BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT
CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành : 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2014
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM NGUYỄN THỊ BÍCH HẠNH
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT
CỦA MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN
LUẬN VĂN THẠC SỸ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành : 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
TS. HUỲNH CHÂU DUY


2
PGS.TS Trần Thu Hà
Phản biện 1
3
TS. Đinh Hoàng Bách
Phản biện 2
4
TS. Nguyễn Minh Tâm
Ủy viên
5
TS. Võ Hoàng Duy
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).

Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 18 tháng 01 năm 2014

Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu này là của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu ra trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được xin phép và cảm ơn. Tất cả các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ
rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn
Nguyễn Thị Bích Hạnh
ii

LỜI CÁM ƠN
Luận văn tốt nghiệp đánh dấu việc hoàn thành gần hai năm cố gắng học tập và
nghiên cứu. Đây cũng là luận văn đánh dấu cuối cùng trong quá trình học cao học.
Để có được kết quả hôm nay, tôi đã nhận được sự giúp đỡ tận tình của giáo viên
hướng dẫn, sự quan tâm của một số đồng nghiệp cũng như bạn bè. Qua đây tôi xin
phép được cảm ơn
Tôi xin chân thành cảm ơn TS.Huỳnh Châu Duy – Phó Viện Trưởng Viện Đào
Tạo Quan Hệ Quốc Tế – Trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Giảng viện bộ môn
Hệ Thống Điện – Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM, người thầy đã hết lòng chỉ
bảo, hướng dẫn, truyền đạt những kiến thức chuyên môn cũng như những kinh
nghiệm nghiên cứu trong suốt thời gian học tập và thực hiện luận văn.
Xin chân thành cảm ơn Ban Giám Hiệu, Ban chủ nhiệm khoa Cơ - Điện –
Điện tử, Phòng quản lý đào tạo sau đại học và tất cả Quí Thầy, Cô của Trường Đại
Học Công nghệ Tp.HCM đã giảng dạy, trang bị cho tôi những kiến thức rất bổ ích
và qúy báu trong suốt quá trình học tập cũng như nghiên cứu.
Xin cảm ơn Gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người luôn giành những tình

ABSTRACT
This study presents the Maximum Power Point Tracking (MPPT) technique of
Photovoltaics to adapt changing enviromental conditions. Therefrom uses the new
method by dividing the working point on the characteristics V-P of into three major
areas, including: Photovoltaics
- Areas 1: the left side of the maximum power point
- Areas 2: the maximum area
- Areas 3: the right of the maximum power point .
By defining the working point of the Photovoltaics are in areas where we can
quickly take the Photovoltaics to work at the maximum power point by adjusting
duty pulse of the boost circuit.
Results of Simulations and experimental measurements has shown that this
method has found the MPP faster, more stable and overcomes some disadvantages
of the algorithm Perturb and Observe, Incremental Conductance and the algorithm
voltage is const. v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN i
LỜI CÁM ƠN ii
TÓM TẮT iii
MỤC LỤC .v

3.5 Bộ biến đổi DC/DC 38
3.5.1 Bộ giảm áp (Buck) 38
3.5.2 Bộ tăng áp (Boost) 41
3.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp (Boost – Buck) 43
3.6 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 45
3.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 45
3.6.2 Điều khiển phản hồi công suất 46
3.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 47
3.7 Điểm làm việc cực đại của pin quang điện (MPP - Maximum Power Point)47
3.8 Hệ nhiều pin quang điện 51
3.8.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện 51
3.8.2 Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện 52
3.9 Kết luận 54
Chương 4 THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT PHÁT CỦA
MỘT HỆ NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN 56
4.1 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện 57
4.1.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) 57
4.1.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Incremental Conductance) 61
4.1.3 Thuật toán điện áp hằng số 63
4.2 Phương pháp điều khiển MPPT 65
4.2.1 Phương pháp điều khiển PI 65
4.2.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 66
4.2.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 69
4.3 Thuật toán đề xuất 69
4.3.1 Cấu hình cho bộ chuyển đổi năng lượng 69
vii

