Thiết kế nguồn điện năng lượng mặt trời có bộ tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp po (perturb and observe

Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
LỜI NÓI ĐẦU
Khoa học và thực tiễn trên thế giới đã chỉ ra những nhược điểm rõ ràng
của các nguồn điện truyền thống như nhiệt điện, thủy điện, điện hạt nhân đã
có những tác động rất xấu đến môi trường, cuộc sống con người và sẽ không
thể cung cấp đủ nhu cầu trong tương lai không xa.
Một trong những biện pháp đang được quan tâm nhất hiện nay là sử dụng
các dạng năng lượng tái tạo nhằm đáp ứng trực tiếp cho các phụ tải hay giúp
phân bố lại công suất truyền tải trong lưới phân phối. Qua đó, giúp giảm việc
xây mới các nhà máy điện quy mô lớn, tăng hiệu quả vận hành cho toàn hệ
thống điện.
So với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như
năng lượng gió, năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một
nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại
cho môi trường đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà
nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai
Với ưu điểm không phát ra tiếng ồn, dễ chế tạo tấm pin mặt trời PV
(Photovotaic), không đòi hỏi khắt khe về điều kiện lắp đặt (có thể đặt trực tiếp
trên công trình). Tuy nhiên, năng lượng phát ra được từ tấm pin mặt trời lại
phụ thuộc hoàn toàn vào thời điểm có bức xạ mặt trời.
Phương pháp khai thác điểm làm việc cực đại của PV đã được nhiều các nhà
khoa học đề xuất: phương pháp P&O (Perturb and Observe), phương pháp sử
dụng mô hình của mạng nơron, giảm bậc Trong đó phương pháp P&O có
xét đến các yếu tố ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ sáng. Vì vậy, sau hai năm
học tập và nghiên cứu cùng với sự định hướng của thầy hướng dẫn TS. Ngô Đức
Minh em đã lựa chọn đề tài là “Thiết kế nguồn điện năng lượng Mặt trời có bộ
tự động chọn điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O (Perturb and
Observe)”.
Luận văn gồm có 4 chương với nội dung tổng quan như sau:
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 1
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện

Chương 1. Tổng quan về năng lượng mới và tái tạo.
Chương 2. Mạng điện khai thác năng lượng từ pin mặt trời.
Chương 3. Bộ theo dõi điểm làm việc cực đại.
Chương 4. Thiết kế hệ thống có khai thác năng lượng từ tấm pin mặt
trời.
E xin bày tỏ sự biết ơn chân thành của mình tới thầy giáo TS. Ngô Đức
Minh đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện để em hoàn thành bản luận văn này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 20 tháng 8 năm 2011
Người thực hiện
Nguyễn Thị Hồng Hạnh
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 2
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MỚI VÀ TÁI TẠO
1.1. Các dạng năng lượng mới và tái tạo
Năng lượng tái tạo (NLTT) hay năng lượng tái sinh là năng lượng từ những
nguồn liên tục mà theo chuẩn mực của con người là vô hạn. Nguyên tắc cơ bản
của việc sử dụng năng lượng tái sinh là tách một phần năng lượng từ các quy
trình diễn biến liên tục trong môi trường tự nhiên và đưa vào trong các sử dụng
kỹ thuật cho một mục đích nào đó của con người. Các quy trình này luôn tuân
theo quy luật được thúc đẩy từ Mặt trời.
Tình hình NLTT trên toàn cầu được thống kê năm 2006 qua biểu đồ sau:

Hình 1. 1 Các nguồn NLTT trên Thế giới năm 2006
1.2. Năng lượng Mặt trời
1.2.1. Sự hình thành năng lượng Mặt trời
Các nghiên cứu của con người đem lại có thể trực tiếp thu lấy năng lượng
này thông qua hiệu ứng quang điện, chuyển năng lượng của bức xạ Mặt trời
(BXMT) thành điện năng, như pin Mặt trời. Năng lượng của các photon cũng có
thể được hấp thụ để làm nóng các vật thể, tức là chuyển thành nhiệt năng, ứng
dụng cho bình đun nước Mặt trời, các nhà máy nhiệt điện Mặt trời, các hệ thống
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 3
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
máy điều hòa Mặt trời, V.V Trường hợp khác, năng lượng của các photon có
thể được hấp thụ và chuyển hóa thành năng lượng trong các liên kết hóa học của
các phản ứng quang hóa, V.V
1.2.2. Tiềm năng năng lượng Mặt trời
- Tiềm năng trên Thế giới:
Theo số liệu thống kê bức xạ trung bình của một địa điểm trên Thế giới
vào khoảng 2000 kWh/m
2
/năm.
Bảng 1. 1 : Bảng tổng hợp tiềm năng của năng lượng Mặt trời
Khu vực
Bức xạ Mặt
trời
[1000 TWh]
Chỉ số chất lượng
trung bình DNI
[kWh/tháng/năm]
Công suất có thể
khai thác
[1000 TWh/năm]

