1

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

NGUYỄN NGỌC THOẠI

NGUYỄN NGỌC THOẠI
LUẬN VĂN THẠC SĨ

ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT
CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT
TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆN TƯỢNG BÓNG
RÂM

KHÓA: 2012

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số ngành: 605202202


2

Mẫu nhãn đĩa CD-ROM:

Trường ĐH Công Nghệ Tp.HCM
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Học Viên: Nguyễn Ngọc Thoại
MSHV: 1241830033
Ngành: Kỹ Thuật Điện


Trúng tuyển đầu vào năm: 2012
Là tác giả luận văn: Điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang điện
mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã ngành: 605202202
Bảo vệ ngày: 18 Tháng 01 năm 2014
Điểm bảo vệ luận văn: 6,9
Tôi cam đoan chỉnh sửa nội dung luận văn thạc sĩ với đề tài trên theo góp ý của Hội đồng đánh
giá luận văn Thạc sĩ. Các nội dung đã chỉnh sửa:
Trình bày lý do chọn giải thuật
Cần có sự so sánh kết quả giữa giải thuật đề xuất với kết quả khi không có sử dụng giải
thuật được đề xuất

Người cam đoan
(Ký, ghi rõ họ tên)

Cán bộ Hướng dẫn
(Ký, ghi rõ họ tên)


4

Nguyễn Ngọc Thoại


LỜI CÁM ƠN

5

Trước tiên, xin chân thành cảm ơn sự quan tâm hỗ trợ, tạo điều kiện và hết lòng động viên

quá trình chuyển đổi năng lượng điện này lại có hai vấn đề chính cần được giải quyết. Thứ
nhất, hiệu suất chuyển đổi của các tế bào pin quang điện là rất thấp (9 % đến 17 %), đặc biệt
là trong các điều kiện bức xạ thấp. Thứ hai, điện năng được phát ra bởi pin quang điện thay
đổi liên tục với các điều kiện thời tiết khác nhau. Ngoài ra, đặc tính VI của pin quang điện là
phi tuyến tính và thay đổi theo bức xạ và nhiệt độ. Nhưng tổng quát cho thấy, luôn luôn tồn tại
một điểm duy nhất trên các đường cong VI hoặc VP mà được gọi là điểm công suất cực đại
(Maximum power point, MPP). Điều này có nghĩa rằng hệ thống pin quang điện sẽ hoạt động
với hiệu suất tối đa và tạo ra một công suất ngõ ra tối đa. Điểm công suất cực đại không được
biết trước trên các đường cong VI hoặc VP, nhưng nó có thể được xác định bởi các thuật toán


7

tìm kiếm mà có thể có các ưu và nhược điểm khác nhau liên quan đến tính đơn giản, tốc độ
hội tụ, thêm các phần cứng hỗ trợ và chi phí thực hiện. Luận văn này trình bày thuật toán P&O
để tìm kiếm các điểm công suất cực đại trên đặc tính VI của hệ pin quang điện, đặc biệt xét
đến các ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm.

ABSTRACT

Energy is absolutely essential for our life. Recently, energy demand has greatly
increased all over the world. This has resulted in an energy crisis and climate change. The
research efforts in moving towards renewable energy can solve these problems. Compared to
conventional fossil fuel energy sources, renewable energy sources have the following major
advantages: they are sustainable, never going to run out, free and non-polluting. Renewable
energy is the energy generated from renewable natural resources such as solar irradiation,
wind, tides, wave, etc. Amongst these sources, solar energy is one of the most important
renewable sources and is widely used.
Solar energy is popularly used to provide heat, light and electricity. One of the important
technologies of solar energy is photovoltaic (PV) which converts irradiation directly to

2.1. Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước...................................................5
2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam..................7
Chương 3: Pin quang điện
3.1 Giới thiệu.........................................................................................................11
3.2 Sơ đồ thay thế đơn giản của PV ......................................................................15
3.3 Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao.................................................16


