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

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

TRẦN VĂN THỪA

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG
ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM

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

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

TRẦN VĂN THỪA

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG
ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM

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

Phả
biệ
Ủ
viên

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 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: Trần Văn Thừa

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:


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
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Trần Văn Thừa


LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH 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, PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã
tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn
thiện luận văn này.
Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Trần Văn Thừa


Tóm tắt
Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV. Thông
thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một
phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện...
Trong điều kiện bóng râm, đặc tính P-V phức tạp hơn, với nhiều điểm cực trị.
Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP - maximum
power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn.

nature that makes them inefficient. To improve the efficiency and reliability of
PV systems, there are many MPPT algorithm proposed. Among them, the P &
O (Perturb and Observe) algorithm is the most popular MPPT technique.
This thesis studies the PV system under heterogeneous conditions of solar cell
or changed environmental conditions such as PV partially shading.
The P & O algorithm is also proposed to apply for finding the MPP of
this PV system under shading conditions.
The topic thesis, "Simulation on a maximum power point searching
algorithm considering partial shading conditions" is selected to implement
which includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Background to photovoltaic systems
+ Chapter 3: Proposal a maximum power point searching algorithm
considering partial shading
+ Chapter 4: Simulation results
+ Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ........................................................................................iii
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................. 1
1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 2
1.5. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................. 3
1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................ 3

3.4.4. Thuật toán dòng điện ngắn mạch ..................................................... 42
Chương 4 - Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ............................ 44
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 44
4.2. Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống pin quang điện ................. 44
4.3. Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện ............................... 49
4.3.1. Trường hợp không bị bóng râm ....................................................... 49
4.3.2. Trường hợp bị bóng râm ................................................................... 52
4.4. Kết luận ............................................................................................... 64
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 65
5.1. Kết luận ............................................................................................... 65
5.2. Hướng phát triển tương lai .................................................................. 65
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 67


4v

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc một mảng PV ................................................................. 7
Hình 2.2. Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu ................................. 8
Hình 2.3. Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu ............................................. 8
Hình 2.4. Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt
Nam .............................................................................................................. 9
Hình 2.5. Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch ........................................... 9
Hình 2.6. Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất ........................................... 10
Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện .............................. 11
Hình 2.8. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ ................ 12
Hình 2.9. Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ .......................... 13
Hình 2.10. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ ................. 14
Hình 2.11. Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ ........................... 14

Hình 4.3. Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 ........................................ 46
Hình 4.4. Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 ....................................... 46
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện ......................... 47
Hình 4.6. Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ................. 48
Hình 4.7. Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp
không bị bóng râm ...................................................................................... 49
Hình 4.8. Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp
không bị bóng râm ...................................................................................... 50
Hình 4.9. Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ
qua hiện tượng bóng râm ............................................................................ 50
Hình 4.10. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua
hiện tượng bóng râm ................................................................................... 51
Hình 4.11. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong
trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm .................................................... 51
Hình 4.12. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19 .................... 52
Hình 4.13. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ........ 52
Hình 4.14. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ....... 53
Hình 4.15. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ........ 53
Hình 4.16. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ............... 54


6v

Hình 4.17. Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ...... 54
Hình 4.18. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 .... 55
Hình 4.19. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ........ 55
Hình 4.20. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ....... 56
Hình 4.21. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ........ 56
Hình 4.22. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ............... 57
Hình 4.23. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường

2.000 giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng
lượng tái tạo có thể đạt 4,08-5,15 kWh/m2/ngày. Điều đó chứng tỏ điều kiện tự
nhiên của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng năng lượng tái
tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Bên cạnh đó, năng lượng mặt
trời là loại năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán được và đặc biệt là có
năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện.
Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói
riêng ngày càng có tầm quan trọng hơn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc
áp dụng nên phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn còn có giá khá
cao và vẫn cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai.
Điều này thôi thúc các nhà nghiên cứu không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu
quả sử dụng nguồn năng lượng này. Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất
cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm” cũng
không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa
trong mọi điều kiện môi trường.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV. Thông
thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một


