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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TIÊU TRƯỜNG VŨ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ỨU HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

S K C0 0 4 9 1 2

Tp. Hồ Chí Minh, năm 2016


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

LUẬN VĂN THẠC SĨ
TIÊU TRƯỜNG VŨ

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10 năm 2016



Kinh

Chỗ ở riêng hoặc địa chỉ liên lạc: Trường TC. Kinh Tế Kỹ Thuật Cà Mau
Điện thoại cơ quan: 0780.03821050
Fax:

0780.3828619

Điện thoại nhà riêng: 0907864141
E-mail:

II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Trung học chuyên nghiệp:
Hệ đào tạo: Chính qui
Thời gian đào tạo từ . 1995/ đến ..…/ 1998
Nơi học (trường, thành phố): Trường Bán Công Cà Mau, tỉnh Cà Mau
2. Đại học:
Hệ đào tạo: Tại chức
Thời gian đào tạo từ …/1999 đến …/ 2005
Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố
Hồ Chí Minh
Ngành học: Kỹ Thuật Điện
Ngành học: Điện khí hóa – cung cấp điện
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Cung cấp điện, vi điều khiển,
trang bị điện
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:
Người hướng dẫn:
3. Thạc sĩ:
Hệ đào tạo: Cao học

Giáo viên

TP. Hồ Chí Minh, ngày 09 tháng 10 năm 2016
Người khai ký tên

Tiêu Trường Vũ

ii


LỜI CAM ÐOAN
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 đuợc 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 đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
TP. HỒ CHÍ MINH, ngày 19 tháng 10 năm 2016
Học viên thực hiện Luận văn

Tiêu Trường Vũ

iii


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.
HCM, Phòng Đào tạo sau đại học, Khoa Điện - Điện tử đã hỗ trợ, tạo điều kiện
thuận lợi cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, Tiến Sĩ HUỲNH CHÂU DUY đã
tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn

+ Chapter 4: Maximum power point tracking algorithms
+ Chapter 5: Simulation results of maximum power point tracking control
+ Chapter 6: Conclusions and future works

vi


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ........................................................................................................... i
Lời cam đoan ............................................................................................................iii
Lời cám ơn ............................................................................................................... iv
Tóm tắt ..................................................................................................................... vi
Mục lục..................................................................................................................... vii
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... x
Danh sách các bảng .................................................................................................. xi
Danh sách các hình................................................................................................... xii
Chương 1. GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu ...................................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ................................................................................ 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................... 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu ...................................................................................... 3
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ................................................................. 3
1.6. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................... 4
1.7. Bố cục của luận văn ....................................................................................... 4
Chương 2. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC

4.5. Phương pháp điều khiển MPPT................................................................... 45
4.5.1. Phương pháp điều khiển PI....................................................................... 45
4.5.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp ............................................................. 46
4.5.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ...................................... 49
4.6. Ứng dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại, P&O thích nghi ........... 49
Chương 5. MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
5.1. Giới thiệu ..................................................................................................... 51
5.2. Mô phỏng pin quang điện ............................................................................ 53
5.3. Mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời với giải thuật bám điểm
công suất cực đại P&O và P&O thích nghi ....................................................... 58

viii


5.3.1. Điều kiện bức xạ không đổi, G = 1000 W/m2 và nhiệt độ,
T = 250C.............................................................................................................. 58
5.3.2. Điều kiện bức xạ thay đổi dạng bậc thang và nhiệt độ, T = 250C ............ 61
Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI
6.1. Kết luận........................................................................................................ 66
6.2. Hướng phát triển tương lai .......................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 67