9

3.4 Modul PV ........................................................................................................17
3.5 Mảng PV..........................................................................................................18
3.5.1 Nối nối tiếp nhiều modul PV..................................................................18
3.5.2 Nối song song nhiều modul PV...............................................................19
3.5.3 Nối hổn hợp nhiều modul PV.................................................................19
3.6 Phân loại hệ thống PV.....................................................................................20
3.6.1 Hệ thống PV kết nối lưới điện................................................................20
3.6.2 Hệ thống PV độc lập...............................................................................21
3.7 Các ảnh hưởng đến PV....................................................................................22
3.7.1 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng.....................................................22
3.7.2 Ảnh hưởng của nhiệt độ........................................................................22
3.7.3 Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm....................................................23
Chương 4: Điều khiển bám điểm công suất cực đại cho hệ pin quang điện
4.1 Giới thiệu ........................................................................................................31
4.2 Bộ biến đổi DC/DC...........................................................................................33
4.2.1 Bộ biến đổi Buck....................................................................................33
4.2.2 Bộ biến đổi Boost..................................................................................36
4.2.3 Bộ biến đổi Buck – Boost.......................................................................37
4.3 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC.........................................................................38
4.3.1 Điều khiển điện áp hồi tiếp....................................................................38


Danh mục các từ viết tắt


1
1

P&O:

Perturbation & Observation

IC:

Incremental Conductance algorithm

PV:

Photovoltaic

kWp:

Kilowatt peak

MPP:

Maximum Power Point

MPPT:

Maximum Power Point Tracking


Phổ năng lượng mặt trời...................................................................12

Hình 3.2

Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu......................................12

Hình 3.3

Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu.................................................13

Hình 3.4

Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện
của PV................................................................................................14

Hình 3.5

Mô hình đơn giản của PV..................................................................14

Hình 3.6

Sơ đồ thay thế đơn giản của PV.........................................................15

Hình 3.7

Các tham số quan trọng của PV: Dòng điện ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc
...........................................................................................................15

Hình 3.8


Hình 3.16

Hệ thống PV độc lập..........................................................................21

Hình 3.17

Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và nhiệt độ PV
không đổi, 25oC.................................................................................22


Hình 3.18

1

Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ
4 khác nhau và cường độ chiếu sáng không
đổi 1 kW/m2.......................................................................................23

Hình 3.19

Module PV với n PV trong trường hợp modul không bị che khuất....23

Hình 3.20

Module PV với n PV trong trường hợp modul bị che khuất
một phần...........................................................................................24

Hình 3.21



Hình 4.2

Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau....................32

Hình 4.3

Hệ thống bám điểm công suất cực đại..............................................33

Hình 4.4

Bộ giảm áp Buck.........34

Hình 4.5

Bộ tăng áp Boost................................................................................36

Hình 4.6

Bộ biến đổi Buck – Boost...................................................................37

Hình 4.7

Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp......................................................39

Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12

Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm.........................52
Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm

Hình 5.8

........................................................................................................... 53
Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp không bị bóng râm

Hình 5.9

........................................................................................................... 54
Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng

Hình 5.10

bóng râm............................................................................................54
Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng

Hình 5.11

râm....................................................................................................55
Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua hiện

Hình 5.12
Hình 5.13
Hình 5.14
Hình 5.15
Hình 5.16
Hình 5.17
Hình 5.18

Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2.....62
Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19,
20 và 21.............................................................................................63
Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3...................63
Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3..................64
Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 3..................64
Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3.........................65
Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3.....65
Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14, 15, 19,
20, 21 và 22.......................................................................................66
Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4...................66
Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4..................67
Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 4..................67
Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4.........................68
Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4.....68


1
6


1
7

Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1 Giới thiệu
Có thể dễ dàng nhận ra rằng năng lượng đã là một trong những yếu tố thiết yếu cho sự
tồn tại và phát triển của xã hội, cũng như duy trì mọi sự sống trên trái đất. Ngày nay,
trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lượng của con người ngày

