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

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

VÕ VĂN HOÀNG KIM

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

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

VÕ VĂN HOÀNG KIM

ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ
THỐNG PIN QUANG ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ VĂN HOÀNG KIM

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:

I- Tên đề tài:
ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời.

thành Luận văn này.
Cuối cùng, em xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ11, đồng nghiệp và gia đình đã
giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình thực hiện Luận văn của em.

Võ Văn Hoàng Kim


Tóm tắt
Vấn đề cạn kiệt năng lượng điện đã và đang được thế giới nói chung và
Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để giải quyết vấn đề này, đã có rất
nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng
lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng
mặt trời.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang
khai thác trên trái đất. Nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ
cho nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được
của các nhà khoa học.
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất
năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong
các hệ thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là
tương đối thấp (9 ÷ 17%);
- Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên
tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ
thống pin quang điện” được lựa chọn và thực hiện trong luận văn này mà bao
gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Hệ thống pin quang điện



i

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ iv
Danh sách bảng ............................................................................................ ix
Chương 1 - Giới thiệu.................................................................................. 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................ 2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................ 2
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu .......................................................... 3
1.6. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................ 3
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu............................................................. 3
1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài .................................................... 4
1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ........................................................ 6
1.8. Bố cục của luận văn ................................................................................ 7
Chương 2 - Hệ thống pin quang điện ........................................................ 8
2.1. Giới thiệu về mặt trời ............................................................................ 8
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời .................................................... 10
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ................................................. 11
2.4. Bức xạ mặt trời ..................................................................................... 13
2.5. Pin quang điện ...................................................................................... 17
2.5.1. Giới thiệu ........................................................................................... 17
2.5.2. Phân loại pin quang điện ................................................................... 19
2.5.3. Mô hình toán pin quang điện ............................................................. 20
2.6. Module pin quang điện ......................................................................... 23
2.7. Mảng pin quang điện ............................................................................ 24

điện ............................................................................................................. 68
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 68
4.2. Mô phỏng pin quang điện ..................................................................... 69
4.3. Bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC............................. 73


iii

4.4. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ thay đổi và nhiệt độ
không đổi ..................................................................................................... 74
4.4.1. Cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C .................................. 74
4.4.2. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C ............................... 75
4.4.3. Cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C ............................... 76
4.5. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ không đổi và nhiệt độ
thay đổi ........................................................................................................ 77
4.5.1. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C ............................... 79
4.5.2. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C ............................... 80
4.5.3. Cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C ............................... 82
4.6. Mô phỏng với điều kiện của cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi .... 84
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai .............................. 88
5.1. Kết luận ................................................................................................ 88
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 88
Tài liệu tham khảo ..................................................................................... 89


iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ..................................................................... 8
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời .......................................... 11

hợp module không bị che khuất .................................................................. 28
Hình 2.24. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường
hợp module bị che khuất một phần ............................................................. 28
Hình 2.25. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang
điện .............................................................................................................. 29
Hình 2.26. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất 30
Hình 2.27. Module pin quang điện sử dụng diode bypass .......................... 30
Hình 2.28. Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode
bypass .......................................................................................................... 31
Hình 2.29. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode
bypass .......................................................................................................... 31
Hình 2.30. Hệ thống pin quang điện độc lập ............................................... 32
Hình 2.31. Hệ thống pin quang điện nối lưới .............................................. 33
Hình 2.32. Sơ đồ khối hệ thống pin quang điện nối lưới ............................ 34
Hình 2.33. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ......................................... 34
Hình 2.34. Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp ........................ 35
Hình 2.35. Hệ thống pin quang điện kết hợp .............................................. 36
Hình 2.36. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch ...................................... 37
Hình 2.37. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới ............................................... 37
Hình 2.38. Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới ............................................ 38
Hình 2.39. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ................................................. 39
Hình 2.40. Tín hiệu ngõ ra VCO ................................................................. 41
Hình 2.41. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ................................................... 42
Hình 2.42. Hệ trục tọa độ ....................................................................... 42
Hình 2.43. Hệ trục tọa độ dq ....................................................................... 44
Hình 2.44. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ................ 45
Hình 2.45. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa ...................................... 47
Hình 2.46. Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn .............................. 48
Hình 2.47. Các vector điện áp chuẩn và các sector ..................................... 50
Hình 2.48. Giản đồ đóng ngắt của các khóa................................................ 51

Hình 4.10. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 1 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật toán
InC cải tiến .................................................................................................. 75
Hình 4.11. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều


vii

kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 76
Hình 4.12. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, 250C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 77
Hình 4.13. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện của cường độ
bức xạ không đổi, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ thay đổi, 150C; 300C và 350C ... 78
Hình 4.14. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C .................... 79
Hình 4.15. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 150C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 80
Hình 4.16. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C .................... 81
Hình 4.17. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 300C sử dụng thuật
toán InC cải tiến........................................................................................... 82
Hình 4.18. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C .................... 83
Hình 4.19. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện của cường độ bức xạ, 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, 350C ............................ 84
Hình 4.20. Cường độ bức xạ thay đổi, 0,6 - 1 (kW/m2) .............................. 85

nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng lượng khác nhau để tạo ra năng
lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo. Một trong số đó có năng lượng
mặt trời.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch
xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự
đoán được thời điểm kết thúc của nó. Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền
một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà
con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều
vùng. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu
trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang
khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy
của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt
điện có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện
hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2].
Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho
nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của
các nhà khoa học.
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất
năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong
đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ
gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống


2

pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ
thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:

- Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ thống pin quang điện dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện” sẽ
được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện.
- Nghiên cứu giải thuật tìm và điều khiển bám điểm công suất cực đại.
- Mô hình và mô phỏng một hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin
quang điện.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất
của hệ thống pin quang điện.
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Kỹ thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện chịu
chi phối trực tiếp bởi các giải thuật tìm điểm công suất cực đại. Vì vậy, trong
thời gian gần đây, các giải thuật tìm điểm công suất cực đại đã được nghiên
cứu, đề xuất và áp dụng như giải thuật xáo trộn và giám sát (Pertuation &
Observation algorithm, P&O), giải thuật gia tăng độ dẫn (Incremental
Conductance algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, logic mờ, v.v... Các giải
thuật này khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn
giản của giải thuật; giá trị hội tụ và tốc độ hội tụ của giải thuật; tính chất đơn
giản của việc thực hiện các thực nghiệm nghiên cứu, cũng như chi phí thực
hiện cho mỗi giải pháp.


4

mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV và tín hiệu ngõ ra của
mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu


5

này cho thấy rằng bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng công
nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán
P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán
P&O một cách đáng kể [5].
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik đã giới
thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm
công suất cực đại của hệ thống PV. Thuật toán tìm ra được giá trị điện áp của
mô-đun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm
công suất cực đại. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử
dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông
thường. Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt
được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6].
Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất
cực đại thì các kỹ thuật khác liên quan đến việc nghiên cứu và thiết kế các hệ
thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả
năng khai thác được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất. G. Deb, A. B.
Roy; T. Tudorache, C. D. Oancea, L. Kreindler và J. Rizk, Y. Chaiko [7]-[9] đã
thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời
cho hệ thống PV. Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu
này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt
trời. Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một
động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để
điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng.

Bên cạnh đó, dựa vào thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã
cải tiến thuật toán này trên cơ sở khắc phục các khuyết điểm đang tồn tại của
thuật toán P&O, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông
qua bước xác định dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện trong Luận văn
Thạc Sĩ. Cải tiến này đã giúp cho thuật toán P&O đạt được giá trị và tốc độ hội
tụ được tốt hơn [14].
Theo một cách giải khác của bài toán tối ưu hóa, tác giả Nguyễn Mạnh
Tường đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Thuật toán PSO) cho việc tìm
điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc Sĩ. Đặc biệt, tác giả đã xét bài
toán trong trường hợp có ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm. Khi ấy, hệ thống


7

sẽ tồn tại nhiều điểm công suất cực đại cục bộ và nhiệm vụ của thuật toán PSO
đề xuất là xác định điểm công suất cực đại toàn cục. Các kết quả mô phỏng cho
thấy rằng, thuật toán PSO đã chứng tỏ được hiệu quả của nó trong việc tìm
điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện trong điều kiện vận
hành có xét đến hiện tượng bóng râm [15].
1.8. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Hệ thống pin quang điện
+ Chương 3: Điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin quang điện
+ Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin
quang điện
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


8

khối lượng riêng 160 kg/dm3, nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20106 0K, áp suất
khoảng hàng trăm tỷ atmotphe.
+ Vùng kế tiếp là vùng trung gian, còn được gọi là vùng “đổi ngược”
mà qua đó năng lượng truyền từ trong ra ngoài. Vật chất ở vùng này bao gồm
sắt (Fe), canxi (Ca), natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C),
silic (Si) và các khí như hiđrô (H2), hêli (He). Vùng này có bề dày khoảng
400.000 km.
+ Vùng kế tiếp là vùng “đối lưu” có bề dày khoảng 125.000 km và vùng
“quang cầu” có bề dày khoảng 1.000 km với nhiệt độ khoảng 6.000 0K. Vùng
này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen. Thực chất, vùng này 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. Vùng này chính là “khí quyển” của
mặt trời. Nhiệt độ bề mặt của mặt trời là 5.762 0K. Nhiệt độ này là đủ lớn để
các nguyên tử tồn tại trong trạng thái kích thích và đồng thời đủ nhỏ để xuất
hiện những nguyên tử bình thường và cấu trúc phân tử.
Dựa trên cơ sở phân tích các phổ bức xạ và hấp thụ của mặt trời, xác
định được rằng 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:
- Hydrogen: khoảng 73,46%;
- Helium: khoảng 24,85%;
- Các nguyên tố và các chất khác như:
+ Oxygen: khoảng 0,77%;
+ Carbon: khoảng 0,29%;
+ Iron: khoảng 0,16%;