã được sử dụng rất nhiều

để theo dõi điểm công suất tối đa và duy trì điểm vận hành

tối đa công suất đầu ra của hệ thống [9]. Hiện nay, các

phương pháp điều khiển thông minh và có tính dự đoán như

FLC, ANN, ANFIS, EA,… dần được thay thế cho các

phương pháp điều khiển truyền thống như P&O, INC,

HC,… bởi sự đáp ứng nhanh trước những sự thay đổi của

các điều kiện môi trường tại những thời điểm khác nhau.

Hình 6. Mô hình mạch điều khiển bám điểm công suất cực đại

của pin mặt trời

Trong bài báo này nhóm sẽ sử dụng bộ điều khiển mờ

để tìm điểm làm việc cho ra công suất cực đại (MPP) của

hệ thống pin mặt trời và đồng thời theo dõi sự thay đổi công

suất khi có sự thay đổi của bức xạ mặt trời và các yếu tố

môi trường tác động.

Bộ điều khiển mờ được xây dựng dựa trên hai thông số

là tín hiệu điện áp và dòng điện của tấm pin theo thời gian

từ đó đầu vào của bộ điều khiển mờ sẽ là tỷ số dP/dV và tốc

độ sai lệch để theo dõi điểm làm việc cực đại của hệ thống

pin mặt trời.

Bảng luật mờ được trình bày trên bảng 1, gồm hai tín

hiệu là E và E, mỗi tín hiệu gồm 7 hàm liên thuộc cho ra

49 luật mờ để điều chỉnh độ rộng xung cấp cho mạch boost

DC/DC một chiều giúp giữ ổn định điện áp làm việc tại

điểm MPP và cũng như ổn định điện áp trước khi đưa vào

mạch nghịch lưu xoay chiều 3 pha.

Hình 7. Hàm liên thuộc đầu ra của bộ điều khiển

Trong đó với các MFs tương ứng kí hiệu là PB –

“Positive Big”, PM – “Positive Medium”, PS – “Positive

Small”, ZE – “Zero”, NS – “Negative Small”, NM – “

Negative Medium”, NB – “Negative Big”.

Bảng 1. Luật mờ bám điểm công suất cực đại

NB NM NS ZE PS PM PB



NB NB NB NB NM NM NS ZE

NM NB NB NB NM NS ZE PS

NS NB NB NM NS ZE PS PM

ZE NB NM NM ZE PS PM PB

PS NM NS ZE PS PM PB PB

PM NS ZE PM PM PB PB PB

PB ZE PM PS PB PB PB PB

Thuật toán điều khiển chu trình sạc/xả pin và siêu tụ

Bộ biến đổi DC/DC hai chiều có vai trò điều khiển chế

độ sạc/xả cho pin hay siêu tụ điện và đồng thời đây cũng là

mạch giúp ổn định điện áp một chiều trước khi đưa đến bộ

nghịch lưu xoay chiều.

Mạch sạc/ xả hai chiều được điều khiển bằng bộ điều

khiển mờ gồm ba đầu vào là độ sai lệch điện áp, độ biến

thiên dòng điện và dung lượng của bộ lưu trữ hay siêu tụ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 111[10]. Quá trình sạc/xả được điều khiển phụ thuộc vào các

thông số như điện áp, dòng điện, dung lượng hiện tại của

pin hay siêu tụ từ đó tín hiệu điều khiển hai van bán dẫn sạc

xả được điều chỉnh phù hợp với lượng công suất dùng để

lưu trữ hay phát ra giúp lưới điện hoạt động ổn định tăng độ

tin cậy cung cấp điện của hệ thống năng lượng mặt trời.

Hình 8. Mô hình mạch sạc/xả hai chiều cho pin và siêu tụ

Hình 9. Hàm liên thuộc đầu ra của bộ điều khiển sạc/xả

Trong đó với các MFs tương ứng kí hiệu là: NB –

“Negative Big”, ZE – “Zero”, PB – “Positive Big”,

Hàm liên thuộc đầu ra của bộ điều khiển được mô tả trên

hình 9 và các luật điều khiển được trình bày trong bảng 2.

