ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN DUY TÂN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT
TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỒ CHUYÊN NGÀNH: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HÒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MENH

TRƯỜNG ĐAI HOC BÁCH KHOA
«

9

TRẦN DUY TÂN
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM
CÔNG SUẤT

cực ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT

TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM
•

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA

m


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
••••

Họ tên học viên: TRẦN DUY TÂN .......................................... MSHV : 7140431
Ngày, tháng, năm sinh: 10/07/1990 ............................................ Nơi sinh: Đồng Nai
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện ..................................................... Mã số : 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIÊN BÁM DIÊM CÔNG SUẤT CỰC
ĐẠI CỦA HỆ PIN QUANG ĐIỆN MẶT TRỜI CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ÚNG BÓNG
RẤM
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Tìm hiểu về hệ thống pin năng luợng mặt trời.
- Tìm hiểu về bộ biến đổi công suất.
- Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho hệ các module năng luợng mặt trời.
- Tìm hiểu công suất của hệ pin quang điện trong điều kiện bóng râm và giải thuật
khắc phục việc giảm công suất.

viên

Trần Duy Tân

VI


TÓM TẮT LUÂN VĂN THẠC SỸ
••

Do sự phát triển kinh tế toàn cầu mà nhu cầu năng luợng toàn thế giới ngày càng tăng
theo cấp số nhân. Trong khi đó nguồn năng luợng hóa thạch lại có hạn và ngày càng
cạn kiệt, cũng nhu khi sử dụng năng luợng hóa thạch gây ảnh huởng nghiêm trọng đến
môi truờng sống của con nguời trên trái đất. Tù đó đặt ra các vấn đề cần giải quyết về
năng luợng cấp thiết và vấn đề ô nhiễm môi truờng. Xu huớng của thế giới hiện nay
đang phát triển các loại năng luợng sạch, không ô nhiễm môi truờng. Tù đó thúc đẩy
các nhà khoa học tìm hiểu và nghiên cứu năng luợng tái tạo, đặc biệt là năng luợng mặt
trời, nguồn năng luợng hiện nay có thể xem nhu là vô tận và không gây ra ô nhiễm môi
truờng. Để phát triển bền vững, con nguời đặt ra phải chuyển đổi tù năng luợng hóa
thạch sang hệ thống sử dụng toàn bộ năng luợng tái tạo trong đó có năng luợng mặt trời.
Tuy nhiên, việc chuyển đổi cần có thời gian, tiền bạc, tri thức về hệ thống năng luợng
điện mặt trời, kèm theo đó những khó khăn khi áp dụng hệ thống năng luợng điện mặt
trời vào thực tế. Tù nhu cầu thực tế đó, đề tài bắt đầu tìm hiểu nghiên cứu về hệ thống
pin mặt trời cũng nhu làm sao đạt đuợc công suất tối uu khi sử dụng hệ thồng này vào
thực tế.
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu đuợc đặt ra, luận văn đuợc chia thành 6 chuơng:
Chuơng 1: Mở đầu
Chuơng 2: Hệ thống năng luợng mặt trời
Chuơng 3: Thuật toán bám điểm công suất cục đại
Chuơng 4: Thuật toán p&o cải tiến duới điều kiện có bóng râm


1.1. Tổng quan về năng lượng tái tạo và nhu cầu

về năng lượng mặt trời: ........ 1

1.2. Mục đích của đề tài: ........................................................................................ 3
1.3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu: ................................................................. 3
1.4. Nội dung sẽ nghiên cứu: ................................................................................. 3
CHƯƠNG 2:

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......................................4

2.1. Sự tăng trưởng của năng lượng mặt trời: ........................................................ 4
2.2. Ưu và nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời: ............................... 4
2.3. Giói thiệu về pin mặt trời ................................................................................ 5
2.3.1

Định nghĩa ................................................................................................ 5

2.3.2

Cấu tạo và nguyên lý hoạt động ............................................................... 6

2.3.2.1 Cấu tạo pin mặt trời ................................................................................ 6
2.3.2.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 9
2.3.3 Phân loại các loại tế bào quang điện ......................................................... 10
2.3.3.1 Tế bào đơn tinh thể: .............................................................................. 10
2.3.2.2 Tế bào đa tinh thể: ................................................................................ 10
2.3.2.3 Tế bào vô định hĩnh:............................................................................. 12
2.3.4 Module PV................................................................................................. 12

3.2.

Hợp dung tải bằng bộ biến đổi DC - DC ...................................................... 24

3.3.

Các giải thuật điều khiển MPPT ................................................................... 28

3.3.1

Fractional voltage (V-MPPT) ................................................................ 29

3.3.2

Fractional current (I-MPPT): ................................................................. 30

3.3.3

Look-up table MPPT: ............................................................................ 31

3.3.4

Curve-fitting based MPPT: .................................................................... 32

3.3.5

Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC): ................................ 32

3.3.6


4.3

Giải thuật p&o cải tiến tìm MPP trong điều kiện có bóng râm .................... 51

CHƯƠNG 5:
5.1

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TRÊN MATLAB ............................... 56

Mô phỏng: .................................................................................................... 56

5.1.1

Sơ đồ mô phỏng: .................................................................................... 56

5.1.2

Kết quả mô phỏng: ................................................................................. 64

5.1.2.1
Giải thuật p&o vận hành trong điều kiện bức xạ đồng đều: ............ 64
5.1.2.2
Giải thuật p&o và p&o cải tiến vận hành trong điều kiện bức xạ
không đồng đều (có bóng râm): ......................................................................... 65
X


CHƯƠNG 6:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ........................ 77

Hình 2.7 Hiệu ứng quang điện tạo dòng I cấp cho tải ................................................. 10
Hình 2.8 Tế bào đơn tinh thể....................................................................................... 11
Hình 2.9 Tế bào đa tinh thể ......................................................................................... 11
Hình 2.10 Tế bào vô định hình.................................................................................... 12
Hình 2.11 Module năng lượng mặt trời thực tế........................................................... 12
Hình 2.12 Đặc tuyến I-V, P-V module pin mặt trời .................................................... 13
Hình 2.13 Mô hình tương đương pin mặt trời ............................................................. 14
Hình 2.14 Đặc tính I - V và p - V khi cường độ chiếusáng thay đổi .......................... 16
Hình 2.15 Đặc tính I-V và P-V của pin mặt tròi khi nhiệtđộ thay đổi từ 25-75 độ c
.......... ................ ... ....................................................... ....... ...... ..17
Hình 2.16 Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập........................................................ 19
Hĩnh 2.17 Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới....................................................... 20
Hĩnh 3.1 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời ......................... 22
Hĩnh 3.2 Module PV mắc trực tiếp vào tải thuần trở .................................................. 23
Hĩnh 3.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời và của tải trở có thể thay đối giá trị....23
Hĩnh 3.4 Pin mặt trời kết nối với tải qua bộ biến đổi DC - DC .................................. 25
Hĩnh 3.5 Pin mặt trời kết nối với tải Rei ..................................................................... 26
Hĩnh 3.6 Điểm làm việc của module PV ứng với tải R thay đối................................. 27
Hĩnh 3.7 Khoảng làm việc của bộ biến đổi SEPIC ..................................................... 28
Hĩnh 3.8 Mối liên hệ giữa điện áp hở mạch và điện áp cực đại .................................. 31
Hĩnh 3.9 Mối liên hệ giữa dòng điện ngắn mạch và dòng điện cực đại ...................... 31
Hĩnh 3.10 Lưu đồ giải thuật phương pháp P&o .......................................................... 33
xii


Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật phương pháp IC ............................................................. 36
Hình 3.12 Hàm thành viên .......................................................................................... 37
Hình 3.13 Cấu trúc cơ bản của mạng nơ rơn 4 ngõ vào .............................................. 39
Hình 4.1. Dao động khi xác lập ở giải thuật p&o ....................................................... 42
Hình 4.2. Hiệu ứng trôi ............................................................................................... 43


Hình 5.13 Đường cong P-V, I-V khi bức xạ đồng đều lần lượt là 1000 - 700 (W/m2)
..... ........ . ....................... '........ . ................ ................................... 64
Hình 5.14 Đáp ứng công suất của giải thuật p&o truyền thống trong điều kiện bức
xạ đồng đều 1000-700-1000 (W/m2) .......................................................................... 64
Hình 5.15 Thay đổi chu kì nhiệm vụ khi giải thuật p&o truyền thống vận hành ....65
Hình 5.16 Đáp ứng công suất của giải thuật p&o truyền thống trên toàn miền thời gian
67
Hình 5.17 Đáp ứng dòng điện của giải thuật p&o trên toàn miền thời gian ............... 68
Hình 5.18 Đáp ứng điện áp của giải thuật p&o trên toàn miền thời gian ................ 68
Hình 5.19 So sánh đáp ứng công suất của giải thuật p&o cải tiến 1 và cải tiến 2 trên
toàn miền thời gian ..................................................................................................... 71
Hình 5.20 Phóng to đáp ứng công suất của cải tiến 1 tại t = 0.8s ............................... 72
Hình 5.21 Phóng to đáp ứng công suất của cải tiến 2 tại t = 0.8s ............................... 73
Hình 5.22 So sánh đáp

ứng điện áp của cải tiến 1 và cải tiến 2 khi vận hành ...... 74

Hình 5.23 So sánh đáp

ứng dòng điện của cải tiến 1 và cải tiến 2 khi vận hành .. 74

Hình 5.24 Chu kì nhiệm vụ D của cải tiến 1 khi vận hành ......................................... 75
Hình 5.25 Chu kì nhiệm vụ D của cải tiến 2 khi vận hành ......................................... 75

XIV


DANH MỤC TỪ VIỂT TẤT


Incremental Conductance

RCC

Ripple Correlation Control

FLC

Fuzzy Logic Control

PWM

Pulse Width Modulation

IC

Integrated Circuit

MOSFET

Metal Oxide Silicone Field Effect Transsitor

ADC

Analog to Digital Converter

DSP

Digital Signal Processing


cầu và sản xuất. Nhiều quốc gia đã áp dụng các chính sách năng lượng mới để
khuyến khích đầu tư vào các nguồn năng lượng thay thế như sinh khối, năng lượng
mặt trời, gió và thủy điện nhỏ. Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng
lượng tái tạo quan trọng nhất và hứa hẹn sẽ tăng thị phần trong tương lai gần. Một
nghiên cứu

1


của cơ quan năng lượng quốc tế, kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng của thế giới,
ước tính khoảng 30 đến 60 Terawatt năng lượng mặt trời mỗi năm sẽ là cần thiết
vào năm 2050. Nguồn pin mặt trời với ưu thế không gây tiếng ồn, có thể lắp đặt ở
mọi nơi kể cả trong khu dân cư đã giúp cho quá trình phổ biến loại nguồn này trong
hệ thống đỉện nhanh hơn so với các nguồn khác. Trong đó, vấn đề khai thác tối đa
khả năng phát công suất nhờ các biện pháp tìm điểm công suất cực đại (MPP) và
các kỹ thuật điều khiển bộ biến đổi (BBĐ) hoặc các loại BBĐ khác nhau trong hệ
thống khai thác PV là mục tiêu trợng tâm trong các nghiên cứu cả trong nước và
trên thế giới. Đe tăng hiệu suất truyền công suất pin mặt trời, thì bộ kết nốỉ giữa
pỉn mặt trời và tải đóng vai trò quan trọng. Các nhân tố như bức xạ, nhiệt độ và
góc sẽ ảnh hưởng đến điểm cỏ công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP)
của pin mặt trời. Trong nghiên cứu này, đề tài tập trung vào việc cải thiện hiệu suất
của hệ thống điện mặt trời bằng việc cải tiến giải thuật MPPT để thu được công
suất tối đa từ pin mặt trời.

Hình LL Cấu hình cơ bản cửa hê thắng điên mat trời đôc lập
9

o

t

Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm cực đại công suất của hệ PV bằng kỹ
thuật MPPT dựa trên thuật toán p&o cổ điển và đưa ra giải thuật mới tiên tiến hơn.

1.4.
-

Nội dung sẽ nghiên cứu:
Khảo sát đường cong đặc tính I-V, công suất cực đại của hệ PV trong điều kiện
nắng tốt, không có bóng râm.

-

Khảo sát ảnh hưởng hiệu ứng bóng râm đến đặc tính I-V và điểm công suất cực đại
(MPP) của hệ PV.

-

Cấu tạo pin mặt trời, mạch biến đổi công suất.

-

Dùng thuật toán p&o để tìm điểm công suất cực đại trong trường hợp hệ PV bị che
một phần.

-

Trình bày giải thuật mới có nhiều ưu điểm hơn để khắc phục nhược điểm của thuật
toán p&o.

-

M

303frgaiuạJJf

I

n*
Ĩ2S

JJD

177

Ề

pin1*

LS7

*1
"lĨTUl **
4oiui
ũiuclỉy

ĩ3

70 E

5E


được thiết kế với khả năng lưu trữ để cung cấp năng lượng phù họp, chất lượng cao
ngay cả khi mặt trời không sáng.
- Hệ thống PV không gây ra tiếng ồn hoặc khí thải carbon, thân thiện với môi trường,
hầu như không gây ô nhiễm.

Nhược điểm của hệ thống năng lượng mặt trời là:
- Chi phí sản xuất rất cao so với các nguồn tái tạo khác.
- Khó bắt được điểm công suất cực đại của hệ thống trong quá trình vận hành.
- Yêu cầu bắt buộc phải làm sạch thường xuyên bề mặt ngoài của các module PV.
- Việc chuyển đổi năng lượng không được cao.

2.3.

Giới thiệu về pin mặt trời
2.3.1 Định nghĩa
Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện trong lóp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong
quang dẫn) để tạo ra dòng điện một chiều khi được chiếu sáng.

5


2.3.2 cấu tạo và nguyên lý hoạt động

Hình 2.2 Cẩu tạo và nguyên lý hoạt động
2.3.2.1 Cẩu tạo pin mặt trời
Gồm ba than phần chính như đã mô tả trên hình 2.2:

o Lớp tiếp xúc p-n:
■ Lợp tiếp xúc bán dẫn p-n cỏ khả năng biến đổi trực tiếp năng

bên ngoài. Bán dẫn Si chứa tạp chất nhóm V có tính dẫn đỉện âm còn
được gọi là bán dẫn loại n (negatif).
‘ml.

ị•

s

t *< Ị)

m'

*betra

ỉ* /*1 H
Hình 2.4 Mạng tinh thể sỉUc với một nguyên tửphotpho (nhỏm V)
■ Ngược lại, nếu pha Si với tạp chất nhóm III, do cỏ ít hơn một elecữon
hóa trị nên khỉ gắn vào mạng tinh thể Sỉ sẽ thiếu một liên kết và xem
như nỏ mang một lỗ ứống (hole). Vỉ thiếu electron nên lỗ trống mang
điện dương. Bán dẫn Si chứa tạp

7


chất nhóm III cỗ tính dẫn điện dương còn gọi là bán dẫn loại p
(positif).

Hình 2,5 Mạng tình thể sũic với một nguyên tử Boron (nhỏm III) o
Điện cực: là thành phần dẫn đỉện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải có
độ dẫn tốt vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn.

suất của pin giảm. Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.
2.3.2.2 Nguyên ỉỷ hoạt động
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện
trong như được mô tả trong hình 2.2. Khỉ ánh sáng chiếu vào pin quang điện,
một phần ánh sáng bỉ phản xạ lại (do đó trên bề mặt pin quang điện cỏ một lớp
chổng phản xạ), một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp n và một phần sẽ đến
được lóp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường
của bề mặt giới hạn p-n. Năng lượng của photon được hấp thụ sẽ truyền đến các
electron ừong màng tỉnh thể một năng lượng đủ lớn để thoát khỏỉ liên kết. Khỉ
thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện trường, electron sẽ bị kéo về bán dẫn
loại n, còn lỗ trống bị kéo về bán dẫn loại p. Khỉ đỏ, nếu nối hai cực vào hai
bán dẫn loại n và p sẽ đo được một hiệu điện thế. Giả ừị của hiệu điện thế này
phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp thụ.

9


Lead

Hình 2.7Hiệu ứng quang điện tạo dòng leap cho tải

233 Phân loại các loại tế bào quang điện
Các tế bào quang điện được sản xuất ở nhiều dạng khác nhau; mỗi loại đều có
những lợi ích và nhược điểm so với các loại khác. Các loại tế bào PV tiêu biểu nhất
là:

2.33.1

Te bào đơn tinh thể:
Tể bào đơn tinh thể được cắt từ một tinh thể silicon đơn, xem Hình 2.8.