North America 11,500 2410 1,150
South America 13,500 2330 1,350
Africa/Europe/Asia 73,500 2600 7,350
Pacific 23,000 2950 2,300
Total 121,500 12,150
- Tiềm năng ở Việt Nam:
Bảng 1. 2: Số liệu về bức xạ năng lượng Mặt trời của các vùng ở Việt Nam.
Vùng Giờ nắng
trong năm
Bức xạ
kcal/cm
2
/năm
Khả năng
ứng dụng
Đông Bắc 1500-1700 100-125 Thấp
Tây Bắc 1750-1900 125-150 Trung bình
Bắc Trung Bộ 1700-2000 140-160 Tốt
Tây Nguyên, Nam TB 2000-2600 150-175 Rất tốt
Nam Bộ 2200-2500 130-150 Rất tốt
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 4
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Trung bình cả nước 1700-2500 100-175 Tốt
1.2.3. Công nghệ sử dụng năng lượng Mặt trời
Bức xạ Mặt trời gửi tới Trái đất dưới dạng sóng bức xạ, năng lượng sóng
phụ thuộc bước sóng (phổ sóng), không phải là truyền nhiệt đến Trái đất. Muốn
khai thác năng lượng Mặt trời (NLMT) phải có thiết bị hấp thụ năng lượng của
các sóng bức xạ, từ đó hình thành nhiều công nghệ khai thác khác nhau dựa trên
các nguyên tắc chủ yếu sau:
- BXMT - điện năng – phụ tải điện

- BXMT - nhiệt năng – phụ tải nhiệt
- BXMT - nhiệt năng – điện năng – phụ tải điện
1.3. Năng lượng gió
1.3.1. Sự hình thành năng lượng gió
1.3.2. Tiềm năng gió
1.3.3. Công nghệ sử dụng năng lượng gió
1.4. Thủy điện nhỏ
1.4.1. Khái niệm chung về thủy điện nhỏ
Thủy điện nhỏ là nguồn năng lượng có hiệu quả kinh tế rất cao, được chú
ý rộng rãi trên toàn thế giới, đóng góp quan trọng cho cân bằng năng lượng của
mỗi quốc gia và đặc biệt có ý nghĩa cho bảo vệ môi trường.
1.4.2. Tiềm năng và tình hình khai thác ở Việt Nam
Ở Việt Nam, với đặc điểm địa lý của đất nước có nhiều đồi núi, cao
nguyên và sông hồ, lại có mưa nhiều. Hàng năm mạng lưới sông suối vận
chuyển ra biển hơn 870 tỷ m
3
nước, tương ứng với lưu lượng trung bình khoảng
37.500 m
3
/giây. Đó là tiềm năng lớn cho việc phát triển các nhà máy thủy điện
nói chung và thủy điện nhỏ nói riêng.
Ði đầu trong việc phát triển thủy điện vừa và nhỏ là Tổng công ty Sông
Ðà. với tổng công suất hơn 40 MW.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 5
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
1.4.3. Công nghệ thủy điện nhỏ
Đối với các nhà máy thủy điện lớn, thủy năng (TN) được tập trung trên
những dòng chảy (sông) lớn. Trong khi đó, thủy điện nhỏ lại khai thác từ nhiều
dạng thái thủy năng khác nhau từ các dòng chảy nhỏ, suối
- TN – Cơ năng – Máy xay, bơm nước

- TN – Cơ năng – Máy phát điện
Bảng 1. 3: Quan hệ công suất theo lưu lượng, chiều cao cột nước
Công suất P (W) Chiều cao H (m) Lưu lượng Q (l/s)
10 3-5 2
300 4-7 3
500 3-5 8
600 3-5 10
800 3-5 15
1000 4-6 20
1200 4-6 25
1500 5-8 30
1.5. Năng lượng địa nhiệt
1.5.1. Sự hình thành năng lượng địa nhiệt
1.5.2. Tiềm năng của năng lượng địa nhiệt
Bảng 1. 4 Nhiệt độ địa nhiệt của một số địa điểm ở Việt Nam
TT Địa điểm
Nhiệt độ max (
C
0
)
1 Bang-Lệ Thủy, Quảng Bình 184
2 Mộ Đức, Quảng Ngãi 187
3 Hội Vân, Bình Định 142
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 6
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
4 Tu Bông, Khánh Hòa 151
5 Đảnh Thanh, Khánh Hòa 131
6 Bình Châu, Vũng tàu 142
Các nghiên cứu địa chất, địa hóa cho thấy các nguồn địa nhiệt này đều có
chất lượng cao, phù hợp với các tiêu chuẩn quốc tế và mỗi địa điểm có thể đặt

