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

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

TRẦN NGUYỄN TRUNG HIẾU
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI NHẰM
ĐẢM BẢO CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO
PHỤ TẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. Hồ Chí Minh, ngày 19 tháng 11 năm 2017


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

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

TRẦN NGUYỄN TRUNG HIẾU
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG NĂNG
LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI NHẰM
ĐẢM BẢO CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO
PHỤ TẢI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. NGUYỄN HÙNG


3

TS. Nguyễn Xuân Hoàng Việt

Phản biện 2

4

PGS. TS. Trương Việt Anh

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

V- Cán bộ hướng dẫn: TS. NGUYỄN HÙNG
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

Trần Nguyễn Trung Hiếu


ii

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cảm ơn Thầy TS. NGUYỄN HÙNG đã tận tình
hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực hiện Luận
văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho Tôi các kiến thức quý báu trong

Chapter 2: Overview of solar power system
Chapter 3: Design of solar power system one line.
Chapter 4: Simulation of power dispatch of grid connected solar power
system for continuous power supply.
Chapter 5: Conclusions and Future studies


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................ ii
TÓM TẮT ................................................................................................................. iii
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ............................................. viii
DANH SÁCH HÌNH VẼ .......................................................................................... ix
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................... xi
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ...........................................................................1
1.1. Đặt vấn đề ........................................................................................................1
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .....................................................................3
1.3. Tính cấp thiết của đề tài ...................................................................................4
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ....................................................................4
1.5. Ý nghĩa của đề tài .............................................................................................5
1.5.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................5
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................5
1.6. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................5
1.7. Bố cục của luận văn .........................................................................................6
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI......................7
2.1. Cấu trúc mặt trời ..............................................................................................7
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời .................................................................9

3.2.1 Chọn Pin mặt trời .....................................................................................35
3.2.2 Chọn bộ biến đổi DC/DC .........................................................................37
3.2.3 Chọn bộ biến đổi DC/AC 3 pha ...............................................................38
3.2.4 Chọn bộ lọc RL ........................................................................................42
3.2.5 Tính chọn máy biến áp .............................................................................43
3.2.6 Tính chọn dây dẫn ....................................................................................44
Chương 4: MÔ PHỎNG ĐIỀU PHỐI CÔNG SUẤT HỆ ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT
LƯỚI CUNG CẤP ĐIỆN LIÊN TỤC CHO TẢI .......................................................53
4.1 Xây dựng mô hình hệ điện mặt trời kết nối lưới ...............................................53
4.2 Thông số tấm pin năng lượng .........................................................................54
4.4 Thông số và giải thuật bộ điều khiển Inverter ................................................56
4.5 Kết quả mô phỏng: ..........................................................................................57


vii

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................62
5.1 KẾT LUẬN.....................................................................................................62
5.2 Hướng phát triển đề tài ...................................................................................62
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................63


viii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
NLTT: Năng lượng tái tạo
NLMT: Năng lượng mặt trời
IGBT: Insulated Gate Bipolar Transistor
MBA: Máy biến áp
MPPT: Max Power Point Tracking ( Tìm điểm công suất cực đại)

Hình 2.22 Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau ......................................29
Hình 2.23 Các module PV được kết hợp song song với nhau ..................................30
Hình 2.24 Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau .....................................31


x

Hình 2.25 Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt
độ PV không đổi, 250C..............................................................................................31
Hình 2.26 Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu
sáng không đổi 1 kW/m2 ...........................................................................................32
Hình 2.27 Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất .......33
Hình 2.28 Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một phần ..33


xi

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng .......................................9
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ............................................11
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ..........................................21


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, nhu cầu sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo đang tăng lên mạnh mẽ
do các nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt và chúng gây ra những hậu
quả về môi trường như hiệu ứng nhà kính, lũ lụt... Trong các nguồn năng lượng tái

trời, năng lượng gió, năng lượng thủy triều, địa nhiệt,… NLTT tận dụng các nguồn
năng lượng thiên nhiên có thể tái tạo tuần hoàn để biến đổi thành điện năng cung
cấp cho con người. Các nguồn năng lượng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng
địa lý, ngược lại với các nguồn năng lượng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia. Việc
đưa vào sử dụng năng lượng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong
an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế. Hệ thống
năng lượng tái tạo là cần thiết để cung cấp nguồn điện 1 cách liên tục hay phục vụ
cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới.

Hình 1.1 Mô hình hệ thống năng lượng mặt trời hoạt động độc lập
Do đó, hiện nay trên thế giới người ta đã sử dụng nhiều biện pháp để cung
cấp điện áp một cách liên tục. Một trong những phương pháp đó là dùng hệ thống
microgrid (lưới siêu nhỏ) để hoạt động một cách độc lập hay kết nối lưới tùy vào
nhu cầu sử dụng.


3
Trong các mô hình microgrid, mô hình các bộ nghịch lưu kết nối song song
với nhau sử dụng các phương pháp chia tải khác nhau cũng đang rất phổ biến như
phương pháp sử dụng giao tiếp truyền thông và phương pháp chia tải thụ động.
Phương pháp chia tải thụ động như Droop control tỏ ra hữu hiệu khi dự
đoán trước được công suất yêu cầu của hệ thống.

Hình 1.2 Mô hình lưới điện siêu nhỏ với các nguồn năng lượng khác
Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu thiết kế cho hệ
thống điện năng lượng điện mặt trời nối lưới nhằm đảm bảo cung cấp điện cho
phụ tải” 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.
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại của hệ thống điện
năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể
tối ưu hóa năng lượng thu được. Đồng thời, hệ thống điện năng lượng mặt trời này
sẽ được nghiên cứu để kết nối với lưới điện.


5
1.5. Ý nghĩa của đề tài
1.5.1. Ý nghĩa khoa học
Việc tìm kiếm mô hình điện mặt trời kết với lưới điện để cung cấp liên tục cho
tải và giảm giá thành đầu tư làm tăng cơ hội phát triển điện mặt trời và làm giảm
biến động môi trường so với các nguồn năng lượng như thủy, nhiệt điện, hạt
nhân….
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
Giải quyết bài toán năng lượng và bài toán môi trường hiện nay càng lúc càng
cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung
là một hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi hỏi phải nâng cao hiệu quả
trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Đề tài được nghiên cứu nhằm
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.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu về hệ thống điện pin năng lượng mặt trời của Việt Nam

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 trên bề mặt nhìn thấy được của Mặt trời, các nhà khoa học đã kết
luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng Mặt trời.

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ, hình 2.1. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu,
nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng


8
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

phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong
một năm trên Trái đất).
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất
quay quanh mặt trời là 365,2564 ngày. Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất gần mặt trời
nhất gọi là điểm cận nhật, khoảng cách 146 triệu cây số và vào tháng 1 hàng năm
Trái sẽ tới điểm này. Điểm trên quỹ đạo mà Trái đất xa mặt trời nhất được gọi là
điểm viễn nhật khoảng cách khoảng 152 triệu cây số và vào tháng 7 hằng năm sẽ tới
điểm này.

 360n  93 
d  1.5 *108 1  0.017sin 
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

n

Một

1


244

Mười

274

Mười
một
305

Mười
hai
335


10
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa
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.

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