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


NHIỀU PIN QUANG ĐIỆN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
• Trình bày bao quát hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với tải cố định (tải
thuần trở).
• Nghiên cứu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, mô hình toán và các đặc tính của
pin quang điện.
• Các bộ biến đổi DC/DC.
• Phương pháp và thuật toán điều khiển dò tìm điểm công suất cực đại.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 12/6/2013
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 12/12/2013
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


TS. HUỲNH CHÂU DUY


i

LỜI CAM ĐOAN
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

Tp.Hồ Chí Minh, tháng 01 năm 2014
Người thực hiện

Nguyễn Thị Bích Hạnh


iii

TÓM TẮT
Luận văn này trình bày các phương pháp tìm điểm làm việc có công suất cực
đại của pin quang điện (MPPT) đáp ứng trong các điều kiện môi trường thay đổi.
Từ đó, đề xuất thuật toán mới là phân chia vùng làm việc trên đường đặc tuyến V-P
của pin quang điện thành ba vùng chính, gồm:
- Vùng 1: Vùng bên trái điểm cực đại
- Vùng 2: Vùng cực đại
- Vùng 3: Vùng bên phải điểm cực đại.
Bằng việc xác định điểm làm việc của pin quang điện đang ở vùng nào đều có
thể nhanh chóng đưa pin vào làm việc ở điểm cực đại thông qua việc điều chỉnh độ
rộng xung của mạch Boost.
Kết quả mô phỏng cho thấy thuật toán đề xuất mới đã tìm được điểm công
suất cực đại nhanh hơn, ổn định hơn và khắc phục được một số nhược điểm của
thuật toán P&O, INC và thuật toán điện áp là hằng số.


iv

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

1.7 Phạm vi nghiên cứu của đề tài.........................................................................7
1.8 Nội dung của luận văn.....................................................................................9
1.9 Kết luận...........................................................................................................9
Chương 2................................................................................................................10
TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH KHAI THÁC VÀ SỬ DỤNG NGUỒN ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI................................................................................10
2.1 Giới thiệu......................................................................................................10
2.2 Tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời trên thế giới và tại Việt
Nam..................................................................................................................... 10
2.3 Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam................................................15
2.4 Tổng quan tình hình nghiên cứu của đề tài....................................................17
2.4.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới.........................................................17
2.4.2 Tình hình nghiên cứu trong nước...........................................................20
2.5 Kết luận.........................................................................................................24


vi

Chương 3................................................................................................................25
HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI...............................................25
3.1 Cấu tạo pin quang điện..................................................................................25
3.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện......................................................28
3.3 Mô hình toán của pin quang điện..................................................................29
3.4 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện..........................................................33
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

5.2 Kết quả mô phỏng của các thuật toán............................................................79
Chương 6................................................................................................................89
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỀN............................................................89
TRONG TƯƠNG LAI..........................................................................................89
6.1 Kết luận.........................................................................................................89
6.2 Hướng phát triển trong tương lai...................................................................90
TÀI LIỆU THAM KHẢO.....................................................................................91
PHỤ LỤC............................................................................................................... 92


viii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
MPP

: Maximum Power Point: Điểm công suất cực đại

MPPT : Maximum Power Point Tracking : Tìm điểm công suất cực đại
P&O

: Perturb and Observe : Thuật toán nhiễu loạn và quan sát

INC

: Incremental Conductance : Thuật toán INC

NOCT : Normal Control Ttemperature : Nhiệt độ vận hành bình thường
RLOAD : Tổng trở của tải
ROPT


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.........................................................14
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 3.7 Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC)....................32
Hình 3.8 Mô đun pin quang điện..........................................................................32
Hình 3.9 Đặc tuyến V-I tại T = 250C, G = 1kW/m2............................................33
Hình 3.10 Đặc tuyến V-P tại T = 250C, G = 1kW/m2..........................................34
Hình 3.11 Đặc tuyến V-I khi thay đổi nhiệt độ....................................................34
Hình 3.12 Đặc tuyến V-P khi thay đổi nhiệt độ...................................................35
Hình 3.13 Đặc tuyến V-I khi thay đổi bức xạ.......................................................35
Hình 3.14 Đặc tuyến V-P khi thay đổi bức xạ......................................................36
Hình 3.15 Đặc tuyến V-I khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ..................36
Hình 3.16 Đặc tuyến V-P khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ.................37
Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck.......................................................39
Hình 3.18 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck...............................40