Bảng 2. Luật mờ của bộ điều khiển sạc/xả

D Dv

NB ZE PB

NB NB NB PB

ZE NB PB PB

PB PB PB PB

D SOC

NB ZE PB

NB NB ZE ZE

ZE NB PB ZE

PB NB ZE ZE

Bộ điều khiển dòng điện và điện áp

Nhằm mục đích đảm bảo các yêu cầu về điện áp, tần số

của lưới điện hai vòng điều khiển là điện áp và dòng điện

đóng vai trò rất quan trọng giúp tạo ra xung điều chỉnh bộ

nghịch lưu điện áp một chiều từ nguồn điện DC lai ghép

thành điện áp xoay chiều ba pha và bộ điều khiển này được

mô tả trên hình 10.

Hình 10. Mạch vòng điều khiển dòng điện và điện áp

Trong đó vòng lặp điều khiển dòng điện được thiết kế

bên trong lấy các thông số đầu vào từ bộ điều khiển điện áp

bên ngoài để đưa ra vector tín hiệu đầu ra cho bộ điều khiển:

1 1 1

( ) pd id

dref Ld dref d q

k k

i i V V V ωC



    (4)

1 1 1

( ) pq iq

qref Lq dref q d

k k

i i V V V ωC



    (5)

 

* * .

P P m dt

 

  

 



 

(6)

3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN

Hình 11. Sơ đồ lưới điện nghiên cứu

Trong hình 11 là sơ đồ mạch lực của lưới điện nghiên

cứu với các thông số của lưới điện được tóm tắt trong bảng

3 và các thông số bộ điều khiển được trình bày trong bảng

Bảng3. Thông số lưới điện

Thông số Giá trị

Điện áp bộ lưu điện 500 V

Dung lượng bộ lưu điện 400 Ah

Điện áp siêu tụ 500 V

Dung lượng siêu tụ 20 F

Công suất phụ tải 1 150+j25 (kVA)

Công suất phụ tải 2 120+j5 (kVA)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 112Bảng 4. Thông số điều khiển

Thông số Giá trị

Kpc 1

Kic 0,001

Kpv 2,5

Kiv 0,04

Ts 5.10-5 (s)

Vdc 600 (V)

Quá trình vận hành của lưới điện được thực hiện theo

chu trình sau: Ban đầu hệ thống vận hành với tải 1 sau khi

hệ thống vận hành được 2s ta đóng thêm tải 2, trong quá

trình vận hành hệ thống pin mặt trời bị che khuất nên hệ số

bức xạ giảm nên công suất pin mặt trời bắt đầu giảm tại thời

điểm 3s, tại thời điểm 6s hiện tượng che khuất giảm dần,

công suất bắt đầu tăng trở lại. Đến thời điểm 8s ngắt phụ tải

2 khỏi lưới điện.

Hình 12. Tần số của lưới điện trong quá trình vận hành hệ thống

Tần số của lưới điện trong quá trình vận hành được thể

hiện trên hình12. Tần số lưới điện trong quá trình đóng tải

và ngắt tải đã xuất hiện những sự dao động nhẹ nhưng giá

trị tần số vẫn nằm trong giá trị cho phép 50 ± 0,2 (Hz).

Đặc tính sạc/xả của pin và siêu tụ được thể hiện trực

quan trên hình 13. Khi chưa đóng thêm tải công suất của tải

lớn hơn công suất phát ra của PV nên pin có xu hướng xả

để bù lại lượng công suất thiếu hụt và đóng vai trò giữ lưới,

lượng công suất của pin xả ra cung cấp cho phụ tải và lượng

dư thừa sẽ được dùng để sạc cho siêu tụ trở thành năng

lượng tích lũy dùng khi cần thiết.

Hình 13. Đặc tính sạc/xả của pin và siêu tụ

Hình 14. Điện áp một chiều DC bus

Trong quá trình vận hành lưới điện, với sự thay đổi công

suất phụ tải và pin mặt trời điện áp một chiều luôn được giữ

tại điểm điện áp đặt là 600 ± 2 (V) như hình 14 nhờ sự đáp

ứng nhanh của bộ điều khiển mờ.

Nghiên cứu điều khiển bộ lưu điện lai ghép trong hệ thống pin mặt trời sử dụng bộ điều khiển logic mờ (FLC)

Chủ đề:

Tài liệu liên quan

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Hỗ trợ

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi