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

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

LƯƠNG HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016


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

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

LƯƠNG HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016


GS. TS. Nguyễn Kim Hùng

Phản biện 2

4

PGS. TS. Lê Chí Kiên

5

TS. Đoàn Thị Bằng

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày


Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin
quang điện.

-

Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.

III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


i

LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng Tôi. Các số liệu
và kết quả nghiên cứu được trình bày trong Luận văn là trung thực và chưa từng
được ai công bố ở bất kỳ đâu.
Tôi xin cam đoan mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn.
Tôi cũng xin cam đoan các nội dung tham khảo trong Luận văn đã được
trích dẫn đầy đủ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn


thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


iv

ABSTRACT
The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking
control of a grid-connected solar energy systems" that includes the following
contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Literature review of the exploitation and utilization of the solar
energy source and photovoltaic cell
- Chapter 3: Photovoltaic cell and grid-connected solar photovoltaic system
- Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking
- Chapter 5: Simulation results of a grid-connected solar energy system
with maximum power point tracking
- Chapter 6: Conclusions and future works


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................ ii
TÓM TẮT ............................................................................................................. iii
ABSTRACT .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC .............................................................................................................. v
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................... xiii

3.1. Giới thiệu....................................................................................................... 28
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV .................................................................... 30
3.3. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao .............................................. 32
3.4. Module PV .................................................................................................... 32
3.5. Mảng PV ....................................................................................................... 34
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module PV .................................................................... 34
3.5.2. Nối song song nhiều module PV ................................................................ 34
3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV ................................................................... 35
3.6. Các ảnh hưởng đến PV.................................................................................. 35
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ......................................................... 35
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................. 36
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ........................................................ 37
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng ........................................................................... 41
3.7.1. Hệ thống PV độc lập .................................................................................. 41
3.7.2. Hệ thống PV kết nối lưới ........................................................................... 41
3.8. Cấu hình DC/DC - DC/AC ........................................................................... 47
3.8.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................... 47
3.8.2. Bộ biến đổi DC/AC .................................................................................... 51
CHƯƠNG 4 - THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ......... 61
4.1. Giới thiệu....................................................................................................... 61
4.2. Thuật toán P&O (Perturbation & Observation) ............................................ 62
4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) ................... 66
4.4. Thuật toán điện áp hằng số............................................................................ 68
4.5. Phương pháp điều khiển MPPT .................................................................... 70
4.5.1. Phương pháp điều khiển PI ........................................................................ 70
4.5.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 71


vii
4.5.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ........................................ 73

Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ............................................................................... 10
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ................................................................................ 11
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của
trái đất................................................................................................. 13
Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời .......................................................................... 15
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ........................................................................ 16
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 17
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời ...................................... 17
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ................ 19
Hình 2.13. Hệ thống máy lạnh dùng năng lượng mặt trời ................................. 20
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời ..................................................................... 28
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV ................................................................................................ 29
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV ................................................................... 30
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV.......................................................... 30
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc ..................................................................................... 31
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...................................... 32
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ........................ 32
Hình 3.8. Module PV .......................................................................................... 33
Hình 3.9. Đặc tính của module PV ..................................................................... 33
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau ............................... 34
Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau .......................... 34
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau .............................. 35


ix
Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
nhiệt độ PV không đổi, 250C ............................................................. 36
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu

x
Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV ................................................ 61
Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất .......... 62
Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O....................................................................... 64
Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ ...................................... 65
Hình 4.5. Thuật toán InC .................................................................................... 66
Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC ......................................................................... 68
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi .................................................. 69
Hình 4.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ........... 70
Hình 4.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .................. 71
Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D .................. 73
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại
và nối lưới .......................................................................................... 76
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công
suất cực đại và nối lưới ...................................................................... 77
Hình 5.3. Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ................................. 78
Hình 5.4. Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và
nhiệt độ, T (0C) khác nhau................................................................. 78
Hình 5.5. Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz ......................................... 79
Hình 5.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C ........................ 80
Hình 5.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C ......................... 80
Hình 5.8. Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT) ............ 81
Hình 5.9. Điện áp, Vdc ....................................................................................... 82
Hình 5.10. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......... 82
Hình 5.11. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................. 83
Hình 5.12. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều

Hình 5.26. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
nhiệt độ môi trường 300C ................................................................... 95
Hình 5.27. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ...... 95


xii
Hình 5.28. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 96
Hình 5.29. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 97
Hình 5.30. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
nhiệt độ môi trường 350C ................................................................... 98
Hình 5.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ....... 98
Hình 5.32. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ............................ 99
Hình 5.33. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C .......................... 100


xiii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ................................ 8
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng ....................................... 9
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam .................................... 21
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm
IV........................................................................................................ 29
Bảng 4.1. Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O ................................................. 63

trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà
đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi
con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu điều khiển tối ưu
công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” cũng không nằm ngoài
mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi
trường và đặc biệt hơn là hệ thống điện năng lượng mặt trời này sẽ được nối lưới.


2

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng
lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó.
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng
lượng mặt trời thông qua PV.
- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất
lớn vào nguồn nhiệu liệu hóa thạch và khí chiếm 53,61%, và nguồn thủy điện chiếm
46,08%. Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và khí ngày
càng cạn kiệt, giá thành cao; đối với nguồn thủy điện thì có diễn biến rất thất
thường do biến đổi khí hậu toàn cầu. Từ đó, năng lượng tái tạo nổi lên như một
nguồn năng lượng thay thế tất yếu trong hiện tại và tương lai.
Nhận thức được tầm quan trọng, lợi thế và lợi ích của các nguồn năng lượng
tái tạo trước nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng phục vụ phát triển kinh tế, theo
dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam bình quân từ 10,5 - 11%, gần

mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng nhằm góp
phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này.
Đồng thời, giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện
cũng góp phần chia sẻ gánh nặng về khả năng cung cấp điện của các nguồn điện
truyền thống mà hoàn toán phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng
chính phủ về phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến
năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó liên quan trực tiếp đến định hướng
phát triển nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia
và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện
lưới quốc gia [1].


4

1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống
điện năng lượng mặt trời của Việt Nam và các nước trên thế giới.
Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới
của một hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng điện
mặt trời và pin quang điện
- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới
- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một hệ
thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm 3, nhiệt độ ước
tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe.
Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng
lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca),
natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như
hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng
“đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 0K, dày
1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố
xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 0K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 0K 10.000 0K.
Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời. Nhiệt độ
bề mặt của Mặt trời là 5.762 0K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại
trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện
những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các
phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít
nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời
là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là
Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như
Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon
0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô
có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng
dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức
chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau
dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân
Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1

4


 km
365




(2.2)

Trong đó:
n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng
12 thì n= 365.
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
Tháng

Một

Hai

Ba

Bốn

Năm

Sáu

Bảy

Tám


một

hai

305

335

2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2]
Chúng ta đều biết mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm
cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày. Trong hình 2.2 trái đất quay quanh
mặt trời, khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất.


8

Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là
cố định quay quanh trục Bắc-Nam. Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ
từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt
đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của
mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,45 độ. Góc này thay đổi
khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong
khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ. Và một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một
năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc δ sẽ được tính:
 360
n  81
 365




-20.1

-11.2

0

11.6

20.1

23.4

20.4

11.8

0

-11.8

Mười

Mười

một

hai

-20.4