BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

LÊ NGỌC TUÂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT
TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN
BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 3 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

LÊ NGỌC TUÂN

NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP TỔNG QUÁT
TRONG THIẾT KẾ TỐI ƯU BỘ ĐIỀU KHIỂN
BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI DÙNG CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

TS. Võ Hoàng Duy

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
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


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 15 tháng 01 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Ngọc Tuân

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 30/10/1980

Nơi sinh: Hà Nội


Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng 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.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Lê Ngọc Tuân


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy PGS, TS. Ngô Cao
Cường, thầy ThS. Lê Đình Lương và thầy PGS, TS Nguyễn Thanh Phương là
những người đã tận tình hướng dẫn, giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện quyển
luận văn này.
Xin cám ơn trường quý Thầy Cô trường Đại Học Công Nghệ Tp.HCM, Khoa
Cơ - Điện - Điện Tử, Phòng Quản Lý Khoa Học - Đào Tạo Sau đại học, tập thể lớp
14SMĐ11 đã tạo điều kiện cho tôi thực hiện Luận văn này.
Tôi xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Hội đồng đánh giá Luận văn đã nhiệt tình
góp ý chỉnh sửa để luận văn được hoàn chỉnh hơn.
Tôi xin cảm ơn các anh chị học viên và các đồng nghiệp đã hổ trợ và đóng góp
ý kiến để luận văn của tôi được hoàn thiện hơn.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè và người thân đã luôn
ở bên tôi và động viên, giúp đỡ tôi rất nhiều để tôi hoàn thành khóa học này.
Người thực hiện luận văn

Lê Ngọc Tuân

vào lưới điện phân phối luôn đạt giá trị cao nhất có thể thu được từ bộ pin năng
lượng mặt trời. Đồng thời, TH
thấp.

của dòng điện bơm vào lưới luôn được giữ ở mức


iv

ABSTRACT
Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both
field are green and renewable resource. More and more higher energy demand in
our life need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the
effective aproach, which are always encouraged. Those resource will redue demand
of energy from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system.
However, solar energy have low rate power and dispersion. To increase efficiency
of solar energy need to connect them with power network via invertor, which can
link to power system.
The whole of operation of solar cell units link to power network, beside the
requirement the solar cell units must operate at the maximum power point, the
current was injected to power grid must have minimum total hamonic disturbance
(THD). Solving this requirement, Particle Swarm Optimization (PSO) theory was
introduced and implement in this thesis to determine controll factors of PI current
regulator.
This thesis present a new approach for invertor link to power system. They can
control active and reactive power were inject to power grid. Active power was
remained at maximum power was supplied by solar cell units. Reactive power was
remained approximately zero. It lead to power factor of device approximately 1. In
addition, THD of current is must remain in the minimum value.


.1. Tình hình phát triển của pin mặt trời hiện nay.............................................8
.1. .1 Trên thế giới .......................................................................................8
.1. . Thực tế tại iệt Nam ........................................................................10
a. Tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời tai iệt Nam ..........................10
b. Hiện trạng ứng dụng năng lượng mặt trời tại iệt Nam hiện nay ...........11
.1. Phân loại pin mặt trời .................................................................................13
.1.4 Cấu tạo và hoạt động của pin mặt trời Silic ...............................................14
.1.5 Cấu tạo và hoạt động của các loại pin mặt trời kiểu mới...........................17
2.1.5.1 Pin Mặt trời nhạy cảm chất màu DSC (Dye - sensitized solar cell) .....17
2.2 Tổng quan về kết nối bộ năng lượng mặt trời với lưới điện phân phối ........... 20


vi

2.2.1 Tính cần thiết của việc kết nối bộ pin mặt trời vào lưới điện phân phối ...20
. . Hòa đồng bộ hai máy phát .........................................................................22
. . .1 Hòa đồng bộ hai nguồn áp ................................................................23
. . . Phân tích các điều kiện hòa. ..............................................................25
a. Điều kiện về điện áp. .................................................................................25
b. Điều kiện tần số không thoả mãn. .............................................................25
c. Điều kiện về thứ tự pha. ............................................................................27
d. Điều kiện về góc lệch pha. .......................................................................27
. . . Hòa đồng bộ một nguồn dòng vào một nguồn áp .............................28
2.3 Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ........................................................................... 29
2.3.1. Giới thiệu về thuật toán tối ưu hóa bầy đàn .............................................29
. . Lịch sử phát triển của giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ..................................29
. . Khái quát hóa giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ..............................................30
2.3.4 Một số khái niệm trong giải thuật tối ưu hóa bầy đàn ...............................32
CH ƠN


