Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới (LV thạc sĩ)

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP
-----------------o0o------------------

NGUYỄN THỊ LAN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY
TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG
ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

KHOA CHUYÊN MÔN
TRƢỞNG KHOA

PGS.TS. Lại Khắc Lãi
PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2016
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




i

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Nguyễn Thị Lan

Sinh ngày 03 tháng 9 năm 1988
Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Điện tử Trƣờng Cao đẳng nghề kinh
tế kỹ thuật Bắc Ninh
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu thuật toán xác định và
duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy giáo
PGS.TS Lại Khắc Lãi hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả
các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả
trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




ii

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn
tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu
thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt
trời nối lưới” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:
Thầy giáo hƣớng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ
tác giả hoàn thành luận văn này.

Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện
trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt
quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm,
động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.
Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iii

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




iv

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... iv
DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ.................................................................. xi
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. Tính cấp thiết của đề tài...............................................................................................1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .....................................................................................2
Ý nghĩa khoa học .............................................................................................................2
Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................................2
3. Mục tiêu nghiên cứu ....................................................................................................2
4. Đối tƣợng nghiên cứu ..................................................................................................2
5. Phƣơng pháp nghiên cứu .............................................................................................3
6. Tên đề tài .....................................................................................................................3
7. Bố cục luận văn ...........................................................................................................3
CHƢƠNG 1 .....................................................................................................................4
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ...........................................................4
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời ......................................................................................4
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời .............................................................................................4
1.1.2. Năng lƣợng mặt trời ..............................................................................................5
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời................................................................................................6
1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất ................................................8
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời ............................................................................................8
1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng qua
lớp khí quyển( air mass). ...............................................................................................11
1.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian............................................12
1.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian ........................................13
1.2. Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời.....................................14
1.2.1. Sử dụng hệ thống điện năng lƣợng mặt trời làm việc độc lập.............................15
1.2.1.1. Pin mặt trời .......................................................................................................15
1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời. ...........................................16
1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ...........................................................................16
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

v
1.2.1.4. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT ..........................................................17
1.2.1.5. Động cơ stirling chạy bằng NLMT ..................................................................17
1.2.1.6. Bếp nấu dùng NLMT........................................................................................18
1.2.1.7. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ...........................................20
1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT .....................................21
1.2.2. Hƣớng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lƣợng mặt trời .................................21
1.3. Kết luận chƣơng 1 ..................................................................................................24
CHƢƠNG 2 ...................................................................................................................25
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC KHAI THÁC NĂNG
LƢỢNG MẶT TRỜI .....................................................................................................25
2.1. Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ..25
2.1.1. Điện trở ................................................................................................................25
2.1.2. Tụ điện .................................................................................................................27
2.1.3. Diode bán dẫn. .....................................................................................................28
2.1.3.1. Cấu tạo, kí hiệu .................................................................................................28
2.1.3.2. Đặc tuyến V-A. .................................................................................................29
2.1.3.3. Các tham số cơ bản của Diode: Chia làm hai nhóm.........................................29
2.1.3.4. Phân loại ...........................................................................................................30
2.1.4. Transistor lƣỡng cực( Transistor Bipolar) ...........................................................30
2.4.1.1. Cấu tạo ..............................................................................................................30
2.1.4.2. Nguyên lý làm việc ...........................................................................................31
2.1.4.3. Các tham số cơ bản ...........................................................................................33
2.1.5. Transistor Trƣờng< FET > (Field Effect Transistor) ..........................................33
2.1.5.1. Tranzitor trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET .....................................................34
2.1.5.2. Tranzitor trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor
FET) ...............................................................................................................................36

2.1.6. Thysistor ..............................................................................................................38
2.1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc .............................................................................38
2.1.6.2. Đặc tuyến V- A .................................................................................................40
2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới ..........................................................40
2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống .............................................................................................40
2.2.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ................................................41
2.3. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) ................................................................................41
2.3.1. Khái niệm.............................................................................................................41
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vi
2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời ............................................42
2.4. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) .........................................................45
2.4.1. Chức năng ............................................................................................................45
2.4.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC ................................................................................46
2.4.2.1. Bộ biến đổi DC/DC không cách ly ...................................................................46
2.4.2.2. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly........................................................................51
2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ...........................................................................51
2.4.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp..........................................................................51
2.4.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện .....................................................................52
2.5. Nghịch lƣu nối lƣới (Inverter) ................................................................................53
2.5.1. Các phép chuyển đổi ...........................................................................................54
2.5.1.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha ................................................................54
2.5.1.1. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha......................................................56
2.5.2. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) ................................57
2.5.2.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) .................................58
2.5.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) ...............................................................59