4.3.2 Thuật toán đề xuất tìm điểm công suất cực đại 70
4.3.3 Sơ đồ thuật toán đề xuất 72
Chương 5 KẾT QỦA MÔ PHỎNG 74


ix

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1 Thị trường tiêu thụ năng lượng thế giới của các nhóm quốc gia 2
Bảng 2.1 Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam 17
Bảng 3.1 Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo 30
Bảng 4.1 Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O 58
Bảng 5.1 Thông số của tấm pin P618-80W 77
Bảng 5.2 Bảng thông số của 1 module 36cell được xây dựng trong
Matlab/Simulink 77
x

DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH, SƠ ĐỒ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện 8
Hình 2.1 Thành phố sử dụng năng lượng mặt trời (Đức Châu – Trung Quốc) 12
Hình 2.2 Sân vận động sử dụng năng lượng mặt trời (Đài Loan) 13
Hình 2.3 Nhà sử dụng năng lượng mặt trời 13
Hình 2.4 Xe sử dụng năng lượng mặt trời 14
Hình 2.5 Máy bay sử dụng năng lượng mặt trời 14
Hình 2.6 Bếp sử dụng năng lượng mặt trời 15
Hình 2.7 Bình nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời 15
Hình 2.8 Phân bố tổng số giờ nắng 3 tháng 1, 2, 3 năm 2011 16
Hình 3.1 Cấu tạo của pin quang điện 25
Hình 3.2 Chất bán dẫn Si pha tạp P được gọi là bán dẫn loại N (Negative). 27
Hình 3.3 Chất bán dẫn Si pha tạp Boron được gọi là bán dẫn loại P (Positive) 27
Hình 3.4 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện 28
Hình 3.5 Sơ đồ pin quang điện thực tế 29
Hình 3.6 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS 30

Hình 3.23 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 46
Hình 3.24 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 47
Hình 3.25 Pin quang điện được nối với tải thuần trở 47
Hình 3.26 Đường đặc tuyến làm việc của pin khi kết nối tải 48
Hình 3.27 Các điểm làm việc cực đại thay đổi khi nhiệt độ thay đổi 48
Hình 3.28 Các điểm làm việc cực đại thay đổi khi bức xạ thay đổi 49
Hình 3.29 Sơ đồ khối của hệ thống chuyển đổi năng lượng tiêu biểu 49
Hình 3.30 Ghép nối tiếp các pin và đặc tuyến V-I 52
Hình 3.31 Ghép song song các pin và đặc tuyến V-I 53
Hình 3.32 Ghép hỗn hợp các pin và đặc tuyến V-I 54
Hình 4.1 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện 56
Hình 4.2 Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất. 57
Hình 4.3 Sơ đồ thuật toán P&O 59
Hình 4.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ 60
Hình 4.5 Thuật toán INC 61
Hình 4.6 Sơ đồ thuật toán INC 63
Hình 4.7 Sơ đồ thuật toán điện áp không đổi 64
Hình 4.8 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 66
Hình 4.9 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 67
Hình 4.10 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D 68
Hình 4.11 Cấu hình chung bộ chuyển đổi năng lượng của hệ pin quang điện 69
Hình 4.12 Cấu hình đề xuất của bộ chuyển đổi năng lượng 70
Hình 4.13 Phân chia đặc tuyến V-P thành 3 vùng 72
Hình 4.14 Sơ đồ thuật toán MPPT được đề xuất 73
Hình 5.1 Mô hình 1 cell pin quang điện được xây dựng trong Matlab/Simulink 74
xii

Hình 5.2 Mô hình 1 cell sau khi đã thu gọn 75
Hình 5.3 Mô hình bên trong 1 tấm pin được ghép từ 108 cell xây dựng trong
Matlab/Simulink 75