xii

Hình 5.1 Mô hình 1 cell pin quang điện được xây dựng trong Matlab/Simulink
................................................................................................................................. 74
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
Hình 5.4 Mô hình 1 tấm pin quang điện thu gọn...............................................75
Hình 5.5 Cấu hình đề xuất được xây dựng trong Matlab/Simulink..................76
Hình 5.6 Sơ đồ mạch Boost được xây dựng trong Matlab/Simulink................78
Hình 5.7 Khối MPPT trong Matlab/Simulink.....................................................78
Hình 5.8 Sơ đồ kết nối bên trong khối MPPT.....................................................78
Hình 5.9 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 79
Hình 5.10 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
INC......................................................................................................................... 79
Hình 5.11 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất.......................80
và thuật toán U=const...........................................................................................80
Hình 5.12 Biểu đồ thay đổi nhiệt độ từ 250C lên 300C, 350C, 400C.................81
Hình 5.13 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 81
Hình 5.14 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
INC......................................................................................................................... 82
Hình 5.15 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất......................82
và thuật toán U=const...........................................................................................82
Hình 5.16 Biểu đồ thay đổi bức xạ từ...................................................................83
Hình 5.17 Thời gian, công suất thu được của thuật toán đề xuất và thuật toán
P&O........................................................................................................................ 84

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
(từ năm 2007 đến 2035-nghìn triệu Btu)
Thay đổi
Khu vực

2007

2015

2020

124.3

129.4

134.9

140.2

146.3

0.6

Châu Âu

82.3

82.0

83.0

85.0

86.5

88.2

0.2

Châu Á


52.4

54.2

56.2

57.8

60.2

0.6

Châu Á

127.1

159.3

187.8

217.0

246.9

277.3

2.8

Trung Đông


28.0

32.1

35.5

38.7

42.2

45.7

1.8

495.2

543.5

590.5

638.7

686.5

738.7

1.4

kinh tế


toàn và ảnh hưởng đến môi trường sống. Ví dụ gần đây nhất là vụ động đất, sóng
thần tại Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã phá hủy nhà máy điện hạt nhân Fukushima,
gây thiệt hại về người và kinh tế. Tiếp theo đó, một số nước Châu Âu đã quyết định
đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân.
Hơn nữa, nhu cầu sử dụng điện tại Việt Nam là rất lớn kể cả trong ngắn hạn,
trung hạn và dài hạn. Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu phát triển kinh tế
với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% -8% và thực hiện được mục tiêu đến năm 2020, Việt
Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong 20 năm tới nhu cầu điện sẽ
phải tăng từ 15%-17% mỗi năm.
Do đó, phương án đầu tư vào nguồn năng lượng tái sinh là có hiệu quả đối với
một quốc gia có nhiều điều kiện thuận lợi về địa lý như Việt Nam. Vì vậy, việc
nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu quả của hệ thống điện năng lượng mặt
trời là hết sức cần thiết và cấp bách.
1.3 Tình hình nhận định của thế giới


4

Theo UNEP, sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái sinh (không kể thuỷ
điện) đã chiếm tới 44% tổng sản lượng điện tăng thêm trên toàn cầu trong năm
2011.
Đến đầu năm 2012, có ít nhất 118 nước, trong đó hơn 50% là các nước đang
phát triển, đã đặt mục tiêu đẩy mạnh sử dụng các nguồn năng lượng tái sinh so với
con số 96 nước năm 2010. Mặc dù vậy, hiện nay các nguồn năng lượng tái sinh mới
chỉ chiếm 16,7% tổng năng lượng tiêu thụ toàn cầu. Bên cạnh đó, việc sử dụng năng
lượng sạch vẫn chủ yếu tập trung ở một số nước.
Các nước dẫn đầu thế giới về sản lượng điện từ các nguồn năng lượng tái sinh
là Mỹ, Trung Quốc, Đức, Tây Ban Nha, Italy, Ấn Độ và Nhật Bản. Tổng sản lượng
điện sản xuất từ các nguồn năng lượng tái sinh của những nước này hiện chiếm tới
70% tổng sản lượng cả thế giới. Nguyên nhân chủ yếu khiến việc sử dụng năng

thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành
nguồn năng lượng tươi sáng trong tương lai [3].
1.4 Dự báo trong tương lai
Theo thông tin của Hiệp hội Công nghiệp quang điện Châu Âu dự báo, cho
đến năm 2020, cơn "bùng nổ năng lượng mặt trời" sẽ diễn ra trên toàn thế giới. Năm
2012 vừa qua là cột mốc quan trọng cho lĩnh vực này - tổng công suất các nhà máy
điện năng lượng mặt trời trên thế giới vượt mốc 100 GW. Và, như dự đoán của hiệp
hội, sau 8 năm, con số này sẽ tăng lên 6 lần. Trước đó, Cơ quan Năng lượng Quốc
tế dự đoán rằng trong vòng 50 năm tới, năng lượng mặt trời sẽ thay thế các đối thủ
cạnh tranh.
Kết quả của năm 2012 thực sự ấn tượng: tổng công suất của tất cả các nhà máy
điện năng lượng mặt trời thế giới đã tăng gần 30 GW và lên đến 100 GWh, tương
đương với tổng công suất của hàng chục nhà máy điện hạt nhân. Nước giữ kỷ lục là
Đức, năm ngoái đã tăng thêm 8 GW. Theo Hiệp hội công nghiệp quang điện Châu
Âu, xét qua tốc độ phát triển của ngành công nghiệp có tương lai này, có thể nói
chẳng bao lâu nữa năng lượng mặt trời sẽ lấn át nhà máy điện truyền thống.
1.5 Mục tiêu của đề tài


6

Để sử dụng năng lượng mặt trời có hiệu quả. Nhiều bài toán với nhiều khía
cạnh khác nhau được đặt ra. Một trong những khía cạnh của nghiên cứu hiện nay là
việc thiết kế và sử dụng hệ pin quang điện sao cho chúng làm việc tốt nhất trong tất
cả các điều kiện khác nhau. Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật theo dõi và dò
tìm điểm công suất cực đại (MPPT) của một pin quang điện hay của hệ nhiều pin
quang điện kết nối lại, ngay cả trong những điều kiện pin quang điện bị che một
phần.
Đối với một pin quang điện, có thể áp dụng kỹ thuật leo đồi P&O, INC hay
điện áp là hằng số... để theo dõi và dò tìm điểm công suất cực đại. Những kỹ thuật

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
ứng dụng. Nội dung của đề tài chỉ chú trọng đến nghiên cứu các thành phần trong
hệ thống pin quang điện làm việc độc lập.
Một hệ pin quang điện làm việc độc lập bao gồm:
- Hệ thống hấp thụ ánh sáng là các tấm pin quang điện ghép nối lại với nhau.
- Các bộ biến đổi DC/DC và DC/AC.
- Hệ thống điều tiết và lưu trữ năng lượng là các thiết bị điều tiết sạc bình ắc
quy.
Mỗi thành phần trong hệ pin quang điện mang những nhiệm vụ cụ thể riêng
biệt mang tính quyết định đến khả năng làm việc hiệu quả của hệ quang điện đó, cụ
thể như sau:
- Bộ biến đổi DC/DC sử dụng thuật toán điều khiển tìm điểm công suất tối ưu
để làm tăng hiệu quả làm việc của pin quang điện.
- Ắc quy giúp dự trữ điện năng để duy trì hoạt động cho cả hệ thống vào ban
đêm hay khi thời tiết âm u, nhiều mây mưa, lúc cường độ bức xạ ánh sáng yếu


8

không đủ phát ra điện năng.
- Bộ biến đổi điện nghịch lưu DC/AC chuyển đổi dòng điện một chiều từ ắc
quy thành điện xoay chiều (110V, 220V) cung cấp cho các thiết bị điện xoay chiều.
Ta có thể hình dung nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện làm việc độc lập
như hình 1.1

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý làm việc của một hệ pin quang điện
Đề tài tập trung nghiên cứu sâu hơn các vấn đề cụ thể như sau: