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

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

LƯƠNG HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016


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

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

LƯƠNG HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

h
P
bi
P
bi
Ủ
v

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

Tp.HCM, ngày

tháng 6 năm 2016.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LƯƠNG HOÀNG NAM

Giới tính: NAM


III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
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

Lương Hoàng Nam


ii

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực

3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV................................................................... 35
3.6. Các ảnh hưởng đến PV.................................................................................. 35
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ......................................................... 35
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................. 36
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ........................................................ 37
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng ........................................................................... 41
3.7.1. Hệ thống PV độc lập .................................................................................. 41
3.7.2. Hệ thống PV kết nối lưới ........................................................................... 41
3.8. Cấu hình DC/DC - DC/AC ........................................................................... 47
3.8.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................... 47
3.8.2. Bộ biến đổi DC/AC .................................................................................... 51
CHƯƠNG 4 - THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ......... 61
4.1. Giới thiệu....................................................................................................... 61
4.2. Thuật toán P&O (Perturbation & Observation) ............................................ 62
4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) ................... 66
4.4. Thuật toán điện áp hằng số............................................................................ 68
4.5. Phương pháp điều khiển MPPT .................................................................... 70
4.5.1. Phương pháp điều khiển PI ........................................................................ 70
4.5.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 71


vii
4.5.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ........................................ 73
4.6. Đề xuất thuật toán bám điểm công suất cực đại ........................................... 74
CHƯƠNG 5- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ KẾT
NỐI LƯỚI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .. 76
5.1. Giới thiệu....................................................................................................... 76
5.2. Mô phỏng pin quang điện ............................................................................. 77
5.3. Khối DC/DC MPPT ...................................................................................... 81
5.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ

trái đất................................................................................................. 13
Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời .......................................................................... 15
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ........................................................................ 16
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 17
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời...................................... 17
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ................ 19
Hình 2.13. Hệ thống máy lạnh dùng năng lượng mặt trời ................................. 20
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời ..................................................................... 28
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV ................................................................................................ 29
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV ................................................................... 30
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV.......................................................... 30
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc ..................................................................................... 31
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...................................... 32
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ........................ 32
Hình 3.8. Module PV .......................................................................................... 33
Hình 3.9. Đặc tính của module PV ..................................................................... 33
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau............................... 34
Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau.......................... 34
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau.............................. 35


9

Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
nhiệt độ PV không đổi, 250C ............................................................. 36
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 ................................................................... 36
Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất 37

Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV ................................................ 61
Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất .......... 62
Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O....................................................................... 64
Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ ...................................... 65
Hình 4.5. Thuật toán InC .................................................................................... 66
Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC ......................................................................... 68
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi .................................................. 69
Hình 4.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ........... 70
Hình 4.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .................. 71
Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D .................. 73
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại
và nối lưới .......................................................................................... 76
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công
suất cực đại và nối lưới ...................................................................... 77
Hình 5.3. Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ................................. 78
Hình 5.4. Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m2) và
nhiệt độ, T (0C) khác nhau................................................................. 78
Hình 5.5. Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz ......................................... 79
Hình 5.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C ........................ 80
Hình 5.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
0

kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 25 C ......................... 80
Hình 5.8. Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT)............ 81
Hình 5.9. Điện áp, Vdc ....................................................................................... 82
Hình 5.10. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ......... 82

Hình 5.18. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 88
Hình 5.19. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
0

nhiệt độ môi trường 15 C................................................................... 90
Hình 5.20. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 15 C ..... 90
Hình 5.21. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 15 C .......................... 91
Hình 5.22. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 15 C .......................... 92
Hình 5.23. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ...... 93
Hình 5.24. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 93
Hình 5.25. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

0

nhiệt độ môi trường 35 C................................................................... 98
Hình 5.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
2

0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C....... 98
Hình 5.32. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
2

0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C ............................ 99
Hình 5.33. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
2

0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C .......................... 100


xiii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ................................ 8
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng ....................................... 9
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam .................................... 21
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm

mặt trời là một trong những nguồn 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 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 khoa
học không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này.
Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một
trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà
đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi
con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu điều khiển tối ưu
công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” 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.


2

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng
lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó.
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng
lượng mặt trời thông qua PV.
- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất

Đề tài khai thác ưu điểm của các thuật toán trên đề xuất một thuật toán bám
điểm công suất cực đại theo một cách tiếp cận cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả bám
điểm công suất cực đại so với các thuật toán khác đang sử dụng.
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].


4

1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống
điện năng lượng mặt trời của Việt Nam và các nước trên thế giới.
Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới
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 chung

K đến 20.10

kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời

6 0

K, trung bình khoảng 15.600.000

K. 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 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


6
3

này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm , 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

Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1

4

4H → He + 2 Neutrino + 
1

2

(2.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào
các “biến cố” sau đó.


Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị
mất đi. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10

6

tấn, tuy nhiên

theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian
hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng
24

nhiệt hạch lên đến 9.10 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải
phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong


B
a
6
0

B
ố
n9
1

N
ă
m
1
2

S
á
u1
5

B
ảy
1
8

M M
T C M ườ ư
á hí ườ i ời

Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
T
há
ng
δ
(đ

M H Ba B N S B
ột ai
ốn ă áu ảy
- 0 11 m
2 23 20
20 11
.6 0. .4 .4

T C
á hí
m
11 n 0
.8

M
ư
ời
11

M
ư
ời
2