4.1.2 Khối nghịch lưu .........................................................................................54
4.1.3 Khối lưới điện phân phối ...........................................................................54
4.1.4 Khối điều khiển ..........................................................................................55
4.1.4.1 Nguyên lí hoạt động của khối MPPT ................................................57
4.1.4.2 Khối PI_V .........................................................................................62
4.1.4.3 Khối PLL ...........................................................................................62
4.1.4.4 Khối DC/AC......................................................................................63
4.1.4.5 Khối điều khiển Hyst r sis điều khiển bang-bang ) ........................63
4. Kết quả khi thực hiện giải thuật PS . .............................................................. 64
4.2.1 Các bước xác định các thông số Kp, Ki bằng giải thuật PSO ...................64
4. . Kết quả thu được khi thực thi giải thuật PS ............................................65
4.3 Kết quả mô phỏng khi kết nối bộ pin năng lượng mặt trời vào lưới điện........ 67
4. .1 Khi cường độ bức xạ mặt trời lần lượt là
4. . Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là
4. . Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là 1
4. .4 Khi năng lượng bức xạ mặt trời lần lượt là

-500-600 W/m2 ...................67
-900-700 W/m2................70
-700-900 W/m2..............73
-400-600 W/m2................76

4.4 Nhận x t và đánh giá ........................................................................................ 79
CH ƠN 5 KẾT L

N

H

N PH T T I N..........................................81

Hình . 4 Đặc tuyến I-V với các bức xạ khác nhau ..................................................37
Hình . 5 Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau .................................................37
Hình 3. 6 Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM ....40
Hình 3. 7 Giản đồ dòng và áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp SPWM ..........41
Hình . Sơ đồ kết nối đơn giản của bộ nghịch lưu ba pha .....................................42
Hình .

ạng sóng dòng điện trong phương pháp bang bang trên một pha ..........43


ix

Hình . 1

iải thuật điều khiển bang bang trên một cặp chân của bộ nghịch lưu ..43

Hình 3. 11 giải thuật điều khiển bang bang cải tiến ..................................................44
Hình . 1 Lưu đồ chung cho giải thuật PSO ...........................................................47
Hình 3. 13 Chuyển động của cá thể. .........................................................................49
Hình 4. 1 Sơ đồ tổng quát mạch mô phỏng...............................................................53
Hình 4. Sơ đồ kết nối của khối năng lượng mặt trời. .............................................53
Hình 4. Sơ đồ kết nối của khối nghịch lưu.............................................................54
Hình 4. 4 Sơ đồ kết nối của khối lưới điện phân phối ..............................................55
Hình 4. 5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của mạch điện mô phỏng ..............................56
Hình 4. Sơ đồ kết nối của khối điều khiển trong mạch mô phỏng.........................57
Hình 4. Lưu đồ giải thuật P&O ..............................................................................58
Hình 4. Đặc tuyến V-P của pin mặt trời khi NL XMT không đổi .......................59
Hình 4. 9 Nguyên tắc hoạt động của bộ MPPT ........................................................60
Hình 4. 1 Sơ đồ kết nối của khối PI


xi

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
THD:

Tổng độ m o dạng sóng hài total harmonic distortion

PSO:

Giải thuật tối ưu hóa bầy đàn particl s arm optimi ation

DC:

Dòng điện một chiều (direct current)

AC:

Dòng điện xoay chiều (Alternating current)

LED:

Diod phát quang (light dependen resistor)

DSC:

Pin mặt trời nhạy cảm chất màu

MPP:

Điểm công suất cực đại (maximum power point)

trái đất…
Để giải quyết các vấn đề này, một mặt chúng ta phải khai thác và sử dụng các
nguồn năng lượng hóa thạch này một cách hợp lý, mặt khác chúng ta phải tìm ra các
nguồn năng lượng khác để thay thế. Thế giới đang tìm kiếm các nguồn năng lượng
tái sinh có thể cung cấp năng lượng một cách bền vững trong tương lai, nguồn năng
lượng ấy có thể kể đến như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng mặt
trời… hoặc là nguồn năng lượng tái sinh khác. Trong đó công nghệ về năng lượng
mặt trời đang được thế giới chú trọng phát triển để khai thác. Các chính phủ đã đón
nhận các công nghệ này một cách hết sức nghiêm túc và đưa ra các mục tiêu đầy
tham vọng cho sản lượng điện tạo ra từ các nguồn năng lượng tái sinh trên. Người
dân ngày càng ý thức về sự tàn phá và ô nhiễm môi trường từ các nguồn nhiên liệu
hoá thạch và năng lượng hạt nhân. Trong khi các nguồn năng lượng tái sinh có thể
khai thác tự do và không bao giờ cạn kiệt. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng
lượng sạch có thể thay thế các nguồn năng lượng truyền thống. Các ứng dụng của


