Thiết kế điều khiển mppt cho hệ phát điện mặt trời bức xạ không đều

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
KHOA TỰ ĐỘNG HÓA
🙥🙥🙥

HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
TÁI TẠO
Đề tài: Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện mặt trời bức
xạ khơng đều
GVHD: PGS.TS.
Nhóm sinh viên thực hiện:

Hà Nội, 8/2023

Nhóm 11


Mục lục
Lời mở đầu........................................................................................................ii
Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống điện mặt trời.....................................3
1.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời......................................................3
1.2. Các thành phần chính của hệ thống điện năng lượng mặt trời............5
1.2.1 Bảng tấm pin mặt trời......................................................................5
1.2.2 Hệ thống lưu trữ và điều khiển........................................................5
1.2.3 Hệ thống biến tần.............................................................................6
1.3. Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời..................................6
1.4. Hướng phát triển của năng lượng mặt trời.............................................7
Chương 2: Mơ hình hóa hệ thống điện mặt trời..............................................10
2.1. Mơ hình của 1 cell................................................................................10
2.2. Mơ hình của 1 module..........................................................................12
2.3. Mơ hình của 1 array..............................................................................13

Chương 3: Hệ thống solar dưới điều kiện che bóng 1 phần............................15
Chương 4: Thuật toán MPPT cho hệ thống điện mặt trời...............................18
4.1. Tổng quan về thuật toán MPPT cho hệ thống điện mặt trời................18
4.1.1 Hệ thống MPPT là gì......................................................................18
4.1.2 Ý nghĩa của MPPT đối với điện mặt trời.......................................19
4.1.3 Điều kiện sạc năng lượng mặt trời MPPT......................................20
4.2. Thiết kế MPPT cho hệ thống solar trong điều kiện che bóng 1 phần…
21
4.2.1. Tổng quan về thuật toán Grey Wolf Optimization........................21
4.2.2 Ứng dụng GWO trong MPPT........................................................24
Chương 5: Mô Phỏng......................................................................................28
Tài liệu tham khảo...........................................................................................31



Danh mục hình ả
Hình 1. 1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập.......................................5
Hình 1. 2 Bảng solar tấm pin năng lượng mặt trời............................................6
Hình 1. 3 Pin Lithium........................................................................................7
Hình 1. 4 Biến tần..............................................................................................7
Hình 1. 5 Trang trại năng lượng mặt trời..........................................................8
Hình 1. 6 Tốc độ phát triển của năng lượng mặt trời tại Việt Nam..................9
Y
Hình 2. 1. Mơ hình của 1 cell..........................................................................10
Hình 2. 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống khi có bypass-diode.................11
Hình 2. 3 Mơ hình của 1 cell...........................................................................12
Hình 2. 4 Mơ hình của 1 module.....................................................................12
Hình 2. 5 Mơ hình của 1 module.....................................................................13
Hình 2. 6 Mơ hình của 1 array.........................................................................14
Hình 2. 7 Mơ hình của 1 hệ thống...................................................................14

Hình 3. 1 Đường đặc tính của các module......................................................15
Hình 3. 2 Hoạt động của mạng PV..................................................................16
Hình 4. 1 Đồ thị đường cong I-V và P-V của một module P-V......................18
Hình 4. 2 Ví dụ về một mơ hình bộ điều khiển sạc MPPT.............................20
Hình 4. 3 Hành vi săn mồi của sói xám...........................................................22
Hình 4. 4 Cập nhật vị trí trong GWO..............................................................24
Hình 4. 5 Sơ đồ hệ thống sử dụng phương pháp MPPT..................................24
Hình 4. 6 Mối quan hệ giữa hệ số hội tụ a với chế độ trong GWO.................25
Hình 4. 7 Sự thay đổi sau khi điều chỉnh hệ số hội tụ a..................................25
Hình 4. 8 Lưu đồ thuật toán............................................................................27


Hình 5. 1 Thơng số của module PV................................................................29
Hình 5. 2 Mơ phỏng module PV.....................................................................30
Hình 5. 3 Các đường đặc tính của hệ thống....................................................30
Hình 5. 4 Sơ đồ hệ thống điều khiển...............................................................31
Hình 5. 5 Kết quả mơ phỏng...........................................................................31


Lời mở đầu
Trong báo cáo này, chúng em xin trình bày kết quả nghiên cứu của đề tài
"Thiết kế điều khiển MPPT cho hệ phát điện mặt trời bức xạ không đều". Đây là
một trong những đề tài quan trọng trong khóa học, nơi chúng em được tìm hiểu và
giải quyết các thách thức trong việc tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống phát điện
mặt trời trong tình huống ánh sáng biến đổi.
Năng lượng mặt trời đang ngày càng trở thành một nguồn năng lượng tiềm
năng và bền vững để cung cấp điện sạch cho xã hội. Hệ thống phát điện mặt trời,
hay còn gọi là hệ thống Solar Photovoltaic (PV), đã được triển khai rộng rãi trên
khắp thế giới. Tuy nhiên, hệ thống PV phải đối mặt với biến động không đều của
môi trường ánh sáng mặt trời, gây ra sự biến thiên không đồng đều về công suất.

Điều này ảnh hưởng đến hiệu suất và làm khó khăn trong việc tối ưu hóa điểm
MPPT - điểm cơng suất tối ưu (Maximum Power Point).
Để giải quyết vấn đề trên, chúng em đã tiến hành nghiên cứu và phát triển một
hệ thống điều khiển MPPT hiệu quả. Mục tiêu của chúng em là nâng cao hiệu suất
và ổn định của hệ thống phát điện mặt trời trong điều kiện ánh sáng không đều.
Báo cáo này sẽ bao gồm các bước tiến hành nghiên cứu và thiết kế hệ thống
MPPT. Trước tiên, chúng em sẽ trình bày về nguyên lý hoạt động của hệ thống PV
và cách thức tối ưu hóa điểm MPPT. Sau đó, chúng em sẽ xây dựng mơ hình tốn
học của hệ thống và đề xuất phương pháp điều khiển MPPT. Tiếp theo, chúng em
sẽ tiến hành mô phỏng và thực nghiệm để đánh giá hiệu suất của hệ thống trong
điều kiện ánh sáng không đều.
Hy vọng rằng báo cáo này sẽ mang lại kiến thức hữu ích và cung cấp hướng
dẫn cho sinh viên trong việc hiểu và giải quyết các thách thức trong việc điều khiển
hệ thống phát điện mặt trời. Đồng thời, chúng em cũng mong muốn rằng đề tài này
sẽ tạo đà cho các nghiên cứu và ứng dụng tiềm năng trong lĩnh vực năng lượng mặt
trời và các công nghệ phát triển tiên tiến khác.


Chương 1: Giới thiệu chung về hệ thống điện mặt
trời
Năng lượng mặt trời, một khái niệm đã tồn tại hàng ngàn năm, đã trở thành
một tín hiệu mạnh mẽ về sự tiến bộ và sự đổi mới trong lĩnh vực năng lượng. Được
tạo ra từ nguồn ánh sáng mặt trời vô tận, năng lượng mặt trời cung cấp cho chúng
ta một cơ hội tuyệt vời để khai thác một nguồn năng lượng sạch, không gây ô
nhiễm và không thể cạn kiệt. Điều này giúp nó trở thành một trong những giải
pháp hứa hẹn nhất để cung cấp điện sạch và bền vững cho xã hội trong thời đại
hiện nay và tương lai.
1.1.

Hệ thống điện năng lượng mặt trời

Hệ thống điện năng lượng mặt trời, thường được gọi là hệ thống Solar
Photovoltaic (PV), không chỉ là một công nghệ tiên tiến mà còn là một biểu tượng
của sự thăng tiến trong lĩnh vực năng lượng tái tạo. Nó tận dụng hiệu quả nguồn
năng lượng không giới hạn từ ánh sáng mặt trời, chuyển đổi chúng thành điện năng
bằng cách sử dụng các bảng tấm pin mặt trời và hệ thống điều khiển và lưu trữ tiên
tiến.

