BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
LÝ CÔNG NGUYÊN

KHẢO SÁT THUẬT TOÁN DÒ TÌM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ
BỘ CHUYỂN ĐỔI DC-DC, DC-AC
S

K

C

0

0

3

9

5

9

NGÀNH : THIẾT BỊ MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 3 9 6 5

Hướng dẫn khoa học:
PGS.TS NGUYỄN HỮU PHÚC

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 04 /2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC
I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC:
Họ & tên: LÝ CÔNG NGUYÊN

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 21/10/1983

Nơi sinh: Phú yên

Quê quán: Phú Yên

Dân tộc: Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: 45 Mai Xuân Thưởng, Phường 5, TP Tuy Hòa, tỉnh
Phú Yên.
Điện thoại cơ quan:

ĐT nhà: 0573893689

Fax:

E-mail:



LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ công trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013
(Ký tên và ghi rõ họ tên)

Lý Công Nguyên

ii


LỜI CẢM TẠ
Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS. NGUYỄN HỮU PHÚC, người thầy đã
đề ra phương hướng, hết lòng chỉ bảo, tận tình hướng dẫn và dìu dắt trong suốt thời
gian tôi học tập và thực hiện luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy Cô trong ban Giám Hiệu, Ban chủ
nhiệm Khoa Điện – Điện tử, Phòng Đào tạo sau đại học và thư viện Trường Đại
Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM, đã nhiệt tình giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi hoàn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin cảm ơn gia đình, bạn bè, đồng nghiệp và các bạn học cùng khóa, đã giúp
đỡ , động viên, góp ý xây dựng trong thời gian nghiên cứu, học tập và thực hiện
luận văn này.
Xin kính chúc sức khỏe và chân thành cảm ơn !
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 04 năm 2013
Học viên thực hiện

Lý Công Nguyên


a major drawback of the Photovoltaic (PV) source is its low-effect and
ineffectiveness during the nights or low insolation periods or during partially
shaded conditions. High initial capital cost has been another problem in the
popularity of PV systems.To increase power and decrease cost, it is imperative to
operate the PV source at Maximum Power Point so that maximum power can be
extracted.
 This thesis has been:
- Construction algorithms and simulation algorithms to find the maximum
power point P & O, the algorithm increases the total lead, the open circuit voltage
ratio algorithm.
- Successful simulation model of the solar system, the maximum power point
algorithm combined with converters DC / DC and DC / AC.
- From the results of the survey method to make comments on the advantages
and disadvantages of each method to get the correct choice for each specific
application areas.

v


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục .....................................................................................................................vii


1.5

Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học. ................................................. 11

1.6

Nhiệm vụ của luận văn ................................................................................. 12

1.7

Phạm vi nghiên cứu ....................................................................................... 12

1.8

Phương pháp nghiên cứu .............................................................................. 12

1.9

Giá trị thực tiễn của đề tài ............................................................................ 13

Chƣơng 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

14

2.1

Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. ............................................... 14

2.1.1

Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT ..................................... 28

2.3.1

Giới thiệu chung ............................................................................................ 28

2.3.2

Nguyên lý cân bằng tải .................................................................................. 30

2.3.3

Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT ................ 31

2.3.3.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O ....................................................... 32
2.3.3.2 Thuật toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần .................. 33
2.3.4

Phương pháp điều khiển MPPT. ................................................................... 34

2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp. ................................................................ 34
2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. .......................................... 35
2.3.5

Giới hạn của MPPT. ...................................................................................... 37

2.4

Bộ lưu giữ năng lượng .................................................................................. 37


Chƣơng 3. PHƢƠNG PHÁP

43

DÕ TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰA ĐẠI (MPPT)
3.1

Điểm công suất cực đại ................................................................................. 43

3.2.

Giải thuật P&O (Perturb & Observe) ............................................................ 45

3.2.1

Lưu đồ giải thuật P&O .................................................................................. 47

3.2.2

Mô phỏng giải thuật P&O bằng Matlab ........................................................ 47

3.2.3

Nhược điểm của giải thuật P&O ................................................................... 48

3.3

Giải thuật P&O cải tiến ................................................................................. 50

3.3.1


3.6

Nhận xét chung ............................................................................................. 62

3.6.1

Ưu điểm ......................................................................................................... 62

3.6.2

Khuyết điểm .................................................................................................. 62

3.6.2.1 Đối với giải thuật P&O cải tiến ..................................................................... 62
3.6.2.2 Đối với thuật toán điều khiển điện áp hở mạch ............................................ 63
3.6.2.3 Đối với thuật toán tăng tổng dẫn ................................................................... 63
Chƣơng 4. BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƢỢNG

64

TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT
4.1

Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC kết hợp MPPT ............................... 64

viii


4.1.1



4.2.5

Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn ...................................................... 83

4.2.6

Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch .......................................... 85

4.2.7

Nhận xét chung .............................................................................................. 86

Chƣơng 5. KẾT LUẬN

88

5.1

Kết luận ......................................................................................................... 88