2

nó tại các nước phát triển giúp làm giảm hiệu ứng nhà kính và giữ gìn được các
nguồn năng truyền thống đang cạn kiệt. Các quốc gia đã và đang phát triển đều xem
năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng lý tưởng phù hợp với xu hướng phát triển
mới của nhân loại, được ưu tiên đầu tư hàng đầu trong các chính sách về năng
lượng. Khi sử dụng năng lượng mặt trời có những thuận lợi như sau
- Giảm hay thay thế việc xây dựng các nhà máy điện truyền thống dùng năng
lượng hóa thạch.
- Không gây ô nhiễm môi trường khi vận hành sản xuất điện năng.
- Là nguồn năng lượng không bao giờ cạn kiệt.
- Dễ dàng tăng thêm công suất khi cần thiết.
- Việc lắp đặt và xây dựng các tấm pin năng lượng mặt trời tương đối nhanh.
- Mặc dù năng lượng mặt trời hiện nay có giá đắt hơn nhiều so với nguồn năng


xanh

để cung cấp

một phần nhu cầu cho công trình. Điều này thúc đẩy việc nghiên cứu chế tạo các bộ
chuyển đổi năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ có khả năng kết nối lưới điện
để thu được công suất lớn nhất từ năng lượng mặt trời.
1.2 Mục tiêu và nhiệm vụ
- Tìm hiểu và nghiên cứu về năng lượng mặt trời.
- Tìm hiểu về các bộ pin mặt trời.
- Tìm hiểu về giải thuật PS trong hệ thống điều khiển tự động.
- Phân tích các ảnh hưởng của việc hòa hai nguồn điện.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính toán bộ chuyển đổi năng lượng.
- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mô phỏng khi hòa năng lượng mặt trời vào lưới
điện - phân phối.
1.3 Phạm vi nghiên cứu
- Nghiên cứu khái quát về năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu về các bộ pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ.
- Nghiên cứu về mối quan hệ của các thông số trong bộ pin năng lượng mặt trời
công suất nhỏ.
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu công suất nhỏ một pha khi hòa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính toán bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.
- Nghiên cứu tính toán các thông số khi hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới
điện phân phối.
- Đưa ra mô hình mô phỏng khi hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện.
1.4 Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến các vấn đề nghiên cứu.
- Nghiên cứu tổng quan về năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu các thông số ảnh hưởng đến hoạt động của pin mặt trời.

cho các vùng này.
- Nâng cao được hiệu suất cho bộ năng lượng mặt trời công suất nhỏ,


5

- Làm tài liệu tham khảo và làm nền tảng để phát triển hướng cho các nghiên
cứu sau này.
- Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và
lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
- Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
- Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
- Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính toán thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
1.7 Nội dung của luận văn
Chương 1

iới thiệu.

Chương

Tổng quan

Chương

Khảo sát và tính toán

Chương 4 Mô hình hóa và mô phỏng
Chương 5 Kết luận và Hướng phát triển

cứu đã đi vào thực chất hơn, đi sâu hơn về các hiện tượng quang điện. Năm 1
Adam đã quan sát về các hiện tượng quan điện trên chất S l n và sau đó xuất bản
thành cuốn sách

Th action o light on s l nnium . Đến năm 1

thì tấm pin

năng lượng mặt trời đầu tiên đã được tạo thành bởi Charl s ritts, ông phủ lên mạch
bán dẫn một lớp selen cực mỏng vàng để tạo nên mạch nối. Thiết bị chỉ có hiệu
suất 1 . Tuy hiệu suất rất thấp so với các tấm pin năng lượng mặt trời ngày nay
nhưng đó là bước tiến dài trong quá trình nghiên cứu hiện tượng quang điện. Nó
chuyển từ giai đoạn quan sát bằng mắt thường rất định tính và không chính xác sang
quá trình nghiên cứu lí tính với việc tính toán các giá trị dòng áp khi có hiện tượng
quang điện xảy ra.
Năm 1

H rt đã nghiên cứu tia cực tím trong hiện tượng quang điện và khám

phá ra hiện tượng quang điện. Một năm sau, ông cùng với d ard W ston đã đưa ra
các định luật quang điện một cách đầy đủ cho hiệu ứng quang điện ngoài. Đây là
bước tiến dài cho việc ứng dụng hiện tượng quang điện để chế tạo các tấm pin năng
lượng mặt trời khi đã xác định rõ hướng để nghiên cứu vật liệu dùng cho chế tạo
chất quang dẫn và các ánh sáng tương ứng cho từng loại vật liệu quang dẫn khác
nhau. Đến đây, việc ứng dụng hiệu ứng quang điện không còn là sự mò mẫm mà đã
có sự định hướng rất rõ ràng.


7


năng lượng mặt trời đầu tiên có thể chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng
để cung cấp cho các thiết bị điện hằng ngày. Phòng thí nghiệm
tấm pin năng lượng mặt trời với hiệu suất 4

ll đã cho ra một

và sau đó tăng lên 11 . Từ nay, đã có

thêm một phương pháp mới để sử dụng nguồn năng lượng vô tận từ mặt trời nhằm
cung cấp năng cho nhu cầu của con người.
Năm 1 5 , vệ tinh nhân tạo

anguard I đã sử dụng năng lượng điện thu được từ

các tấm pin năng lượng mặt trời để liện lạc vô tuyến với trạm điều khiển mặt đất.
Một năm sau, đến lượt các vệ tinh Explorer III, Vanguard II, và Sputnik- được


8

trang bị các hệ thống pin năng lượng mặt trời. Mặc dù đã thất bại trong việc thương
mại hóa các bộ pin năng lượng mặt trời bán dẫn trong thập niên 1950 và 1960, tuy
nhiên nó đã đạt được thành công lớn trong việc trở thành nguồn năng lượng thiết
yếu trong lĩnh vực v trụ. Thành công này vẫn còn được duy trì cho đến ngày nay.
Năm 1

, với sự tài trợ từ tập đoàn xxon, tiến sĩ lliot

rman đã tạo ra một



1 .
và châu Đại ương đã tăng 1

S , đưa khu vực này trở thành điểm đến hấp dẫn thứ

, lên 5 tỷ

cho đầu tư năng lượng


9

sạch, trong đó Ấn Độ, Nhật Bản, và Indonesia nằm trong những thị trường năng
lượng sạch tăng trưởng nhanh nhất thế giới.
iám đốc chương trình năng lượng sạch của Pew cho biết đầu tư cho năng lượng
sạch, không tính nghiên cứu và phát triển, đã tăng

kể từ năm

4. Sự gia

tăng mạnh mẽ này có ý nghĩa rất quan trọng vì nó thúc đẩy đổi mới, thương mại,
sản xuất và lắp đặt các công nghệ năng lượng sạch, tạo ra cơ hội mới cho các nhà
sáng tạo, các doanh nhân và người lao động.
Trong số các lĩnh vực năng lượng tái tạo, đầu tư vào năng lượng mặt trời đạt 128
tỷ

S , tăng 44 , và chiếm hơn một nửa tổng vốn đầu tư cho năng lượng sạch ở



, đầu tư cho năng lượng sạch tại Australia đã tăng 11

trong năm 2011 lên 4,9 tỷ S , trong đó
Trong Nhóm

vào lĩnh vực năng lượng mặt trời.

, Australia đứng thứ 13 về tăng trưởng, thứ 4 về tăng trưởng

trong 5 năm và thứ 9 về tăng trưởng công suất lắp đặt với tổng công suất lắp đặt
năng lượng sạch hiện nay là trên 5 GW.
Trong khi đó, Trung Quốc đã thu hút được 45,5 tỷ
sạch, đứng thứ

trong

S

đầu tư cho năng lượng

. Đầu tư vào năng lượng gió ở Trung Quốc đạt 29 tỷ

USD, cao gấp 3 lần nước thành viên đứng ngay sau trong G20.


10

Trong



thấy sự chuyển hướng rõ ràng của nước này từ năng lượng hạt nhân sang năng
lượng sạch. Nhật Bản đứng thứ 8 trong G20 về đầu tư cho năng lượng sạch, trong
đó 4

cho lĩnh vực năng lượng Mặt Trời.

Qua các số về tình hình phát triển năng lượng điện mặt trời trên thế giới của một
số nước cho thấy năng lượng mặt trời đã có sự phát triển nhảy vọt trong những năm
gần đây khi mà không chỉ về số lượng pin mặt trời được lắp mới mà còn được sự
đầu tư mạnh tay cho việc nghiên cứu ứng dụng các thành tựu kỹ thuật mới cho lĩnh
vực năng lượng mặt trời hiện nay. Trong tương lai không xa năng lượng mặt trời sẽ
đóng một vai trò quang trọng trong tổng thể các nguồn năng lượng cho nhân loại.
2.1.2.2 Thực t tại iệt Na
a. Tiề

năng phát t iển năng lượng

ặt t ời tai iệt Na

Lãnh thổ Việt nam kéo dài từ vĩ độ 8 –

vĩ độ Bắc, nằm trong khu vực nhiệt

đới, có tiềm năng lớn về NL mặt trời. Số giờ nắng trung bình năm hrs y ar tại các
vùng miền có sự khác nhau tùy vào điều kiện địa hình và thời tiết, tuy nhiên, nhìn
chung số giờ nắng khá cao và năng lượng qui đổi trên mỗi đơn vị diện tích thuộc
hàng cao trên thế giới. Thông số khảo sát được đưa ra như trong hình bên dưới.
ới sự trải dài từ ắc xuống Nam của lãnh thổ địa lí nước ta, sự phân bố về năng
lượng mặt trời được phân ra thành 5 khu vực địa lí khác nhau. Các đặc trưng về