2

phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện...
Trong điều kiện bóng râm, đường đặc tính P-V có được phức tạp hơn với nhiều
đỉnh. Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP maximum power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn.
Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính
chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp. Để nâng
cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT (Maximum Power
Point Tracking) được nhiều người nghiên cứu, phổ biến nhất là thuật toán P&O

quang điện mặt trời. Thuật toán PSO gần đây được một số học giả nghiên cứu
với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Đề tài này cũng nghiên cứu kỹ thuật MPPT
dựa trên thuật toán PSO nhưng theo một cách tiếp cận riêng nhằm cải thiện kỹ
thuật MPPT hiện đang sử dụng. Nói cách khác, đề tài được nghiên cứu nhằm
đem lại sự tối ưu trong hướng giải quyết vấn đề về hệ thống quang điện nói
riêng và các bài toán tối ưu nói chung.
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 (năng lượng tái tạo nói chung)
là hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi chúng ta phải 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
1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu và
các kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới thiệu, chẳng
hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation algorithm,
P&O) [1] - [4], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm,
IC) [1] - [5], mạng nơ-rôn nhân tạo [6], logic mờ [7], v. v . . . Các kỹ thuật này
khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của
thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện
các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp.
Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C.
Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự


4

như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán
P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so
sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của

5

P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán
P&O một cách đáng kể.
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [11]
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.
Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang
điện như sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt
là hiện tưởng bóng râm. Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi
một đám mây thoáng qua, một tòa nhà cao tầng, . . . , các mô phỏng và thực
nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới điều kiện bóng râm đã được thực
hiện [12]-[14].
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện
+ Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
+ Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


6



7

khác ra đời nhằm cải thiện thuật toán này như P&O hai bước, P&O hai bước
cải tiến kết nối lưới điện vào năm 2009.
- Những năm sau đó với sự pháp triển của trí tuệ nhân tạo, người ta phát
triển các kỹ thuật MPPT dựa trên lý thuyết mờ, thuật toán di truyền,... Một số
tác giả đã tổng hợp và so sánh các kỹ thuật MPPT.
- Gần đây, thuật toán tối ưu hóa PSO phát triển, người ta đang có xu
hướng phát triển kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán này.
2.2. Hệ thống pin quang điện
Hình 2.1 cho thấy sự khác biệt giữa một tế bào năng lượng mặt trời
(cell), mô-đun (module) và mảng (array). Hình này cho thấy một mô-đun được
tạo thành từ một số tế bào và một mảng được tạo thành từ một số mô-đun.

Hình 2.1. Cấu trúc một mảng PV
- Năng lượng mặt trời đã trở nên quan trọng trên toàn cầu trong những
năm gần đây do khủng hoảng năng lượng toàn cầu thế giới phải đối mặt.
- Các tấm năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng ánh sáng từ mặt trời
để tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện.
- Quang điện là một phương pháp tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức
xạ mặt trời thành điện một chiều (DC), sử dụng chất bán dẫn có biểu hiện hiệu
ứng quang điện.


8

- Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng đáng tin cậy vì dễ
dàng dự đoán được bao nhiêu năng lượng có thể được sản xuất với các tấm pin

liệu hóa thạch.
- Các ứng theo dõi và hiệu chỉnh (tracking) năng lượng mặt trời được sử
dụng rộng rãi để cực đại hóa góc tới giữa ánh sáng mặt trời và các tấm PV. Góc
độ này luôn được giữ như gần như vuông góc. Hình 2.5 cho tổn thất công suất
theo góc lệch so với phương vuông góc với tia tới.
- Với những tiến bộ trong công nghệ và việc mở rộng quy mô sản xuất
đã làm chi phí của năng lượng mặt trời đã giảm dần kể so với khi các tế bào
năng lượng mặt trời lần đầu được sản xuất.
- Hiệu suất của tế bào năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như nhiệt độ của mặt trời, mức độ cách nhiệt, đặc tính phổ của ánh sáng mặt
trời, Hình 2.6, bụi nằm trên các module năng lượng mặt trời và các hiệu ứng
bóng râm.

Hình 2.6. Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất


11

- Hình 2.6 phần diện tích bên dưới đường cong (màu nhạt) tương ứng
đặc tính phổ ở trên đỉnh bầu khí quyển, phần diện tích màu sậm tương ứng đặc
tính phổ trên bề mặt trái đất ở độ cao mực nước biển. Trái đất được xem như
một “backbody” đối với phổ bức xạ mặt trời, phổ ánh sáng chỉ phù thuộc vào
nhiệt độ. Ta nhận thấy khi ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển đến trái đất,
vùng ánh sáng tử ngoại bị hấp thu gần hết. Khi đến bề mặt trái đất ở độ cao
mực nước biển, còn lại 40% năng lượng tập trung ở vùng khả kiến, 50% năng
lượng ở vùng hồng ngoại và chỉ 10% năng lượng ở vùng tử ngoại.
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện do nhà bác
học Heinrich Hertz phát hiện vào năm 1887. Hiệu ứng quang điện là một hiện
tượng trong đó năng lượng mặt trời được chuyển trực tiếp thành năng lượng


Hình 2.8. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