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

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

HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI
ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU 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

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

HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI
ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG
ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202


Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận 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
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Hồ Võ Quốc Cường

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời;
- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời;

hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp
này.

Hồ Võ Quốc Cường


i

Tóm tắt
Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng là rất lớn, kể cả
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 nghiên cứu và khai thác các nguồn năng
lượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiều
thuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam. Không nằm ngoài mục
tiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin
quang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xét
trong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện.
Đề tài luận văn, "Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất
của hệ nhiều pin quang điện" tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công
suất của một hệ nhiều pin quang điện trong các điều kiện bức xạ mặt trời và
nhiệt độ môi trường khác nhau.
Đề tài luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:

- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to a solar PV system
- Chapter 3: Modeling on optimal power control of solar PV multi-array
systems
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future developments


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ vi
Danh sách bảng.............................................................................................. x
Chương 1 - Giới thiệu chung ..................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................ 2
1.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................... 3
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................ 3
1.6. Bố cục dự kiến của luận văn ................................................................ 12
1.7. Kết luận ............................................................................................... 13
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện ........................... 14
2.1. Năng lượng mặt trời ............................................................................ 14
2.2. Pin quang điện ..................................................................................... 15
2.2.1. Cấu tạo pin quang điện ..................................................................... 15
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện ......................................... 17
2.2.3. Mô hình toán của pin quang điện ..................................................... 18
2.2.4. Đặc tuyến V-I và V-P của pin quang điện ....................................... 22

3.3.1. Phương pháp điều khiển PI .............................................................. 56
3.3.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp ..................................................... 57
3.3.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra .............................. 59
3.4. Cấu hình và thuật toán đề xuất cho bài toán điều khiển tối ưu công suất
của hệ nhiều pin quang điện ....................................................................... 60
3.4.1. Cấu hình đề xuất ............................................................................... 60
3.4.2. Thuật toán đề xuất ............................................................................ 61


v

Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin
quang điện ................................................................................................. 64
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 64
4.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 68
4.2.1. Trường hợp 1 .................................................................................... 69
4.2.2. Trường hợp 2 .................................................................................... 71
4.2.3. Trường hợp 3 .................................................................................... 73
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 77
5.1. Kết luận ................................................................................................ 77
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 79


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm .......................... 4
Hình 1.2. Cơ chế so sánh 3 điểm .................................................................. 5
Hình 1.3. Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu .................................................. 6

Hình 2.18. Các thành phần của bộ điểu khiển công suất (PCU) ................ 27
Hình 2.19. Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang
điện ............................................................................................................. 30
Hình 2.20. Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện ......... 31
Hình 2.21. Hệ thống pin quang điện cung cấp cho các khu vực vùng xa ... 31
Hình 2.22. Hệ thống pin quang điện không có bộ lưu trữ .......................... 33
Hình 2.23. Hệ thống pin quang điện có bộ lưu trữ ..................................... 33
Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ............................................ 35
Hình 2.25. Dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ giảm áp Buck ............ 36
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp Boost ............................................ 38
Hình 2.27. Dạng sóng dòng điện của bộ biến đổi tăng áp, Boost .............. 39
Hình 2.28. Sơ đồ nguyên lý của bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp Buck –
Boost ........................................................................................................... 40
Hình 2.29. Chu kỳ đóng cắt ........................................................................ 40
Hình 2.30. Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp ......................... 42
Hình 2.31. Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện .................... 43
Hình 2.32. Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép nối tiếp... 45
Hình 2.33. Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép song
song ............................................................................................................. 46
Hình 2.34. Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép hỗn hợp
nối tiếp và song song .................................................................................. 47
Hình 3.1. Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện ..................................... 48
Hình 3.2. Thuật toán P&O tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất ........ 49
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán P&O .............................................................. 50
Hình 3.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ .............................. 51
Hình 3.5. Thuật toán INC ........................................................................... 53
Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán INC ................................................................ 54
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi .......................................... 55
Hình 3.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ... 57


bức xạ không đổi sử dụng thuật toán P&O ................................................ 71
Hình 4.16. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và
bức xạ không đổi sử dụng thuật toán INC .................................................. 72


ix

Hình 4.17. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và
bức xạ không đổi sử dụng thuật toán điện áp hằng số ............................... 72
Hình 4.18. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và
bức xạ không đổi sử dụng thuật toán đề xuất ............................................. 73
Hình 4.19. Cường độ bức xạ thay đổi lần lượt 0.25 kW/m2, 0.5 kW/m2,
0.75 kW/m2, 1 kW/m2 ................................................................................ 74
Hình 4.20. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán P&O ............................................... 74
Hình 4.21. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán INC ................................................ 75
Hình 4.22. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán điện áp là hằng số ......................... 75
Hình 4.23. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán đề xuất ........................................... 76


xii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo ........... 19
Bảng 3.1. Tóm tắt thuật toán P&O ............................................................. 50
Bảng 4.1. Thông số của tấm pin quang điện .............................................. 66


phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục


2

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 [1].
Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn năng
lượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiều
thuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam. Không nằm ngoài mục
tiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin
quang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xét
trong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có hiệu quả, nhiều bài toán với
nhiều vấn đề khác nhau được đặt ra. Hiện nay, một trong những bài toán mà
đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đó là nghiên cứu khai thác hệ
thống pin quang điện sao cho nó luôn luôn làm việc tốt nhất trong tất cả các
điều kiện khác nhau. Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật dò tìm và bám
điểm công suất cực đại của một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện.
Đối với một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện, các giải thuật
P&O, InC hoặc điện áp hằng số,... có thể được áp dụng để dò tìm và thực hiện
điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các kỹ thuật này đã đạt được các kết
quả nhất định trong việc giải bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại.
Mỗi kỹ thuật cũng đã thể hiện được các ưu điểm của nó trong việc giải quyết
bài toán nâng cao hiệu suất pin quang điện. Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm của
các kỹ thuật này thì trong mỗi kỹ thuật cũng đang tồn tại các khuyết điểm nhất
định liên quan và ảnh hưởng đến tốc độ dò tìm điểm công suất cực đại, cũng
như giá trị điểm công suất cực đại trong các điều kiện vận hành khác nhau...
Bài toán đặt ra là cần phải nâng cao hơn nữa hiệu suất của hệ pin quang điện

[2].
Giải thuật này tương tự như giải thuật P&O mà có thể được xem như là
giải thuật P&O cải tiến khi giải thuật P&O chỉ so sánh 2 điểm. Giải thuật 3
điểm được đề xuất để so sánh 3 điểm để từ đó đưa ra các quyết định tăng, giảm
hay giữ nguyên điện áp làm việc của pin quang điện.
Giải thuật so sánh 3 điểm được biểu diễn như lưu đồ thuật toán, Hình
1.1.


4

Hình 1.1. Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm
Nguyên tắc cho phép điểm áp làm việc của pin quang điện tăng, giảm
hay giữ nguyên của giải thuật so sánh 3 điểm được trình bày như sau, Hình 1.2.
Theo giải thuật so sánh 3 điểm, hệ MPPT của pin quang điện sẽ tăng
điện áp làm việc trong các trường hợp ((1), (4)) và giảm điện áp trong các
trường hợp ((3), (6)).


5

Hình 1.2. Cơ chế so sánh 3 điểm
* Ưu điểm của giải thuật:
Giải thuật sử dụng 3 điểm để so sánh nên có khả năng khắc phục được
khuyết điểm hoạt động sai của giải thuật P&O trong trường hợp có sự thay đổi
nhanh của môi trường như cường độ bức xạ.
* Nhược điểm của giải thuật:
Khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì
giải thuật so sánh 3 điểm có thể sai do luôn đọc thấy 3 điểm cùng tăng (trường
hợp cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (trường hợp cường độ bức

Khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính giải thuật này có thể
hoạt động sai.

Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural
Network được đề xuất bởi M. A. Younis
M. A. Younis, v.v ... với công trình nghiên cứu, “An improved
maximum power point tracking controller for PV systems using artificial neural
network” đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo
và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất
cực đại [4]. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện


8

áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại. Cấu
trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược
với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số
nhiệt của dòng điện ngắn 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, Hình 1.5. Lưu đồ
của giải thuật MPPT Neural Network như Hình 1.6.
* Ưu điểm của giải thuật:
Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu 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.
* Nhược điểm của giải thuật:
Giải thuật MPPT kết hợp giữa P&O và mạng nơ-rôn nhân tạo lan truyền
ngược Levenberg-Marquardt gặp khó khăn trong việc lựa chọn các thông số
của mạng như số nơ-rôn cho các lớp ngõ vào, lớp ẩn và lớp ngõ ra.