năng lượng mặt trời.
Về cơ bản, có 2 phương thức được sử dụng phổ biến để biến đổi năng lượng
mặt trời thành năng lượng điện như sau:
- Phương thức 1: Quang năng  nhiệt năng  điện năng
- Phương thức 2: Quang năng  điện năng
Luận văn sẽ tập trung chính nghiên cứu phương thức biến đổi năng lượng mặt
trời dưới dạng quang năng thành năng lượng điện thông qua pin quang điện
(Photovotaic, PV) mà có cấu tạo từ các chất bán dẫn.
Tuy nhiên, do đặc thù riêng của pin quang điện nên chi phí đầu từ cho một hệ
điện năng lượng mặt trời vẫn còn khá cao. 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 hiện tượng bóng râm” cũng không nằm ngoài mục tiêu
chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi trường.
Đặc biệt, hiện tượng bóng râm cũng là một trong các hiện tượng mà sẽ được
nghiên cứu và xét đến trong luận văn trong quá trình điều khiển bám điểm công
suất cực đại.
1.2 Mục tiêu nghiên cứu:
Nghiên cứu, mô phỏng điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin quang
điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm để đảm bảo công suất ngõ ra là
lớn nhất.
Khảo sát các đường đặc tính V-I , V-P và điều khiển để bám điểm công suất cực
đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiện tượng bóng râm.


1
9

Thuật toán P&O (Perturbation and Observation) là một trong các thuật toán cho
phép xác định điểm công suất cực đại đơn giản và phổ biến nhất mà sẽ được áp



2
0

Chương 5: Kết quả mô phỏng
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 2
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU
Với các mục tiêu nghiên cứu đã được đặt ra trong Chương 1, tổng quan cho tình hình nghiên
cứu liên quan đến bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại cũng như tổng quan cho
tình hình khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam sẽ được trình bày trong
chương này.
2.1 Tổng quan tình hình nghiên cứu ngoài nước
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 (Perturbation & Observation algorithm, P&O) [2.1]-[2.4], thuật toán gia tăng độ
dẫn (Incremental Conductance algorithm, IC) [2.1]-[2.5], mạng nơ- rôn nhân tạo [2.6],
logic mờ [2.7], 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 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 điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3
điểm có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi có
sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ, v. v . . . Tuy
nhiên đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn như khi cường độ bức xạ thay

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.
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [2.11] 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 [2.12]-[2.14].


2
3

2.2 Tổng quan tình hình phát triển năng lượng mặt trời tại Việt Nam
0

Lãnh thổ Việt Nam kéo dài từ 8–23 vĩ Bắc, nằm trong khu vực có cường độ
2

bức xạ mặt trời tương đối cao với trị số tổng xạ khá lớn từ 100–175 kcal/cm .năm. Do
đó, việc sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Giải


Đông Bắc Bộ

100 – 125

1500 – 1700

2

Tây Bắc Bộ

125 – 150

1750 – 1900

3

Bắc Trung Bộ

140 – 160

1700 – 2000

4

Nam Trung Bộ và Tây Nguyên

150 – 175

2000 – 2600

nguồn cung cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng, cột hải đăng, đèn báo sông.
Trong ngành công nghiệp, các trạm pin quang điện phát điện sử dụng làm
nguồn cung cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết
bị máy tính và sử dụng làm nguồn cung cấp điện nối với điện lưới quốc gia.
Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin quang điện phát điện dần được
sử dụng làm nguồn cung cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng.
Trong sinh hoạt của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin quang điện
phát điện sử dụng để thắp sáng, nghe đài, xem vô tuyến.
- Khu vực miền Nam ứng dụng các dàn pin quang điện phục vụ thắp sáng và sinh hoạt
văn hóa tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có công suất từ
500 - 1000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử
dụng. Các dàn pin quang điện có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các
bệnh viện, trạm xá và các cụm văn hoá xã. Đến nay, có khoảng 800 - 1000 dàn pin
quang điện đã được lắp đặt và sử dụng cho các hộ gia đình, công suất mỗi dàn từ 22,5
- 70 Wp.
- Khu vực miền Trung có bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho
việc ứng dụng pin quang điện. Hiện tại, khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với
pin quang điện có công suất lớn nhất Việt Nam, đó là:
* Dự án phát điện ghép giữa pin quang điện và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được
lắp đặt tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó công suất của hệ thống
PMT là 100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa vào vận
hành từ cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang
Yang quản lý và vận hành.


9

* Dự án phát điện lai ghép giữa pin quang điện và động cơ gió phát điện với công suất
là 9 kW, trong đó pin quang điện là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2,
huyện Đak Hà, tỉnh Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình đã được đưa