Chương 1
GIỚI THIỆU
Chương 1 giới thiệu khái quát một số nội dung liên quan đến tình hình năng
lượng trên thế giới. Một số hữu ích khi sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế
nguồn năng lượng truyền thống vẫn đang được sử dụng hiện nay. Khái quát nhận
định của một số quốc gia trên thế giới trong vấn đề sử dụng, phát triển nguồn năng
lượng tái tạo trong tương lai. Qua đó, thấy được tính thực tế cũng như mục tiêu cần
thiết khi nghiên cứu đề tài. Trong chương giới thiệu cũng đề cập đến bố cục, khái
quát một số nội dung cũng như phương pháp nghiên cứu của đề tài.
1.1 Đặt vấn đề
Ngày nay, tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng. Điều
này càng thể hiện rõ vai trò quan trọng của ngành năng lượng và trở thành yếu tố
không thể thiếu trong cuộc sống. Hai lý do chính khiến nhu cầu sử dụng năng lượng
gia tăng đó là sự phát triển dân số và kinh tế.
Dân số và kinh tế là hai yếu tố quan trọng để thúc đẩy sự phát triển của mỗi
quốc gia. Sự đi lên này gắn liền với việc sử dụng năng lượng. Hay nói cách khác,
muốn phát triển kinh tế thì phải phát triển năng lượng. Vấn đề năng lượng hiện nay
đang là chủ đề nóng và được cả thế giới quan tâm.
Theo nghiên cứu và đánh giá về tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới,
các nhà nghiên cứu nhận định rằng thị trường tiêu thụ năng lượng ở các quốc gia
trên thế giới không ngừng gia tăng. Đặc biệt gia tăng mạnh mẽ ở một số nhóm các
quốc gia như Bắc Mỹ, Châu Á, Châu Âu Thị trường tiêu thụ năng lượng trên thế
giới của một số nhóm quốc gia điển hình từ năm 2007 đến 2035 được trình bày ở
bảng 1.1 [1]. 2

Bảng 1.1 Thị trường tiêu thụ năng lượng thế giới của các nhóm quốc gia

82.0
83.0
85.0
86.5
88.2
0.2
Châu Á
39.7
39.7
41.8
43.3
44.8
46.3
0.5
Không phát
triển kinh tế
249.5
297.5
336.3
375.5
415.2
450.0
2.2
Châu Âu và
Á Âu
51.5
52.4
54.2
56.2
57.8

35.5
38.7
42.2
45.7
1.8
Tổng sản
lượng thế giới
495.2
543.5
590.5
638.7
686.5
738.7
1.4
3

1.2 Tính cần thiết
Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng
truyền thống như dầu mỏ, than đá… càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Bên
cạnh đó, việc sử dụng những năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động
xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng
tầng ozôn… là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải
ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, hạn hán, lũ lụt… gây hại cho
môi trường sống của con người.
Trước tình hình đó, việc phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp
ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần lớn mạnh hàng ngày, thay thế những
nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt trở nên cần thiết đòi
hỏi nhiều sự quan tâm.
Tầm quan trọng của phát triển nguồn năng lượng mới cũng được thúc đẩy bởi
nhận thức của người dân về vấn đề môi trường. Thực tế, có nguồn năng lượng khác

lượng tái sinh vẫn chưa phổ biến trên thế giới là do những nghiên cứu chưa sâu, các
công nghệ khai thác năng lượng tái sinh vẫn còn nhiều hạn chế, khiến cho giá thành
sản xuất vẫn cao [2].
Mặt khác, theo nghiên cứu của Cơ quan Năng lượng Quốc tế (IEA), trong
năm 2011, lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên thế giới đã tăng 3,2% so với
năm 2010 bất chấp các nỗ lực không ngừng của nhiều nước trên thế giới. Điều này
khiến hiện tượng biến đổi khí hậu trầm trọng thêm và gây thiệt hại lớn đối với nền
kinh tế toàn cầu.
Riêng tại khu vực Mỹ Latinh, theo nghiên cứu do ngân hàng phát triển Liên
Bang Mỹ (BID) công bố trước thềm hội nghị liên hợp quốc về môi trường và phát
triển sắp tới ở Brazil, nếu nhiệt độ tăng thêm 2
0
C, khu vực này sẽ phải gánh chịu
thiệt hại vật chất tới 100 tỷ USD/năm cho đến năm 2050.
5

