M CL C
Trangătựa

TRANG

LÝ L CH KHOA H C .................................................................................... i
L IăCAMăĐOAN ............................................................................................ ii
L I C Mă N ................................................................................................. iii
TÓM T T ....................................................................................................... iv
ABSTRACT ......................................................................................................v
M C L C ....................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC CH

VI T T T/KÝ HI U ........................................ ix

M C L CăCÁCăHINH ....................................................................................x
M C L C CÁC B NG ............................................................................... xiii
Ch

ngă1 ...........................................................................................................1

T NG QUAN....................................................................................................1
1.1 T ng quan v lĩnhăvực nghiên c u ...................................................... 1
1.2 Lý do ch năđ tài .................................................................................... 5
1.3Các nghiên c u khoa h c có liên quan ................................................... 6
1.4 M c tiêu và nhi m v ............................................................................. 7
1.5 Ph m vi nghiên c u ................................................................................ 7
1.6 Ph

ngăphápănghiênăc u ....................................................................... 7


2.2.3ăăPinăquangăđi n d ngăkeoăn

c (Lá nhân t o)..............................18

2.3 K t n i h th ngăpinăquangăđi n v iăl

iăđi n .................................. 19

2.3.1 Tính cần thi t của vi c k t n i h pinăquangăđi năvƠoăl

iăđi n19

2.3.2ăăCácăđi u ki năhòaăđ ng b hai ngu n áp .....................................20
2.4 Các gi i thu tătìmăđi m công suất cựcăđ i ......................................... 25
2.4.1 Gi i thu t P&O (Perturb and Observe).......................................25
2.4.2 Gi i thu t INC (Incremental Conductance) ................................28
2.4.3 Gi i thu t INC c i ti n (modified Incremental Conductance mINC)........................................................................................................30
2.5 Mô hình l c LCL ngõ ra ...................................................................... 32
Ch

ngă3 .........................................................................................................33

MÔ HÌNH TÍNH TOÁN PIN QUANGăĐI N VÀ B

NGH CHăL U ....33

3.1ăăMôăhìnhăpinăquangăđi n ....................................................................... 33
3.1.1ăăPh

ngătrìnhăt


ngă4 .........................................................................................................43

MÔ PH NG H TH NGăPINăQUANGăĐI N N I L
4.1 Mô ph ng h th ngăpinăquangăđi n n iăl

I ......................43

i ...................................... 43

4.1.1 Mô ph ng h th ngăpinăquangăđi n ..............................................44
4.1.2 Mô ph ng m ch ngh chăl uă3ăpha ................................................45
4.1.3 Mô ph ng m ch l c công suất LCL ..............................................46
4.1.4 Mô ph ng kh iăđi u khi n .............................................................47

vii


4.1.5 Mô ph ng kh iăgiámăsátăvƠăđoăđ m ..............................................50
4.2 K t qu mô ph ng h th ngăpinăquangăđi n n iăl

i........................ 52

4.2.1 K t qu mô ph ng v i gi i thu t INC ..........................................52
4.2.2 K t qu mô ph ng v i gi i thu t mINC .......................................56
4.3 Mô ph ng m ch ngh chăl uăb măcôngăsuất ph năkhángălênăl

i ... 61

4.4 So sánh k t qu mô ph ng gi a hai gi i thu t................................... 61

mINC (Improved Incremental Conductance)μ Giải thuật INC cải tiến
MPP (Maximum Power Point)μ Điểm công suất cực đại
MPPT (Maximum Power Point Tracking): Dò tìm điểm công suất cực đại
NLMTμ Năng lượng mặt tr i
P&O (Perturb and Observe): Giải thuật nhiễu loạn và quan sát
PLL (Phase – Lock Loop): Vòng khóa pha
PV (Photovoltaic)μ Pin quang điện
PWM (Pulse – Width Modulation)μ Điều chế độ rộng xung
SPWM (Sinusoidal Pulse – Width Modulation)
Vmppμ Điện áp tại điểm công suất cực đại
Vocμ Điện áp h mạch

