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

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

NGUYỄN DUY AN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


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

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

NGUYỄN DUY AN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA MỘT HỆ PIN MẶT TRỜI

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 01 năm 2016

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

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

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN DUY AN

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV:




LỜI CÁM ƠN
Đầu tên, xin chân thành cám ơn TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận tình giúp đỡ,
đóng góp những ý kiến quý báu và hướng dẫn em thực hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho em các kiến thức quý báu trong
quá trình học tập giúp em đủ kiến thức để thực hiện Luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ11 đã động viên và giúp đỡ em trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi em
đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho em thực hiện Luận văn này.

Nguyễn Duy An


i

Tóm tắt
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển
bám điểm công suất cực đại của một hệ pin mặt trời” mà bao gồm các nội
dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời
+ Chương 3: Pin quang điện
+ Chương 4: Giải thuật bám điểm công suất cực đại
+ Chương 5: Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Danh sách bảng..............................................................................................
x
Chương 1 - Giới thiệu chung .........................................................................
1
1.1. Giới thiệu ...............................................................................................
1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ........................................................................
3
1.3. Đối tượng nghiên cứu ............................................................................
3
1.4. Phạm vi nghiên cứu ...............................................................................
3
1.5. Mục têu và nội dung nghiên cứu ..........................................................
3
1.6. Phương pháp nghiên cứu .......................................................................
4
1.7. Bố cục của luận văn ............................................................................... 4
Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng mặt trời ...............................................................................................
5
2.1. Cấu trúc mặt trời ....................................................................................
5
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ......................................................
7
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ..................................................
8
2.4. Bức xạ mặt trời ....................................................................................
10



3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ .................................................................... 34
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm................................................ 35
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng................................................................... 39
3.7.1. Hệ thống PV kết nối lưới................................................................... 39
3.7.2. Hệ thống PV độc lập ......................................................................... 40
3.7.3. Hệ thống PV kết hợp ......................................................................... 40
Chương 4 - Giải thuật bám điểm công suất cực đại .................................... 45
4.1. Giới thiệu .............................................................................................. 45
4.2. Giải thuật P&O (Perturbaton & Observaton)..................................... 46
4.3. Giải thuật điện dẫn gia tăng InC (Incremental Conductance) .............. 50
4.4. Giải thuật điện áp hằng số .................................................................... 52
4.5. Đề xuất giải thuật bám điểm công suất cực đại, P&O cải tến và sự
khác biệt so với thuật toán P&O.................................................................. 54
4.6. Phương pháp điều khiển MPPT............................................................ 57
4.6.1. Phương pháp điều khiển PI ............................................................... 57
4.6.2. Phương pháp điều khiển trực tếp......................................................
58
4.6.3. Phương pháp điều khiển đo trực tếp tín hiệu ra ...............................
61
Chương 5 - Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một


6

hệ pin mặt trời.............................................................................................. 62
5.1. Giới thiệu ............................................................................................. 62
5.2. Mô phỏng các đặc tính của PV............................................................. 64
5.3. Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi
chậm ............................................................................................................ 67
5.4. Mô phỏng và các kết quả của trường hợp bức xạ mặt trời thay đổi

Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp
Hình 3.8. Module PV
Hình 3.9. Đặc tính của module PV
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tếp với nhau


vii

Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau
Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
0

nhiệt độ PV không đổi, 25 C
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ
chiếu sáng không đổi 1 kW/m

2

Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất
Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một
phần
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV
Hình 3.18. Module PV với nhiều PV bị che khuất
Hình 3.19. Module PV sử dụng diode bypass
Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass

nhiệt độ không đổi (t = 25 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m

2


2

5kW/m )
Hình 5.6. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
0

nhiệt độ không đổi (t = 25 C) và bức xạ mặt trời thay đổi (G = 1kW/m

2


2

5kW/m )
Hình 5.7. Đặc tính V-I của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp
0

0

nhiệt độ thay đổi (t = 25 C  100 C) và bức xạ mặt trời không đổi (G
=1
2

kW/m )
Hình 5.8. Đặc tính V-P của pin quang điện RS - P618 - 22 trong trường hợp

sử dụng thuật toán P&O tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt trời
Hình 5.15. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không sử
dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với sự thay đổi nhanh của bức xạ mặt
trời
Hình 5.16. So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật
toán P&O và thuật toán P&O cải tến tương ứng với sự thay đổi nhanh của
bức xạ mặt trời
Hình 5.17. Mô phỏng sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời của pin quang điện
RS - P618 - 22
Hình 5.18. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không
sử dụng thuật toán P&O tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ mặt trời
Hình 5.19. Công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng và không
sử dụng thuật toán P&O cải tến tương ứng với sự tăng và giảm của bức xạ
mặt trời
Hình 5.20. So sánh công suất ngõ ra đạt được trong trường hợp sử dụng thuật
toán P&O và thuật toán P&O cải tến tương ứng với sự tăng và giảm của bức
xạ mặt trời


1
0

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tên của mỗi tháng
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tnh thể Silicon thuộc nhóm
IV
Bảng 4.1. Bảng tóm tắt giải thuật P&O


ứng dụng không gian hoặc là một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng
PV được kết nối với lưới điện quốc gia. Trong các hệ thống PV này đang tồn
tại hai vấn đề lớn:


2

- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
là rất thấp (9 ÷ 17%), đặc biệt là trong các điều kiện bức xạ thấp;
- Năng lượng điện được tạo ra bởi PV thay đổi liên tục dưới các điều
kiện thời tết khác nhau.
Mặt khác, đặc tính V–I của PV là phi tuyến và cũng sẽ thay đổi dưới các
điều kiện nhiệt độ và bức xạ khác nhau. Trên các đặc tuyến V–I hoặc V–P, tồn
tại một điểm làm việc duy nhất mà được gọi là điểm công suất cực đại
(Maximum power point, MPP). Vị trí của các MPP là không xác định trước
được, nhưng có thể xác định được thông qua các mô hình tính toán hoặc các
thuật toán tìm kiếm trong quá trình vận hành. Khi các MPP đã được xác định,
các kỹ thuật bám MPP sẽ được sử dụng để duy trì điểm làm việc của các PV
luôn luôn là tại MPP.
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 hiệu suất chuyển đổi năng lượng
mặt trời thành năng lượng điện của hệ PV là hoàn toàn có thể được tối
ưu, nhằm nâng cao hiệu quả khai thác. Điều này cũng có nghĩa là sẽ giảm bớt
gánh nặng cho các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện
hay nhiệt
điện.
Ngoài ra, việc lưu trữ nguồn năng lượng điện từ các nguồn năng

được.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một
hệ pin mặt trời” sẽ được thực hiện với các mục têu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời ở Việt
Nam.
- Nghiên cứu các đặc tính của PV.
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện sử dụng năng lượng
mặt trời thông qua PV.


4

- Nghiên cứu điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ
thống điện năng lượng mặt trời thông qua PV.
- Mô phỏng PV.
- Mô phỏng nguyên lý làm việc của hệ thống điện sử dụng năng lượng
mặt trời thông qua PV.
- Mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của một hệ
thống điện sử dụng năng lượng mặt trời thông qua PV.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển bám điểm công suất cực đại của
một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất thuật toán điều khiển bám điểm
công suất cực đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng PV.
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng điện mặt trời

15,610 K. Ở nhiệt độ này, 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
[2].

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời


6

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 này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng
3

160 kg/dm , nhiệt độ ước tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng
hàng
trăm tỷ atmotphe.
Vùng kế tếp 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), stront (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
0


7

ở đó có thể kết hợp với nhau dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó, cứ 4 hạt
nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.