nhà máy địa nhiệt quy mô thương mại khoảng 40-50 MW.
1.5.3. Công nghệ khai thác địa nhiệt
1.6. Năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.1. Sự hình thành năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.2. Tiềm năng năng lượng thủy triều và sóng biển
1.6.3. Công nghệ khai thác
1.7. Đề xuất hướng nghiên cứu
Trên cơ sở phân tích những dạng năng lượng mới và tái tạo, nhận thấy
rằng công nghệ khai thác quang điện mặt trời là một trong những ngành phát
triển nhanh nhất trên thế giới. Vì vậy, tác giả luận văn đề xuất hướng nghiên cứu
của đề tài vào dạng năng lượng mặt trời. Với mục đích đưa ra một mô hình
mạng điện có khai thác NLMT với việc thực hiện giải pháp khai thác tối đa năng
lượng phát ra từ tấm mặt trời. Nội dung nghiên cứu gồm những phần chính sau
đây:
- Mô hình mạng điện có khai thác năng lượng mặt trời
- Đặc điểm hoạt động của mạng điện có kết nối lưới và không kết nối
lưới
- Giải pháp khai thác tối đa năng lượng điện từ mặt trời
- Thuật toán MPPT
- Mô phỏng kết quả nghiên cứu trong Matlab và kết quả thực nghiệm.
- Kết luận và kiến nghị.
1.8. Kết luận chương 1
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 7
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Nội dung chương 1 đã làm rõ khái niệm Năng lượng tái tạo và nêu được
tổng quan về một số dạng năng lượng mới và tái tạo cơ bản, hiện đang được
quan tâm trên Thế giới, trong đó có Việt Nam. Trên cơ sở đó, định hướng
nghiên cứu cho đề tài, những nội dung chính của luận văn.
CHƯƠNG 2
MẠNG ĐIỆN KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ PIN MẶT TRỜI

2.1. Giới thiệu chung
Tấm pin mặt trời có thể đặt trực tiếp trên các mái nhà, tường nhà, công
trình công cộng ở các khu dân cư đông đúc. Với việc phát triển công nghệ chế
tạo pin mặt trời hiện nay, hiệu suất của các tấm pin ngày càng tăng lên nên các
hệ thống điện có khai thác năng lượng phát ra từ các tấm pin mặt trời đang ngày
càng phát triển để thay thế dần các nguồn năng lượng truyền thống
Hình 2.1. Hệ thống điện có khai thác năng lượng mặt trời
Với sự phát triển của lĩnh vực điện tử công suất và công nghệ chế tạo pin
mặt trời, năng lượng của PV sẽ được khai thác dưới các dạng sau:
- PV độc lập với lưới điện
- PV hybrid (kết hợp với các dạng nguồn khác)
- PV kết nối lưới.
2.2. Các loại mạng điện có khai thác năng lượng từ PV
2.2.1. Mạng điện PV độc lập.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 8
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Mô hình hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập hiện nay được sử
dụng để phát điện chủ yếu cho các hộ gia đình ở những khu vực vùng sâu vùng
xa hoặc trên các hải đảo xa xôi mà lưới điện quốc gia không đưa đến được.
2.2.2. Mạng điện có PV kếp hợp với các nguồn khác không kết nối lưới
- Hệ thống kết hợp máy phát điện NLMT với máy phát điện khác như tua
bin gió, tuabin thủy điện nhỏ, bộ động cơ diesel,
2.2.3. Mạng điện có PV kết nối lưới
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 9
Hình 2.2. Mô hình hệ thống PV độc lập
Hình 2.3. Mô hình hệ thống PV kếp hợp
PV
Bộ điều
khiển
Tải một

chiều
Chỉnh lưu
Ắc quy
Biến
Tần
Tổ động cơ máy phát gồm
các tua bin gió, tuabin thủy
điện nhỏ …
Tải xoay
chiều
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Hình 2.4. Mô hình PV kết nối lưới
Trong hệ thống này, dòng điện 1 chiều từ các tấm pin mặt trời sẽ được đi
qua các bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC, bộ nghịch lưu DC/AC và đồng bộ
với lưới điện. Năng lượng sẽ được chạy qua công tơ đo Watt-giờ để đo đếm điện
năng. Trong các hệ thống này, tùy theo yêu cầu vận hành và so sánh chi phí để
có thể trang bị bộ tích trữ lượng.
2.3. Các khối chức năng trong hệ thống điện có PV
Hình 2.5 mô tả sơ đồ khối của hệ thống điện có khai thác năng lượng từ
các tấm mặt trời.
2.3.1. Tấm pin mặt trời (Solar Panel)
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị
bán dẫn chứa lượng lớn các diot p-n, dưới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 10
Pin mặt
trời
Hình 2.5. Sơ đồ khối của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời
Bộ biến đổi
DC/DC
Ắc

quy
Bộ biến đổi
DC/AC
Tải
hoặc
lưới
điện
MPPT
Tải
Bộ biến đổi
DC/DC
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
khả năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng
quang điện.
2.3.2. Khối theo dõi điểm làm việc cực đại MPPT (Maximum Power Point
Tracking)
MPPT là khối theo dõi điểm làm việc cực đại của tấm pin mặt trời. Khối
này sẽ điều khiển cơ chế phát xung của chip vi điều khiển, qua đó thay đổi điện
áp đầu vào của mạch DC để điện áp vận hành của PV là điện áp tại điểm cực
đại.
MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ PV nhằm khai thác
được tối đa năng lượng của PV, khắc phục được một phần nhược điểm hiệu suất
thấp của PV.
2.3.3. Bộ nghịch lưu DC-AC (Solar Inverter)
Bộ nghịch lưu là một thiết bị biến đổi điện áp một chiều (DC) của bình ắc
quy thành điện áp xoay chiều (AC).
2.3.3.1. Bộ nghịch lưu áp 1 pha
a) Sơ đồ nghịch lưu áp 1 pha
b) Phân tích bộ nghịch lưu áp 1 pha
2.3.3.2. Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp 3 pha.

a) Điều khiển bộ nghịch lưu bằng phương pháp PWM
b) Nguyên lý làm vịêc
c) Quan hệ giữa điện áp đầu ra và độ rộng xung của bộ nghịch lưu
d) Điều kiện ràng buộc khi điều chế độ rộng xung
2.3.4. Bộ biến đổi DC-DC
Vai trò của một bộ biến đổi DC-DC trước hết là biến đổi một công suất
điện vào P
1
= V
1
.I
1
thành một công suất điện ra P
0
= V
0
.I
0
với hiệu suất η = P
0
/P
1
tốt nhất có thể (Hình 2.15).
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 11
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Hình 2.15. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi DC-DC
Các bộ biến đổi DC-DC có thể chia thành hai loại:
- Bộ tăng thế V
0
> V

1
(Voltage Booster)
- Bộ hạ thế V
0
< V
1
(Voltage Reducer hoặc Buck).
Trên sơ đồ mô hình khai thác chúng ta cần một bộ tăng thế nên đề tài chỉ
để cập đến bộ tăng thế.
*. Nguyên lý hoạt động của bộ tăng thế
2.3.5. Ắc quy (Battery)
2.3.5.1. Khái niệm Ắc quy
2.3.5.2 Sơ đồ thay thế của Ắc quy
2.3.5.3. Nguyên lý hoạt động của Ắc quy chì- axit
a) Quá trình nạp:
b) Quá trình phóng điện của Ắc quy:
2.3.5.4. Đặc tính phóng nạp của Ăc quy
2.3.5.5.Các phương pháp nạp ácquy
- Phương pháp điện áp
- Phương pháp dòng điện
- Phương pháp dòng áp
2.4. Kết luận
Trên cơ sở phân tích chức năng của các khối trong hệ thống điện có PV,
tác giả luận văn nhận thấy khối MPPT có vai trò giúp cho việc khai thác năng
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 12
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
lượng từ PV lớn nhất. Vì vậy trong chương 3, luận văn sẽ tập trung vào phương
pháp tìm điểm làm việc cực đại P&O.
CHƯƠNG 3
BỘ THEO DÕI ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI

3.1. Mô hình toán của PV
3.1.1. Sơ đồ tương đương
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 13
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Có thể thấy rằng, khi được chiếu sáng, nếu nối các bán dẫn p và n của một
tiếp xúc pn bằng một dây dẫn, thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện
I
ph
.Vì vậy trước hết pin mặt trời có thể xem tương đương như một nguồn dòng.
Lớp tiếp xúc bán dẫn pn có tính chỉnh lưu tương đương như một diot. Tuy
nhiên, khi phân cực ngược, do điện trở lớp tiếp xúc có giới hạn, nên vẫn có một
dòng điện- được gọi là dòng dò- qua nó. Đặc trưng cho dòng dò qua lớp tiếp xúc
pn người ta đưa vào đại lượng điện trở sơn R
sh
(shun).
Khi dòng quang điện chạy trong mạch, nó phải đi qua các lớp bán dẫn p và
n, các điện cực, các tiếp xúc, Đặc trưng cho tổng các điện trở của các lớp đó là
một điện trở R
s
nối tiếp trong mạch (có thể coi là điện trở trong của pin mặt
trời).
Như vậy, một pin mặt trời được chiếu sáng có sơ đồ điện tương đương như
(hình 3.1).
Từ sơ đồ tương đương, có thể dễ dàng viết được phương trình đặc trưng
sáng Vôn-Ampe của pin mặt trời :
sh
R
I
s
RV

1
nkT
)I
s
RV(q
exp
s
I
ph
I
sh
I
d
I
ph
II
+
−








−
+
−=−−=
(3.1)

3.1.2. Dòng ngắn mạch I
SC

Dòng ngắn mạch I
SC
là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngoài (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngoài của pin
bằng V= 0.
3.1.3. Thế hở mạch V
OC

Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 14
Hình 3.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời (a)
và đường đặc trưng sáng của pin mặt trời (b)
+
-
V
I
R
s
R
sh
I
sh
I
d
f
I
V
I

P
M
V
m
V
oc
O
I
m
I
sc
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Thế hở mạch V
OC
là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời
hở (R = ∞). Khi đó dòng mạch ngoài I = 0
3.2. Điểm làm việc với công suất cực đại
Xét một đường đặc trưng VA của pin mặt trời đối với một cường độ bức
xạ cho trước và ở nhiệt độ xác định. Nếu các cực của pin mặt trời được nối với
một tải tiêu thụ điện R thì điểm cắt nhau của đường đặc trưng VA của pin mặt
trời và đường đặc trưng của tải trong toạ độ OIV là điểm làm việc của pin mặt
trời. Nếu tải tiêu thụ điện của một pin mặt trời là một tải điện trở Ohm thuần, thì
đường đặc trưng tải là một đường thẳng qua gốc toạ độ và có độ nghiêng α đối
với trục OV và tgα = 1/R trên (hình 3.4). (theo định luật Ohm ta có I = V/R).
Trong trường hợp này, công suất pin mặt trời cấp cho tải chỉ phụ thuộc vào giá
trị điện trở R.
Hình 3.4. Điểm làm việc và điểm làm việc công suất cực đại
3.3. Thuật toán tìm điểm làm việc cực đại theo phương pháp P&O
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 15
V

I
A
V
opt
V
oc
O
I
opt
I
oc
M
P
A
2
S
N
A
1
P
4
=const
P
opt
P
3
P
2
P
1

1/R
opt
Đo I(k) và V(k)
P(k) = I(k).V(k)
Start
P(k) - P(k-1) = 0
P(k) - P(k-1) > 0
V(k) - V(k-1) >0
0
V(k) - V(k-1) >0
0
Giảm Vref
Tăng Vref Giảm Vref Tăng Vref
Trở lại
Sai Đúng
Đúng
Sai Sai
Đúng
Đúng
Sai
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
3.4. Đặc điểm của phương pháp P&O
Phương pháp P&O còn gọi là phương pháp leo đồi (hill climbing method)
bởi vì độ tăng của công suất ngược với điện áp.
Nếu điện áp vận hành của tấm PV bị nhiễu loạn theo 1 hướng đã cho và
dP/dV > 0 thì các dao động này sẽ chuyển điểm làm việc của PV hướng về điểm
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 16
Hình 3.6. Thuật toán P&O
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
MPPT. Thuật toán P&O sẽ tiếp tục làm nhiễu loạn điện áp PV theo hướng đó.

Nếu dP/dV < 0 thì điểm vận hành đang bị di chuyển ra xa điểm MPPT và thuật
toán P&O đảo ngược hướng của nhiễu loạn đó.
Ưu điểm của phương pháp P&O là dễ dàng lắp đặt. Tuy nhiên, nó cũng có
một số giới hạn như gây ra việc dao động quanh vị trí của điểm MPPT ở trạng
thái vận hành cân bằng, tốc độ đáp ứng chậm và có thể dò tìm sai khi các điều
kiện môi trường thay đổi nhanh.
3.5. Mô phỏng trên Matlab/Simulink thuật toán P&O
Bảng 3.1. Thực hiện mô phỏng với tấm pin mặt trời với thông số sau:
TT Tên chỉ tiêu Ký hiệu Tham số Ghi chú
2 Công suất tấm pin
mặt trời
P
max
16 module
x 85
Wp/module
1360 Wp
3 Điện áp hở mạch Voc 21,6 V
4 Dòng điện ngắn
mạch
Isc 4,9 A
5 Điện áp lớn nhất V
PVmax.
17,3 V
6 Dòng điện lớn nhất I
PVmax.
4 A
3.6. Kết luận
Nhận thấy rằng sau khi khai thác được tối đa năng lượng của PV thì phải
có biện pháp để sử dụng được hết năng lượng này. Điều này có thể thực hiện

bằng hai cách:
- Liên kết trực tiếp với lưới điện để phát toàn bộ công suất điện năng vào
lưới vì lưới điện có khả năng thu nhận không hạn chế các nguồn năng lượng mới
để giảm bớt công suất phát của các nguồn truyền thống.
- Nối với kho năng lượng (ắc quy) để PV cung cấp điện nạp cho ắc quy.
Đồng thời, thời gian có ánh sáng mặt trời (từ khoảng 5h sáng đến 18h chiều) là
khoảng thời gian đủ dài để thực hiện nạp cho ắc quy.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 17
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Với những phân tích trên, chương 4 sẽ thực hiện thiết lập một hệ thống
PV thực tế có sử dụng thuật toán P&O. Đây là hệ thống khai thác năng lượng từ
các tấm PV tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp để phục vụ chiếu sáng.
CHƯƠNG 4
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CÓ KHAI THÁC NĂNG LƯỢNG TỪ TẤM
PIN MẶT TRỜI
4.1. Yêu cầu thiết kế
Hệ thống pin mặt trời hiện có tại trường ĐHKTCN:
- Thông số 1 tấm PV tại điểm làm việc cực đại:
+ Điện áp: 17,3V
+ Công suất: 85Wp
- 16 tấm mắc nối tiếp:
+ Điện áp tại điểm làm việc cực đại: 276,8V
+ Công suất: 1360Wp
Yêu cầu: thiết kế hệ thống điều khiển nạp cho ắc quy để thực hiện chiếu
sáng.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 18
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
4.2. Sơ đồ khối hệ thống thiết kế.
Hình 4.1. Sơ đồ khối thiết kế
4.3. Tính toán thông số thiết bị chính

Thời gian đáp ứng của phụ tải là từ 19h tối hôm trước đến 4h sáng hôm
sau nên thời gian sử dụng của phụ tải là τ=9h/ngày
Phụ tải là 4 đèn LED, mỗi đèn có công suất 40W
4.4. Thiết kế mạch nạp cho ắc quy
B0
RD1
BT1
BT2
BT3
BT4
D5
V
G
V
VEE
RS
RW
E
D4
D6
D7
LL
G
VEE
RD0
RD2
RD3
RD4
RD5
RD6

RD7
RX
TX
SDO
PWM1PWM1
PWM2
B7 PG D
B6 PG C
B5
OSC1
OSC2
AN0
GND
5V
OSC1
G
PGC
PGD
GND
VCC
VPP
AN1
OSC2
VPP
GND
B0
B1
B2
B3
B4

B5
B6
B7
B3
B4
B2
B1
G
V
BT1
BT3
D4
D5
D6
D7
G
V
BT2
BT4
RS
RW
E
LL
GND
VCC
B4
B6
RD4
RD5
RD6

RD7 RD3
RD0
RD2
RD1
B7
B5
VCC
GND
VPP
VCC
PWM2
TX
RX
TXD
RXD
GND
RXD
TXD
TIT
5V
TIT
0V
0V
IP+
1/2
IP-
3/4
VIOUT
7
VCC

8
GND
5
FILTER
6
U2
ACS712ELCTR-30A-T
C1
1
C2
2
C3
3
INPUT
CON-200-VC3
C1
100n
C2
10n
RA0/AN0
2
RA1/AN1
3
RA2/AN2/VREF-/CVREF
4
RA4/T0CKI/C1OUT
6
RA5/AN4/SS/C2OUT
7
RE0/AN5/RD

8
RE1/AN6/WR
9
RE2/AN7/CS
10
OSC1/CLKIN
13
OSC2/CLKOUT
14
RC1/T1OSI/CCP2
16
RC2/CCP1
17
RC3/SCK/SCL
18
RD0/PSP0
19
RD1/PSP1
20
RB7/PGD
40
RB6/PGC
39
RB5
38
RB4
37
RB3/PGM
36
RB2

35
RB1
34
RB0/INT
33
RD7/PSP7
30
RD6/PSP6
29
RD5/PSP5
28
RD4/PSP4
27
RD3/PSP3
22
RD2/PSP2
21
RC7/RX/DT
26
RC6/TX/CK
25
RC5/SDO
24
RC4/SDI/SDA
23
RA3/AN3/VREF+
5
RC0/T1OSO/T1CKI
15
MCLR/Vpp/THV

1
U1
PIC16F877A
R1
1M
D1
LED-RED-MI
Q1
2N3055
C1
1
C2
2
OUTPUT 1
CON-200-VC2
A
K
C
E
1
2
4
3
U3
PC817
Q2
TIP41
R2W
R3
1k

R4
2k2
R5
10k
R6
4k7
R2
10k
R7
100
F1
2A
X1
FREQ=20MHz
C6
22pF
C7
22pF
L1
10uH
C8
100n
L2
10uH
D2
1N5400
D3
1N5400
C10
2200u

R8
4k7
D7
14
D6
13
D5
12
D4
11
D3
10
D2
9
D1
8
D0
7
E
6
RW
5
RS
4
VSS
1
VDD
2
VEE
3

A
15
K
16
LCD1
LCD 16X2
B1 B2 B3 B4
1
2
3
VR1
VPP
VDD
GND
PGD
PGC
ICSP1
ICSP
1
2
3
VR2
PHAN HOI AP VA DONG DIEN
KHOI DIEU KHIEN DONG DIEN =PWMKHOI NGUON LAY TU TAM PIN MAT TROI
C11
100n
C12
10u
D5
1N4007

C1
1
C2
2
CONG TAC NGUON
CON-200-VC2
C13
100n
C14
100n
2
3
4
5
6
7
8
9
1
RP1
1
3
5
7
2
4
6
8
9 10
11 12

13 14
15 16
J1
68712-013LF
1
3
5
7
2
4
6
8
9 10
11 12
13 14
15 16
J2
68712-013LF
V
G
KHOI DIEU KHIEN & HIEN THI KHOI VI DIEU KHIEN TRUNG TAM
BR2
GSIB1580
C3
100n
AN0
AN1
Q3
IRFP460
Q4

IRFP460
1
2
3
4
5
6
7
8
BAX1
BAX8C-01
R9
470
R10
10k
R2W
R11
100
D6
1N5400
R2W
R12
100
R2W
R13
100
1
2
3
4

7
8
9
10
5
6
11
12
BAX2
BAX12C-01
1
2
3
4
7
8
9
10
5
6
11
12
BAX3
BAX12C-01
Q6
BC169
R14
2k2
R15
22k

D9
1N5400
D10
1N5400
D11
1N5400
C17
2000u
R16
6K8
R17
6k8
R5W
R18
10
R5W
R19
10
R5W
R20
10
R5W
R21
10
Q5
TIP41
R2W
R22
220
R2W

R23
220
C9
47n
C18
47n
C19
1n
C20
1n
R24
220
R25
220
C21
100n
C22
100n
C1
1
C2
2
IN-AD
C1
1
C2
2
C3
3
OUT-AD

+300V
+12V
+5V
+300V
C4
100n
C5
2200u
1
2
3
5 6
4 7
8
9
10
SG3525
CONN-D10
+12V
+5V
T1IN
11
R1OUT
12
T2IN
10
R2OUT
9
T1OUT
14

R1IN
13
T2OUT
7
R2IN
8
C2+
4
C2-
5
C1+
1
C1-
3
VS+
2
VS-
6
U4
MAX232
C23
10u
C24
10u
C25
10u
C26
10u
1
2

3
RS232
SIL-100-03
L3
10uH
C15
100n
C16
2000u
C1
1
C2
2
OUTPUT 2
CON-200-VC2
LT1
LOA TIT
Q7
BC169
R26
2k2
R27
10k
D12
LED-BLUE-MI
R28
1k
+12V
+5V
R29

1k
R30
330
D13D14
D7
1N5240B
D8
1N5240B
D15
1N5231B
D4
1N5231B
C27
2200u
0V
Hình 4.2. Sơ đồ trải các phần tử của mạch nạp
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 19
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Hình 4.3. Mô phỏng mặt chính của bo mạch nạp
c. Hệ điều khiển thực hiện so sánh
Hình 4.5. Thực nghiệm so sánh hệ pin mặt trời có MPPT và không có MPPT
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 20
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
Để thực hiện được thuật toán P&O thì thông tin về dòng điện, điện áp
phát ra từ PV sẽ được thu thập để cung cấp cho chip vi điều khiển
4.5. Chế độ làm việc của ắc quy
4.6. Kết quả thực nghiệm
Ta thực nghiệm năng lượng thu được từ hai hệ nguồn pin mặt trời dùng
trong 2 trường hợp:
- Trường hợp mạch điều khiển không sử dụng MPPT

- Trường hợp mạch điều khiển dùng thuật toán MPPT
Bo mạch dùng cho 2 trường hợp này là như nhau, chỉ khác nhau về
phương pháp điều khiển. Với ắc quy dung lượng 12Ah đã chọn thì dòng
nạp được ước tính là không quá 3A.
Bảng 4.2. Kết quả thực nghiệm khảo sát ngày 14/05/2014
Mạch điều khiển Năng lượng thu được
Không có MPPT Có MPPT
8h-11h 65,81 VAh 73,52 VAh 3,9%
11h-13h 48,25 VAh 52,32 VAh 2,8%
13h-16h 66,12 VAh 73,3 VAh 3,6%
Bảng 4.3. Kết quả thực nghiệm dòng nạp cho ắc quy khảo sát ngày 14/05/2014
Mạch điều khiển Dòng nạp trung bình cho ắc quy
Không có MPPT Có MPPT
8h-11h 1,29 ÷ 1,56 1,44 ÷ 1,75
11h-13h 1,42 ÷ 1,72 1,53 ÷ 1,87
13h-16h 1, 92 ÷ 1,57 1,43 ÷ 1,75
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 21
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT
Sau một thời gian nghiên cứu, làm việc một cách nghiêm túc, em đã hoàn
thành quyển luận văn này đạt được một số mục tiêu đề ra. Luận văn đã trình bày
chi tiết một hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập với cấu trúc đầy đủ từ nguồn
điện pin mặt trời, thành phần lưu giữ năng lượng, thành phần điều khiển và các
bộ biến đổi bán dẫn dùng trong hệ. Nội dung luận văn đã thể hiện chi tiết
nguyên lý hoạt động của hệ thống, xây dựng mô hình nguồn điện pin và thực
nghiệm từng khâu của hệ. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình PV nếu có
MPPT (sử dụng thuật toán P&O) thì sẽ thu được năng lượng tốt hơn khi thực
hiện điều khiển thông thường.
Việc thực nghiệm đã thể hiện rõ ràng được sự phụ thuộc của đặc tính làm
việc của pin mặt trời vào sự thay đổi của nhiệt độ và cường độ bức xạ ánh sáng.

Luận văn đã so sánh được hai trường hợp là có MPPT và không có MPPT.
Do thời gian có hạn và khả năng nhận thức còn hạn chế nên luận văn vẫn
chưa hoàn chỉnh, còn nhiều vấn đề còn chưa được đề cập đến như mạch chuyển
đổi 1 chiều thành xoay chiều, chưa nghiên cứu được nhiều về mạch điều khiển
phóng nạp cho ắcquy vì đây cũng là những thành phần quan trọng quyết định
đến tính hiệu quả và ứng dụng tiện lợi của hệ thống pin mặt trời.
Từ những vấn đề trên, em xin đề xuất các mong muốn: tiếp tục nghiên
cứu, thiết kế, thử nghiệm mạch điều khiển với những phương pháp nạp khác
nhau, biến đổi điện áp 1 chiều thành xoay chiều, kết nối hệ thống với lưới điện
hoặc kết hợp với các dạng nguồn khác có sử dụng bộ vi điều khiển hay điều
khiển lập trình tín hiệu số DSP hiện đại để hệ thống pin mặt trời được hoàn thiện
để có thể áp dụng trong thực tế.
Sau cùng, mặc dù đã nỗ lực làm việc hết sức dưới sự hướng dẫn chỉ bảo
tận tình của thầy giáo TS. Ngô Đức Minh nhưng luận văn không tránh khỏi những
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 22
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
thiếu sót. Kính mong các thầy cô, bạn bè, đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn
tăng thêm giá trị khoa học và thực tiễn. Xin chân thành cảm ơn!


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Thân Ngọc Hoàn, Năng lượng điện mặt trời và những phương pháp nâng
cao chất lượng và hiệu suất, Tạp chí Khoa học Công nghệ Hàng hải, số 18,
2009.
[2] Joe-Air Jiang, Tsong-Liang Huang, Ying-Tung Hsiao, Chia-Hong Chen,
Maximum power tracking for photovoltaic power system, Tamkang Journal
of Science and Engineering, Vol. 8, No 2, pp. 147-153, 2005
[3] T.Chaitanya, Ch.Saibabu, J.Surya Kumari, Modeling and Simulation of PV
Array and its Performance Enhancement Using MPPT (P&O) Technique,
T.Chaitanya et al, International Journal of Computer Science &

Communication Networks, Vol 1,September-October 2011.
[4] Roberto Faranda, Sonia Leva, Energy comparison of MPPT techniques for
PV Systems, Wseas Transactions on power systems, ISSN: 1790-5060,
Issue 6, Volume 3, June 2008.
[5] Weidong Xiao, William G. Dunford, Patrick R. Palmer, Antoine Capel,
Application of Centered Differentiation and Steepest Descent to Maximum
Power Point Tracking, IEEE transactions on industrial electronics, vol. 54,
No. 5, OCTOBER 2007.
[6] Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan, Multiple Peaks Tracking Algorithm using
Particle Swarm Optimization Incorporated with Artifical Neural Netwrok,
World Academy of Science, Engineering and Technology, vol. 58, 2011.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 23
Luận văn cao học ngành Kỹ thuật điện
[7] Ahmed. G. Abo-Khalil, Tarek Ahmed, Gradient Approximation Based
Maximum Power Point Tracking for PV Grid-ConnectedSystem, IEEE
PEDS 2011, Singapore, 5 - 8 December 2011
[8] Bhim Singh, Ambrish Chandra, Kamal-Al-Haddad, Battery Based Voltage
and Frequency Controller for Parallel Operated Isolated Asynchronous
Generators, IEEE International Symposium on 4-7 June 2007
[9] Ravinder Singh Bhatia, Dinesh Kumar Jain, Bhim Singh, Battery Energy
Storage System for Power Conditioning of Renewable Energy Sources,
Power Electronics and Drives Systems, International Conference IEEE 2005.
Nguyễn Thị Hồng Hạnh – K14 trường Đại học KTCN 24