5.2

Hướng phát triển của đề tài ........................................................................... 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 92

ix


HÌNH

TRANG

Hình 1.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

2

Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời

2

Hình 1.3: Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay

3

kết nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn.
Hình 1.4: Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ

4

thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống
bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.
Hình 1.5: Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của

4

hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong
hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

13

Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2

14

Hình 2.4: Các vùng năng lượng

14

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời

16

Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời

17

Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

17

Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời

18

phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời.

xi


Hình 2.16: Mạch vòng điều khiển điện áp

25

Hình 2.17: Mạch vòng dòng điện phản hồi

26

Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu

26

Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge

27

Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge

27

Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở

28

có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị

28

điện trở thay đổi được

hệ số làm việc D
Hình 2.30: Lưu đồ thuật toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển
đo trực tiếp tín hiệu ra

xii

35


Hình 3.1:

Các trường hợp hở mạch (a), ngắn mạch (b), và kết nối tải (c)

44

Hình 3.2:

Đồ thị V-A và công suất

44

Hình 3.3:

Đồ thị xác định MPP

45

Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra

46

Hình 3.12: Đặc tuyến I-P của PV khi chiếu độ thay đổi

53

Hình 3.13: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến

53

Hình 3.14: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật P&O cải tiến

54

Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ không đổi

55

Hình 3.16: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ thay đổi

55

Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch

57

Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 58
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch

59

chiếu độ không đổi

64

cường độ bức xạ thay đổi từ 400W/m2 đến 1000W/m2
Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một module khi

64

nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 75oC
Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày

65

(số liệu ghi nhận chỉ có tính tương đối)
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi cường độ bức xạ

67

thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2
Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của

68

hai tập hợp con trong nhóm1
Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của

68

hai tập hợp con trong nhóm 2
Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của



của hai tập hợp con trong nhóm 1.
Hình 4.14: Những đường cong đặc tính I – V và P – V

78

của hai tập hợp con trong nhóm 2.
Hình 4.15: Những đường cong đặc tính I – V và P – V
của hai tập hợp con trong nhóm 3.

xiv

80


Hình 4.16: Những đường cong đặc tính I – V và P – V

81

của hai tập hợp con trong nhóm 4.
Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I – V và P – V

81

của một tập hợp con trong nhóm 5.
Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O
Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha

ia


86
87

xv


Chương 1 Tổng quan

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tính cần thiết của đề tài.
Nguồn năng lượng đóng vai trò quyết định nền văn minh của nhân loại. Các
nguồn năng lượng hóa thạch (dầu lửa, than đá) hiện nay đang được sử dụng phổ
biến nhưng lại gây ô nhiễm môi trường và sẽ cạn kiệt trong một tương lai gần.
Nguồn năng lượng nguyên tử thì không an toàn. Trong khi đó mặt trời cung cấp một
nguồn năng lượng vô cùng tận và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản
sinh ra chất thải hủy hoại môi trường. Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang
trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết
bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang
dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không
đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và
hiệu quả. Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán
năng lượng của nhân loại.
Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt
trời và pin quang điện :
- Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ
để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi
nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng
- Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng được sinh ra

Hình 1.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

Luận văn thạc sĩ

2

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

Hình 1.2 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
-

Tấm pin (12-V module) gồm có 36 tế bào đôi khi chỉ là 33 tế bào.

-

Tấm pin (24-V module) gồm có 72 tế bào là sự ghép song song 2 khối 12-V
module.

-

Một bảng gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau. Ghép sao cho phát ra dòng và
áp đảm bảo nhu cầu người tiêu dùng.
Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành

điện năng. Mỗi tấm pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều
tấm pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn
đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như:


Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều
Các tấm pin mặt trời được lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm

bảo được các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự
oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.

Hình 1.3 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết
nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn.
Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết
nhau, các thông số dòng ngắn mạch ISC, điện áp hở mạch VOC bằng nhau. Giả sử
cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi đó
-

Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.

Hình 1.4 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống
sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở
mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.
-

Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.

Luận văn thạc sĩ

4

Lý Công Nguyên





Chương 1 Tổng quan

Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là:
-

Thành phần lưu giữ năng lượng.

-

Các bộ biến đổi bán dẫn.

1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng.
Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể
phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV. Phổ biến nhất vẫn là sử
dụng ắc quy để lưu trữ năng lượng. Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để
bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy.
1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV.
Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến
đổi DC - AC.
 Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của
pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho
tải và ắc quy. Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và
phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Có nhiều loại bộ biến đổi
DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp
Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck. Cả 3 loại
DC - DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ
được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng. Tùy theo mục đích và nhu

-

Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào.

-

Điều chỉnh điện áp ra.

-

Hiệu quả cao đối với tải nhẹ.

-

Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi,
tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị.

-

Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trường hợp dòng khởi
động lớn như của máy bơm…

-

Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch….

-

Dung lượng đặc tính.