Cuối tháng 8/2011, Tổng Thư ký Liên hợp quốc Ban Ki-Moon đã lên tiếng
kêu gọi thế giới tiến hành một cuộc “cách mạng năng lượng sạch” để giúp chuyển
đổi nền kinh tế thế giới và đưa thế giới trở lại con đường phát triển sạch, an toàn và
hợp lý hơn. Ông nhấn mạnh: “Các nước đi theo hướng nhanh chóng phát triển năng
lượng sạch sẽ trở thành cường quốc kinh tế trong thế kỷ 21. Người dân các nước
này cũng sẽ được tận hưởng không khí sạch hơn, có sức khỏe tốt hơn, khả năng
cạnh tranh trên thị trường thế giới cao hơn và an ninh tốt hơn”.
Dù vậy, tốc độ phát triển các nguồn năng lượng thay thế quá chậm chạp. Từ
lâu, các nhà lập chính sách đã nhận thấy rằng các nguồn năng lượng mới là hết sức
cần thiết để bù đắp cho các nguồn năng lượng hiện có đang ngày càng cạn kiệt và
để giảm bớt lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính làm thay đổi khí hậu toàn cầu.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng
lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng
lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang

cũng tồn tại một số nhược điểm nhất định như tốc độ dò tìm chậm, dò công suất
chưa chính xác khi thay đổi bức xạ đột ngột Bài toán đặt ra là cần phải tìm được
điểm công suất cực đại nhanh hơn, chính xác hơn ngay cả khi thay đổi các điều kiện
về nhiệt độ hay bức xạ, xét đến cả việc kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện.
Đề tài tập trung nghiên cứu các phương pháp tìm điểm công suất cực đại của
hệ pin quang điện khi kết hợp hai hay nhiều tấm pin quang điện. Dựa theo các đặc
tuyến của pin quang điện thì khi kết hợp nhiều tấm pin sẽ tồn tại điểm cực trị. Điểm
cực trị ấy là các điểm vận hành tối ưu của các tấm pin, nơi mà công suất nhận được
là lớn nhất. Tuy nhiên, điểm vận hành tối ưu này không cố định mà nó thay đổi theo
các điều kiện môi trường đặc biệt là bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin quang điện.
Mục tiêu chính của đề tài là phải tìm được điểm vận hành tối ưu nơi mà công suất
nhận được là lớn nhất trong các điều kiện khác nhau, đặc biệt là điều kiện về nhiệt
độ và bức xạ.

7

1.6 Nội dung nghiên cứu
 Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời.
 Nghiên cứu mô hình toán liên quan đến pin quang điện.
 Nghiên cứu các bộ chuyển đổi DC/DC.
 Nghiên cứu các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại.
 Nghiên cứu phân tích và đề xuất xây dựng giải thuật cho việc tìm
điểm công suất cực đại khi kết hợp nhiều pin quang điện.
 Mô phỏng thuật toán tìm điểm công suất phát của một hệ nhiều pin
quang điện bằng phần mềm Matlab/Simulink với thuật toán đề xuất.
1.7 Phạm vi nghiên cứu của đề tài
Một hệ pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời cơ bản bao gồm 2 loại:
- Hệ pin quang điện quang điện làm việc độc lập.
- Hệ pin quang điện làm việc với lưới.
Tùy theo điều kiện về nhu cầu sử dụng và vị trí địa lý lắp đặt mà hệ nào được