ix


M C L CăCÁCăHINH
Hình 1.1:Lưu đồ giải thuật P&O ................................................................................ 3
Hình 1.2: Lưu đồ giải thuật cho phương pháp INC ................................................... 5
Hình 2.1: Phổ c a mặt tr i ngoài khí quyển .............................................................. 9
Hình 2.2: Phổ năng lượng mặt tr i có ích và hao phí .............................................. 10
Hình 2.3: Đặc tuyến I-V, P-V c a pin quang điện và điểm công suất cực đại ........ 11
Hìnhă2.4: Các loại pin quang điện thương gă ̣p ........................................................ 11
Hìnhă2.5: Câu ta ̣o cơ bản của mô ̣t tê bao quang điê ̣n Silic ...................................... 12
Hìnhă2.6: Nguyên li hoa ̣t đô ̣ng của mô ̣t tê bao quang điê ̣n Silic ............................. 13
Hìnhă2.7: Hoạt động cơ bản c a một bộ pin quang điện .......................................... 15
Hìnhă2.8: Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC ................................................. 15
Hìnhă2.9: Câu ta ̣o của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC ............................. 16
Hìnhă2.10: Nguyên ly hoa ̣t đô ̣ng của pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC ...... 17
Hìnhă2.11: Hình ảnh mô phỏng cấu tạo lá nhân tạo ................................................. 18
Hìnhă2.12: Công tắc song song ................................................................................ 22

SPWM ....................................................................................................................... 42
Hình 4.1: Sơ đồ nguyên lý c a hệ thống điều khiển pin quang điện nối lưới .......... 43
Hình 4.2: Sơ đồ tổng quát một hệ thống pin quang điện hòa lưới ........................... 44
Hình 4.3: Mô phỏng khối pin quang điện ................................................................ 45
Hình 4.4: Mô phỏng mạch nghịch lưu 3 pha nối lưới .............................................. 46
Hình 4.5: Mô phỏng mạch lọc LCL ......................................................................... 46
Hình 4.6: Mô phỏng khối điều khiển ....................................................................... 47
Hình 4.7: Mô phỏng khối giải thuật MPPT INC cải tiến ......................................... 47
Hình 4.8a: Chuyển đổi hệ trục tọa độ abc-αβ .......................................................... 48
Hình 4.8b: Chuyển đổi hệ trục tọa độ αβ-dq............................................................ 48
Hình 4.9: Mô phỏng khối chuyển đổi Park .............................................................. 49
Hình4.10: Mô hình PLL cơ bản ............................................................................... 50
Hình 4.11:Mô phỏng khối PLL ................................................................................ 50
Hình 4.12:Mô phỏng khối đo đếm và hiển thị ......................................................... 51
Hình 4.13: Đồ thị P - V c a hệ thống pin quang điện dùng trong mô phỏng ng với
b c xạ 1 (kW/m2 ) ..................................................................................................... 52
Hình 4.14: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi c a b c xạ NLMT .................................... 52
Hình 4.15: Đồ thị Vpv .............................................................................................. 53

xi


Hình 4.16: Đồ thị công suất ngõ ra c a pin quang điện ........................................... 53
Hình 4.17: Đồ thị dòng điện ngõ ra c a pin quang điện .......................................... 54
Hình 4.18: Đồ thị dòng điện bơm vào lưới thông qua bộ nghịch lưu ...................... 54
Hình 4.19: Đồ thị điện áp lưới ................................................................................. 55
Hình 4.20: Thông số sóng hài dòng điện bơm vào lưới ........................................... 55
Hình 4.21: Thông số sóng hài điện áp lưới .............................................................. 56
Hình 4.22: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi c a b c xạ NLMT .................................... 56
Hình 4.23: Đồ thị Vpv .............................................................................................. 57

loài ngư i là việc phát minh ra lửa và dùng các loại nhiên liệu tự nhiên như c i rừng
để duy trì ngọn lửa, nh đó đã phát triển thành một nền văn minh c a nhân loại và
thoát khỏi cuộc sống c a động vật. Sau nhiều nghìn năm mãi đến thế kỷ th nhất
trước công nguyên con ngư i mới biết dùng s c nước để làm quay guồng nước, và
đến đầu thế kỷ th XII mới biết sử dụng s c gió để làm quay cối xay gió. Khoảng
nửa cuối thế kỷ th XVIII con ngư i mới phát hiện được nguồn nhiên liệu hóa
thạch nhưμ Than đá, dầu và khí đốt tự nhiên. Đến giữa thế kỷ XX nhà máy điện
nguyên tử đầu tiên c a thế giới ra đ i, nh đó đã thỏa mãn được nhu cầu năng
lượng c a con ngư i và đưa nền văn minh c a nhân loại tiến một bước dài như ngày
nay.
Tuy nhiên, các nguồn năng lượng hóa thạch là có hạn, con ngư i khai thác đến
một lúc nào đó sẽ hết, hơn nữa khi khai thác và sử dụng các nguồn nhiên liệu hóa
thạch, th y điện và điện nguyên tử… đã để lại cho loài ngư i những hậu quả về tác
động môi trư ng là vô cùng lớn lao. Một trong những hậu quả đó là khi sử dụng các
nguồn nhiên liệu này đã thải ra môi trư ng các loại khí độc làm ô nhiễm bầu khí
quyển bao quanh Trái Đất, mà hậu quả tai hại c a hiện tượng này đãlàm thay đổi
khí hậu, tác động xấu đối với cuộc sống hiện nay và tương lai c a loài ngư i.
Ngày nay, khi mà tiềm năng th y điện đã được con ngư i khai thác gần hết,
còn các nguồn nhiên liệu nhưμ Than, dầu khí thì không có khả năng tái tạo và trong
tương lai không xa sẽ cạn kiệt, khi mà năng lượng nguyên tử còn đặt ra quá nhiều
tranh cãi b i sự độc hại c a nó thì việc nghiên c u tìm ra các nguồn năng lượng mới
và sạch đã tr thành nghiên c u mũi nhọn c a nhiều quốc gia, đặt biệt là các
nướcphát triển. Trong công cuộc đi tìm nguồn năng lượng mới này, con ngư i đã
đạt được những thành công nhất địnhμ Đó là sự ra đ i c a các trung tâm phát điện

1


dùng năng lượng gió, năng lượng mặt tr i với công suất lên tới hàng ngàn MW. Tuy
nhiên những nguồn năng lượng trên tương đối phụ thuộc vào tự nhiên.



Phương pháp P&Oμ Phương pháp P&O được sử dụng rộng rãi trong MPPT vì
cấu trúc đơn giảnvà nó đòi hỏi chỉ có một vài các thông số. Hình 1.1 biểu diễn lưu
đồ giải thuật phương pháp P&O.
Ngõ vào: V(t), I(t), V(t-Δt), P(t) & P(t-Δt)

ΔV(t)=V(t) - V(t-Δt)
ΔP=P(t) - P(t-Δt)

Đúng

ΔP = 0
Sai

Sai

Đúng

ΔP > 0

ΔV > 0

ΔV > 0

Đúng

Sai

Giảm

điểm cực đại. Tỷ số độ thay đổi dòng điện và điện áp được so sánh với tỷ số dòng
điện và điện áp t c th i để biết được PV đang vận hành

bên trái hay bên phải so

với điểm cưc đại. Khi điểm vận hành c a PV đến được điểm cực đại, giá trị đặt sẽ
được giữ không đổi.Khi có sự thay đổi về điều kiện môi trư ng và tải, giải thuật sẽ
so sánh tiếp để điều chỉnh giá trị đặt nhằm bắt công suất cực đại mới.Hình 1.2 bên
dưới biểu diễn lưu đồ giải thuật Incond.

4


Bắt đầu

Ngõ vào: V(k), I(k)

dV=V(k)-V(k-1)
dI=I(k)-I(k-1)

dV=0

Sai

V(k)=V(k-1)

Đúng

Đúng



Cập nhật V(k-1)=V(k), I(k-1)=I(k)

Quay về

Hìnhă1.2:ăL uăđ ăgi iăthu tăchoăph

ngăphápăINC

1.2Lý do ch năđ tài
Một trong những vấn đề chính c a lĩnh vực điện hiện nay là nhu cầu tiêu thụ
điện tăng dần hàng ngày nhưng lại thiếu hụt nguồn điện cung cấp. Hiện nay các
nguồn điện thông thư ng đang thiếu hụt vì nguyên nhân cạn kiệt tài nguyên.Vì vậy,
các dạng năng lượng tái tạo như năng lượng gió và năng lượng mặt tr i, cùng với
những sự phát triển mạnh mẽ c ađiện tử công suất ng dụngthì việc sử dụng năng
lượng mặt tr i ngày càng rộng rải.Chính điều này cũng làm giảm sự lệ thuộc vào
nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu khí… giảm tác động đến môi trư ng.

5


Để giải quyết các bài toán kh ng hoảng năng lượng hiện tại, cần phải có một
phương phápđể nhận công suất cực đại từ các nguồn năng lượng tái tạo, ví dụ như
năng lượng b c xạ mặt tr i.Trong khi đó, các công nghệ sản xuất bộ chuyển đổi
công suất đã làm giảm dần về kích cỡ và tăng cao về công suất chuyển đổi.Trong
những năm gần đây, sự phát triển mạnh c a điện tử công suất và khoa học về vật
liệu đã giúp cho các kỹ sư tiếp cận với một hệ thống điện tử công suất mạnh mẽ
kích thước nhỏ gọn đáp

ng được nhu cầu chuyển đổi công suất hiệu suất

- Võ Long Giang, “Điều chỉnh điện áp MPP trong hệ thống điện mặt tr i nối
lưới”, Trư ng đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Tp. HCM, năm 2014.
1.4M c tiêu và nhi m v
- Tìm hiểu và nghiên c u về năng lượng mă ̣t trơi.
- Tìm hiểu về đặc tính pin quang điện.
- Tìm hiểu về các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại.
- Dùng phần mềm Matlab mô phỏng hệ thống pin quang điện hòa vào lưới
điện3 pha với giải thuật mINC.
1.5Ph m vi nghiên c u
- Nghiên c u khái quát về năng lượng mă ̣t trơi và các thông số.
- Nghiên c u về các giải thuật MPPT thông dụng hiện nay.
- Nghiên c u mạch nghịch lưu dùng phương pháp PWM công suất nhỏ
bapha.
- Nghiên c u giải thuật mINC với bước nhảy điện áp thay đổi tối ưu.
- Sử dụng Matlab/Simulink thành lậpchương trình mô phỏng hệ thống pin
quang điện.
1.6Ph

ngăphápănghiên c u

- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học).
- Tham gia các hội nghị và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên c u.
- Mô hình hóa mô phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink
- Phân tích và đánh giá các kết quả mô phỏng.
1.7Đi m m i của lu năvĕn
- Mô phỏng phương pháp điều khiển tối ưu công suất bằng phương pháp điều
khiển dòng kết hợp giải thuật MPPT.

7


2.1 T ng quan v nĕngăl

NG M T TR I
ng m t tr i và đi m công suất cựcăđ i

Trong lòng mặt tr i có nhiệt độ khoảng 15 triệu Kelvin, nhưng b c xạ từ bề
mặt c a mặt tr i tương đồng với vật thể đen có nhiệt độ 5800 K. Hình 2.1 diễn tả
phổ b c xạ c a mặt tr i và phổ b c xạ c a vật thể đen 5800 K. Công suất b c xạ
c a vật thể đen 5800K (toàn bộ diện tích c a đư ng cong) là 1,37 kW/m2, bằng với
công suất b c xạ tổng c a mặt tr i

ngoài khí quyển trái đất. Công suất b c xạ

tổng c a mặt tr i được phân tỷ lệ như sauμ Những bước sóng dưới tia cực tím
(UltraViolet-UV) chiếm 7%, trong vùng khả kiến chiếm 47%, từ vùng hồng ngoại
(Infrared-IR) tr lên chiếm 46%. Bước sóng trong vùng khả kiến có độ lớn từ
0,38µm đến 0,78 µm.
Khi b c xạ mặt tr i đi vào khí quyển cúa trái đất sẽ bị hấp thu b i nhiều thành
phần. Do đó, đư ng cong phổ b c xạ c a mặt tr i nhận được trên mặt đất bị méo
dạng nhiều so với ngoài không gian. Phổ b c xạ nhận được trên mặt đất còn phụ
thuộc vào góc chiếu c a mặt tr i so với bề mặt trái đất.

Hình 2.1: Phổ c a mặt tr i ngoài khí quyển

9


Mặt tr i b c xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia
b c xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia b c xạ ( ng
với bước sóng ) có năng lượng lớn hơn m c năng lượng kích hoạt electron (tuỳ

dẫn) là các silic tinh thể. Pin quang điện từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:

Hìnhă2.4: Các loại pin quang điện thương gă ̣p

11


- Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình
Czochralski. Đơn tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thư ng rất mắc tiền
do được cắt từ các thỏi hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống

góc nối

các module.
- Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc-đúc từ Silic nung chảy cẩn thận được làm
nguội và làm rắn. Các pin này thư ng rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất
kém hơn. Tuy nhiên chúng có thể tạo thành các tấm vuông nên che ph bề mặt
nhiều hơn loại đơn tinh thể bù lại cho hiệu suất thấp c a nó.
- Dải Silic tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể, loại này thư ng có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các
loại vì không cần phải cắt từ thỏi silicon.
Tư cac tê bao pin quang điện c a cả ba loại trên có dạng các tấm mỏng với
đô ̣ day khoảng 300 m. Để sử du ̣ng hiê ̣u quả cac tâm pin quang điê ̣n , ngươi ta ghep
chúng lại để cho ra các module pin quang điện. Sô lươ ̣ng cũng như cach thưc ghep
các tấm pin quang điện này phụ thuộc vào nhu cầu sử dụng.
- Cơuăta ̣oăvaăhoa ̣tăđô ̣ngăcủaăpinăquangăđi n bán d n Silic
Vật liệu xuất phát để làm pin quang điệnbán dẫn Silic phải là bán dẫn Silic
tinh khiết.

dạng tinh khiết, còn gọi là bán dẫn ròng số hạt tải (hạt mang điện) là

thành bán dẫn loại n, bán dẫn loại p, lớp tiếp giáp giữa hai loạị chính là lớp chuyển
tiếp p-n.

chỗ tiếp xúc p-n này một ít electron

loại p lấp vào lỗ trống thiếu electron. Kết quả là

bán dẫn loại n chạy sang bán dẫn
lớp tiếp xúc p-n có một vùng

thiếu electron và cũng thiếu cả lỗ trống, ngư i ta gọi đó là vùng nghèo. Sự dịch
chuyển điện tử để lấp vào lỗ trống tạo ra vùng nghèo này cũng tạo nên hiệu thế gọi
là hiệu thế
ra

tiếp xúc p-n, đối với Silic vào cỡ 0,6V đến 0,7 V. Đây là hiệu thế sinh

chỗ tiếp xúc không tạo ra dòng điện được.

Hìnhă2.6: Nguyên li hoa ̣t đô ̣ng của mô ̣t tê bao quang điê ̣n Silic

13


Nhưng nếu đưa phiến bán dẫn đã tạo lớp tiếp xúc p-n phơi cho ánh sáng mặt
tr i chiếu vào thì photon c a ánh sáng mặt tr i có thể kích thích làm cho điện tử
đang liên kết với nguyên tử bị bật ra khỏi nguyên tử, đồng th i

nguyên tử xuất



14


Hìnhă2.7: Hoạt động cơ bản c a một bộ pin quang điện

2.2.2Pin quangăđi n nh y c m chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell)
DSC là một loại Pin quang điện mới, giá rẻ, dễ làm. Loại pin này do Michael
Gratzel

trư ng Bách khoa Lausane (Thụy Sĩ) chế tạo lần đầu vào năm 1λλ1 nên

còn có tên là pin Gratzel.

Hìnhă2.8:Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC

15


Cấu tạo nguyên thuỷ c a pin DSC gồm ba phần chính (hình 2.9). Trên cùng là
một lớp mỏng chất dẫn điện trong suốt, đóng vai trò anôt làm bằng oxyt thiếc pha
tạp fluo (SnO2:F). Lớp này ph lên tấm thuỷ tinh trong suốt. Tiếp đó là một lớp có
diện tích bề mặt rất lớn, lớp dẫn điện SnO2:F và lớp hạt bột oxyt titan (TiO2) được
nhúng vào hỗn hợp chất màu nhạy quang ruthenium -polypyridin và dung môi. Sau
khi nhúng, một lớp mỏng chất màu nhạy quang bám dính vào các hạt TiO2 bằng
liên kết cộng hoá trị. Tiếp đó mặt sau được tráng bằng một lớp mỏng chất điện ly
Iôt và đậy kín bằng tấm điện cực kim loại, thư ng là platin. Toàn bộ được dán kín
sao cho dung dịch không bị rò chảy ra.

Hìnhă2.9: Câu ta ̣o của Pin quang điện nhạy cảm chất màu DSC

- Vật liệu chế tạo rẻ, dễ kiếm. Đặc biệt TiO2 là chất bột trắng hay dùng để làm
sơn trắng rất phổ biến.
-

Kỹ thuật chế tạo đơn giản, không phải cần máy móc cao cấp đắt tiền như
trư ng hợp pin quang điệnbán dẫn Silic. Thậm chí có thể làm pin quang điện
kiểu này theo cách th công.

17