ix


DANH MỤC KÍ HIỆU
PV Array

Pin quang điện


(Processing Signal Digital): Tín hiệu số

DC/DC

Bộ biến đổi điện áp



Góc nhìn mặt trời

D

Hệ số làm việc của bộ biến đổi Boost

Rs

Điện trở nối tiếp biểu diễn cho các tổn thất công suất

Rp

Điện trở song song biểu diễn cho các tổn thất công suất

Vd

Điện áp của Diode

Wp

Watt-peak

Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
của trái đất ................................................................................................................ 13
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời .......................................................................... 22
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng
điện của PV .............................................................................................................. 24
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV ........................................................................ 24
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV .............................................................. 25
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và
điện áp hở mạch, Voc ................................................................................................ 25
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ........................................... 26
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ............................... 27
Hình 3.8. Module PV............................................................................................... 27
Hình 3.9. Đặc tính của module PV .......................................................................... 28
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau ................................... 28
Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau ............................... 29
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hổn hợp với nhau .................................. 29
Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác
nhau và nhiệt độ PV không đổi, 250C ...................................................................... 30
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường
độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 ........................................................................... 31

xii


Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị
che khuất .................................................................................................................. 31
Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất
một phần .................................................................................................................. .32
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV .................... 33
Hình 3.18. Module PV với nhiều PV bị che khuất.................................................. 33

Hình 5.8. Khối mô phỏng các trạm biến áp............................................................. 57
Hình 5.9. Khối mô phỏng nguồn lưới ..................................................................... 57
Hình 5.10. Cường độ bức xạ không đổi, G = 1000 W/m2 ....................................... 58
Hình 5.11. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O với G không đổi .......... 59
Hình 5.12. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O thích nghi
với G không đổi........................................................................................................ 59
Hình 5.13. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O và P&O thích
nghi với G không đổi ............................................................................................... 60
Hình 5.14. Cường độ bức xạ thay đổi dạng bậc thang ............................................ 61
Hình 5.15. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O với G thay đổi
bậc thang .................................................................................................................. 61
Hình 5.16. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O thích nghi với G
thay đổi bậc thang .................................................................................................... 62
Hình 5.17. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O và P&O thích
nghi với G thay đổi bậc thang .................................................................................. 63
Hình 5.18. Cường độ bức xạ thay đổi ngẫu nhiên................................................... 63
Hình 5.19. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O với G thay đổi
ngẫu nhiên ................................................................................................................ 64
Hình 5.20. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O thích nghi với G
thay đổi ngẫu nhiên .................................................................................................. 64
Hình 5.21. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O và P&O thích
nghi với G thay đổi ngẫu nhiên ................................................................................ 65

xiv


Chương 1

GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu

thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp,
- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều kiện
thời tiết khác nhau.
Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các điều
kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau và trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P sẽ tồn tại
một điểm duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum power point,
MPP). Vị trí của các MPP là không xác định được, nhưng có thể đạt được thông qua
các mô hình tính toán hoặc các thuật toán tìm kiếm. Sau khi các MPP đã được xác
định, các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV
luôn luôn là MPP.
Với các phân tích trên cho thấy rằng hiệu suất chuyển đổi năng lượng mặt
trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối ưu, nhằm nâng
cao hiệu quả khai thác. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt gánh nặng cho các
nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện hay nhiệt điện. Chính vì các lý
do trên, đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu hệ thống điện năng lượng mặt
trời” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các nguồn
năng lượng sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch, . . .). Để giảm bớt các
gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn năng lượng tái
tạo, đề tài được xem là cần thiết được nghiên cứu và triển khai.

2


1.3. Đối tượng nghiên cứu

Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên mô hình hệ thống điện mặt trời bao
gồm:
- Hệ thống pin quang điện, PV.

cực đại 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
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời
+ Chương 3: Pin quang điện
+ Chương 4: Nghiên cứu và ứng dụng giải thuật bám điểm công suất cực
đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ
thống điện năng lượng mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

4


Chương 2

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI
THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI
2.1. Cấu trúc mặt trời [2]
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.106 km (lớn hơn 110
lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.106 km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất).
Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.1030 kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời
thay đổi trong khoảng từ 10.106 0K đến 20.106 0K, trung bình khoảng 15600000 0K.
Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường gồm
các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của nguyên tử
chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt nhân tự do có va chạm với nhau
sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan sát tính chất của vật chất nguội hơn