Hình 1. 1 Hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập


1.2.

Các thành phần chính của hệ thống điện năng lượng mặt trời

1.2.1 Bảng tấm pin mặt trời
Bảng tấm pin mặt trời, được coi là trái tim của hệ thống PV, là nơi chứa sức
mạnh vô tận của ánh sáng mặt trời. Các tấm pin mặt trời thực chất là mô-đun PV,
được tạo thành từ các tế bào mặt trời đặc biệt có khả năng hấp thụ ánh sáng mặt
trời và chuyển đổi nó thành điện năng. Sự phát triển và cải tiến trong công nghệ
sản xuất tấm pin mặt trời đã đóng góp vào việc tăng cường hiệu suất và giảm chi
phí, từ đó thúc đẩy ứng dụng rộng rãi của hệ thống PV.

Hình 1. 2 Bảng solar tấm pin năng lượng mặt trời

1.2.2 Hệ thống lưu trữ và điều khiển
Một trong những thách thức lớn của năng lượng mặt trời là hiệu quả lưu trữ
năng lượng dư thừa khi ánh sáng mặt trời dồi dào và sử dụng nó khi ánh sáng mặt
trời khơng đủ hoặc khơng có. Đó là lúc hệ thống lưu trữ và điều khiển đảm bảo
rằng khơng có năng lượng mặt trời nào được lãng phí và hệ thống PV ln hoạt
động hiệu quả. Các công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến như pin lithium-ion và

công nghệ quản lý thông minh đang được áp dụng để đảm bảo hiệu suất tối ưu và
an toàn trong hệ thống này.


Hình 1. 3 Pin Lithium

1.2.3 Hệ thống biến tần
Hệ thống biến tần đóng vai trị quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng
mặt trời từ dạng điện năng một chiều (DC) sang dạng điện năng xoay chiều (AC)
phù hợp với nhu cầu sử dụng điện của gia đình, doanh nghiệp và cộng đồng. Công
nghệ biến tần ngày càng được cải tiến để đảm bảo tối ưu hoá hiệu suất và ổn định
của hệ thống điện năng lượng mặt trời.

Hình 1. 4 Biến tần

1.3. Ứng dụng của hệ thống điện năng lượng mặt trời
Hệ thống điện năng lượng mặt trời đã tạo ra nhiều cơ hội ứng dụng đa dạng.
Các hệ thống nhỏ có thể được lắp đặt trên mái nhà hoặc các bề mặt đất nhỏ để cung
cấp điện cho hộ gia đình và doanh nghiệp. Hệ thống lớn hơn có thể được triển khai
trên các trang trại năng lượng mặt trời hoặc trên các khu vực rộng lớn để cung cấp
năng lượng cho các cộng đồng địa phương.


Hình 1. 5 Trang trại năng lượng mặt trời

1.4. Hướng phát triển của năng lượng mặt trời
Năng lượng mặt trời, với tiềm năng vô hạn từ nguồn ánh sáng mặt trời, đang
tiếp tục tiến lên với tốc độ chóng mặt, mở ra một cánh cửa rộng mở cho cuộc cách
mạng năng lượng tái tạo. Những bước tiến đáng kể trong công nghệ và ứng dụng
đã tạo nên cuộc cách mạng xanh, khiến cho năng lượng mặt trời trở thành một giải

pháp khơng chỉ hứa hẹn mà cịn thực tế để đối phó với những thách thức năng
lượng và mơi trường đang đối diện.
Một trong những điểm sáng rực rỡ nhất của năng lượng mặt trời trong thời
gian gần đây là sự gia tăng vượt bậc về hiệu suất và giảm chi phí sản xuất tấm pin
mặt trời. Các nhà khoa học và kỹ sư đang nỗ lực không ngừng để cải thiện hiệu
suất chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng, từ đó nâng cao hiệu quả và
giảm thiểu tổn thất. Điều này không chỉ giúp tăng cường hiệu năng của hệ thống
điện năng lượng mặt trời mà còn giúp giảm thiểu chi phí đầu tư, đưa nó trở thành
một lựa chọn hấp dẫn và bền vững cho nhiều người.
Điểm đáng chú ý tiếp theo trong xu hướng phát triển của năng lượng mặt trời
là tập trung vào nâng cao hiệu quả lưu trữ năng lượng. Điều này bắt nguồn từ thực
tế rằng ánh sáng mặt trời không luôn có sẵn suốt cả ngày, và sự biến đổi trong thời
tiết có thể làm thay đổi nguồn cung cấp năng lượng. Như vậy, việc phát triển các


công nghệ lưu trữ năng lượng tiên tiến là một yếu tố quan trọng giúp tối ưu hoá sử
dụng năng lượng mặt trời trong thời gian dài và đảm bảo nguồn cung cấp điện liên
tục và ổn định cho hệ thống điện lưới.
Hệ thống quản lý thông minh là một phần quan trọng trong xu thế phát triển
của năng lượng mặt trời. Cơng nghệ thơng minh đang được tích hợp vào hệ thống
điện năng lượng mặt trời để tăng cường khả năng theo dõi, điều chỉnh và tối ưu
hoá hoạt động của nó. Từ việc giám sát hiệu suất hoạt động đến dự đoán thời tiết
và mức tiêu thụ điện năng, hệ thống quản lý thông minh đem lại sự linh hoạt và
đáng tin cậy cho việc vận hành năng lượng mặt trời. Điều này giúp tối đa hóa sử
dụng năng lượng mặt trời và giảm thiểu sự lãng phí, đồng thời tăng cường tính ổn
định và hiệu suất của hệ thống.
Điểm đáng mừng tiếp theo là tích hợp năng lượng mặt trời vào các cấu trúc
và hệ thống tổ chức một cách linh hoạt và hiệu quả. Năng lượng mặt trời không chỉ
giới hạn trong việc cài đặt các tấm pin mặt trời trên mái nhà, mà nó cịn có thể
được tích hợp vào các kết cấu kiến trúc như cửa sổ, vách ngăn và cả các cơng trình

cơng nghiệp lớn. Những tiến bộ trong công nghệ đã mở ra cơ hội mới cho việc sử
dụng không gian trống và tối ưu hóa việc tích hợp năng lượng mặt trời vào các hệ
thống tổ chức và cơ sở hạ tầng

Hình 1. 6 Tốc độ phát triển của năng lượng mặt trời tại Việt Nam


Chương 2: Mơ hình hóa hệ thống điện mặt trời
2.1. Mơ hình của 1 cell:

Hình 2. 1. Mơ hình của 1 cell

Ta có phương trình tính cường độ dịng điện của 1 cell:

I PV _ CELL I PH  I0 [e

 I

PVCELL



 IPVCELL R S / VT

  1]  V
 PV

CELL



 I PVCELL R S / R P

Trong đó:
 I PH : Dòng điện sinh ra bởi ánh sáng(A)
 I 0: Dòng điện bão hòa ngược của diode(A)
 V T : Điện áp nhiệt(V)
 R P: Điện trở mắc song song(Ω))
 R S: Điện trở mắc nối tiếp(Ω))
Áp dụng định luật Kirchhoff 1 cho nút Point:

 I PH  I D  I0 0

 VD 

I

I
    I PV _ CELL
0
P

 RP 


(2)

Từ hệ phương trình (2) ta có:

I PH  I D 

VD
 I PV _ CELL 0
RP

(3)

(1)


Áp dụng định luật Kirchhoff 2 cho vòng:

VD VPV _ CELL  I PV _ CELL R S

(4)

Đặc tính của Diode :

 VVD

I D I 0  e T  1 





(5)

By – pass Diode: Chúng là các thiết bị trong một mơ-đun trong đó dịng điện có
thể đi qua các vùng của mơ-đun được bao phủ bởi bóng râm. Việc sử dụng các by-pass

diode giúp các chuỗi tế bào khơng bóng mờ cho phép dịng điện chạy qua chúng. Tuy
nhiên, nhược điểm của việc sử dụng các thiết bị này là chúng ta không thể hưởng lợi từ
hoạt động từ pin mặt trời đã bị dòng điện bỏ qua. Sẽ có khoảng 3 điốt bỏ qua cho một
bảng điều khiển có 60 cell pin mặt trời.
Liên kết các tế bào, bỏ qua điốt được sử dụng để hạn chế lượng điện năng bị mất
trong phần bóng mờ so với toàn bộ hệ thống. Họ tạo ra một tuyến đường khác cho dịng
chảy từ phần khơng bóng mờ thay vì đi qua bóng mờ. Điều này có thể làm giảm một chút
lượng điện năng do sụt áp, nhưng nói chung, đầu ra vẫn cao hơn công suất được tạo ra
mà khơng có by-pass diode. Hơn nữa, khi các tấm pin khơng được che phủ bởi bóng râm
nữa, các điốt này sẽ tự động ngừng hoạt động để bảo vệ hệ thống.

Hình 2. 2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống khi có bypass-diode


Khi 1 cell bị bóng râm che phủ (the shaded cell), dòng điện từ các good-cell
sẽ chạy qua by-passs diode. Các diode này khơng cho dịng điện đi qua các cell bị
bóng râm che phủ để giảm hao tốn năng lượng. Tuy nó sẽ bị sụt 0.5V nhưng nhìn
chung sẽ có lợi về mặt cơng suất hơn khi dịng điện chạy qua các cell bị bóng râm
che phủ.

Hình 2. 3 Mơ hình của 1 cell

2.2. Mơ hình của 1 module

Hình 2. 4 Mơ hình của 1 module


Ta có phương trình tính cường độ dịng điện của 1 module:

I PV _ M I PH  I0  e









V

PV _ M



 IPV _ M R S / VT

  1  V
 PV _ M  IPV _ M R S  / R P


Trong đó:
I PH : Dòng điện sinh ra bởi ánh sáng(A)
I 0 : Dòng điện bão hòa ngược của diode(A)
V T : Điện áp nhiệt(V)
R P : Điện trở mắc song song(Ω))
R S : Điện trở mắc nối tiếp(Ω))
N S : Số cell mắc nối tiếp của 1 module

Hình 2. 5 Mơ hình của 1 module

2.3. Mơ hình của 1 array

(6)


Hình 2. 6 Mơ hình của 1 array

Ta có phương trình tính cường độ dịng điện của 1 mảng:
  V / N  I R / N  / V   1  N V / N  I
I
N I  N I  e
PVA

PV _ A

P PH

P 0

S

PVA



S

P

T





P

VPA

Trong đó:
 N P:Số module mặt trời song song
 N S : Số module mặt trời nối tiếp

Hình 2. 7 Mơ hình của 1 hệ thống

S

PV _ A



RS / R P

(7)


Chương 3: Hệ thống điện năng lượng mặt trời dưới
điều kiện che bóng 1 phần
Như ta đã biết, cơng suất được tạo ra tử mảng PV là sự kết hợp công suất thu
được từ mỗi module. Khi một trong các module trong mảng gặp phải bức xạ yếu

hơn do bị che phủ, điện áp của nó giảm; do đó, nó hoạt động như một tải thay vì
một nguồn.

Hình 3. 1 Đường đặc tính của các module

Theo hình , khi một module khơng bị che phủ hoạt động ở dịng điện Ia thì
cùng lúc đó module bị che phủ sẽ hoạt động trong vùng phân cực ngược.
Điều này sẽ dẫn tới sự tiêu hao 1 lượng lớn công suất cục bộ và sinh ra nhiệt
độ cục bộ trên module bị che phủ. Do đó ta có thể dùng các Bypass diode được kết
nối song song với mỗi module để tránh sự tiêu hao của công suất cục bộ và bảo vệ
module khỏi sự gia tăng của nhiệt độ.


Ta sẽ xét 1 ví dụ về 1 mảng năng lượng mặt trời gồm 3 module ghép nối tiếp
trong điều kiện bức xạ đều và không đều, trong trường hợp sử dụng bypass diode
và không sử dụng bypass diode như trong hình

Hình 3. 2 Hoạt động của mạng PV (a) dưới sự chiếu sáng đồng đều (b) dưới điều kiện che phủ
một phần (c) đồ thị I-V và P-V kết quả cho (a) và (b)

Trong điều kiện bức xạ đều, như được thể hiện trong (a), việc có bypass diode
hay khơng khơng quan trọng vì các bypass diode sẽ phân cực ngược trong trường
hợp này, ta có đường cong I-V và P-V là đường cong số 1 trong hình (c). Đường
cong P-V hiển thị 1 điểm công suất cực đại duy nhất. Trong điều kiện bức xạ
không đều, khi module thứ 3 được chiếu sáng ít hơn như được thể hiện trong hình
b. Trong trường hợp khơng sử dụng các bypass diode, ta có các đường cong I-V và
P-V là đường cong số 3 trong hình (c). Đường cong P-V chỉ hiển thị 1 đỉnh duy
nhất nhưng lúc này ta ghi nhận một sự giảm đáng kể về công suất. Trong trường
hợp sử dụng các bypass diode, sự chênh lệch về bức xạ giữa 2 module 2 và 3 sẽ
kích hoạt bypass diode của module 3 và module 3 sẽ được bỏ qua. Kết quả tạo ra

dạng sóng dịng điện bậc thang trên đường cong I-V. Do đó đường cong P-V tương
ứng được đặc trưng bởi 1 số đỉnh cục bộ và 1 đỉnh toàn cục như được miêu tả bởi
đường cong 2 trong hình c.


Chương 4: Thuật toán MPPT cho hệ thống điện
mặt trời
4.1. Tổng quan về thuật toán MPPT cho hệ thống điện mặt trời
4.1.1 Hệ thống MPPT là gì
Hệ thống MPPT (Maximum Power Point Tracking) là một phần quan trọng
trong hệ thống điện mặt trời, được sử dụng để tối ưu hóa việc thu được năng lượng
từ các tấm pin mặt trời. MPPT theo dõi và điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu vào
từ các tấm pin mặt trời để đảm bảo rằng hệ thống hoạt động ở điểm công suất tối
đa (Maximum Power Point - MPP).
Nguyên lý hoạt động của hệ thống MPPT dựa trên tính chất khơng đồng nhất
của các tấm pin mặt trời, nghĩa là năng lượng thu được từ một tấm pin phụ thuộc
vào nhiều yếu tố như ánh sáng môi trường, nhiệt độ, bụi bẩn và độ ẩm. Điểm công
suất tối đa của một tấm pin xảy ra khi tỷ lệ giữa điện áp và dòng điện đạt giá trị lớn
nhất và MPPT được thiết kế để tìm ra điểm này.

Hình 4. 1 Đồ thị đường cong I-V và P-V của một module P-V


Hệ thống MPPT thường sử dụng một bộ điều khiển điện tử để theo dõi và
điều chỉnh điện áp và dòng điện đầu vào từ các tấm pin mặt trời. Bộ điều khiển sẽ
xác định điểm công suất tối đa bằng cách thay đổi điện áp hoặc dòng điện đầu vào,
dựa trên các thông số môi trường và thông số hiệu suất của tấm pin. Điểm công
suất tối đa được duy trì liên tục khi các điều kiện mơi trường thay đổi.
MPPT chính là thơng số cơ bản có khả năng chuyển đổi điện áp từ trên cao
xuống thấp tại các tấm pin mặt trời. Chúng chỉ có khả năng cố định mà không thể

điều chỉnh linh hoạt với điện áp định doanh 12V. Điện áp các tấm pin mặt trời thực
tế sẽ dao động từ 16 đến 18V. Trong khi đó, một số ắc quy sạc các tấm pin này
thường yêu cầu áp dao động 13.2 đến 14.4V. Do vậy, MPPT sẽ giúp tối ưu hóa
điện áp dịng điện sản xuất từ pin đưa về điện áp phù hợp với pin sạc dự phòng
điện mặt trời.
4.1.2 Ý nghĩa của MPPT đối với điện mặt trời