2.5.3. Điều khiển chuyển đổi DC-AC ...........................................................................60
2.5.3.1. Bộ điều khiển PI ...............................................................................................61
2.5.3.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) ........................63
2.5.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái.....................................................................63
2.6. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lƣới ...................................................64
2.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ ..................................................................................64
2.6.1.1. Điều kiện về tần số ...........................................................................................64
2.6.1.2. Điều kiện về điện áp .........................................................................................65
2.6.1.2. Điều kiện về pha ...............................................................................................65
2.6..2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới...................................................................65
2.7. Kết luận chƣơng 2 ..................................................................................................66
CHƢƠNG 3 ...................................................................................................................67
THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI .......................................................................67
3.1. Khái niệm ...............................................................................................................67
3.2. Thuật toán dò điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT - Maximum Power
Point Tracking) ..............................................................................................................69
3.2.1. Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) .....................................69
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




vii
3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) ..........................69
3.2.3. Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) .............................70
3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance) ................................70
3.3. Ứng dụng fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc công suất cực đại của
hệ thống pin mặt trời .....................................................................................................71
3.3.1. Tổng quan về logic mờ ........................................................................................71

3.3.2. Thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC)..........................................77
3.4. Các kết quả mô phỏng ............................................................................................81
3.5. Kết luận chƣơng 3 ..................................................................................................84
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................................85
1. Kết luận ......................................................................................................................85
2. Kiến nghị ...................................................................................................................85
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................87

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Chú thích

1

NLMT

2

PMT

Pin mặt trời

3

BĐK

Bộ điều khiển

4

BBĐ

Bộ biến đổi

5

DC-DC

Bộ biến đổi một chiều- một chiểu

6

DC-AC

Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

7

PV

8

MPPT

Maximum Power Point Tracking

9

PWM

Pules- With- Modulation

10

CB- PWM

Carrier Based Pulse With

11

ZSS

Zero sequence signal

12

SVM

Space vector Modulation

13

CC

Current Control

14

VC

Voltage Control

15

VSI

Voltage Source Inverter

16

IN

17

UPV, IPV

18

Igc

Dòng quang điện (A)

19

I0

Dòng bão hòa (A)

20

q

Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C)

21

K

Hằng số Boltzman (J/K)

22

TC

Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K)

23

ID, UD

24

ISC

(Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV

25

UOC

Điện áp hở mạch của Pin mặt trời

26

G

Năng lƣợng mặt trời

Tế bào quang điện

Cƣờng độ bức xạ mặt trời (w/m2)
Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời

Dòng điện (A), điện áp trên diode (V)

Bức xạ mặt trời (Kw/m2)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

ix
27

D

Hệ số làm việc

28

Ton

Thời gian khóa K mở

29

T

30

fDC

31

IL1, IL2

32

UC1, UC2

33

tK

Chu kỳ làm việc của khóa
Tần số đóng cắt
Dòng điện của cuộn cảm L1, L2
Điện áp trên tụ C1, C2
Thời điểm lấy mẫu

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Trang

Bảng 1.1

Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng

7

Bảng 1.2

Màu sắc và bƣớc sóng của ánh sáng mặt trời

8

Bảng 3.1

Luật điều khiển cơ bản của FLC

75

Bảng 3.2

Thông số của tấm pin mặt trời

77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




x

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




xi

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ
Hình

Tên hình

Trang

Hình 1.1

Cấu trúc mặt trời

5

Hình 1.2

Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

6

Hình 1.3

Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

9

Hình1.4

Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

10

Hình 1.5

Định nghĩa và cách xác định airmas

12

Hình 1.6

Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều

15

Hình 1.7

Pin mặt trời

15

Hình 1.8

Nhà máy sử dụng Năng lƣợng mặt trời

16

Hình1.9

Lò sấy sử dụng NLMT

16

Hình 1.10 Thiết bị chƣng cất nƣớc dùng NLMT

17

Hình 1.11 Động cơ stirling chạy bằng NLMT

17

Hình 1.12 Bếp nấu dùng NLMT

18

Hình 1.13 Bình nƣớc nóng Thái Dƣơng Năng

19

Hình 1.14 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

20

Hình 2.1

Điện trở thƣờng

24

Hình 2.2

Điện trở công suất

25

Hình 2.3

Điện trở dán

25

Hình 2.4

Biến trở

26

Hình 2.5

Tụ gốm

26

Hình 2.6

Tụ hoá

27

Hình 2.7

Tụ xoay sử dụng trong Radio

27

Hình 2.8

Cấu tạo và ký hiệu Diode

27

Hình 2.9

Đặc tuyến V- A của Diode

28

Hình 2.10

Cấu tạo và kí hiệu của Transistor BJT

29

Hình 2.11

Phân cực cho Transistor BJT

30

Hình 2.12

Nguyên lý hoạt động của Transistor BJT

30

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

xii
Hình 2.13

Sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế của tranzitor dựa theo tham số h

32

Hình 2.14

Cấu tạo và kí hiệu Tranzitor Trƣờng JFET

32

Hình 2.15

Đặc tuyến V- A của JFET

34

Hình 2.16

Cấu tạo và ký hiệu Transistor Trƣờng MOSFET

35

Hình 2.17

Đặc tuyến V- A của JFET

36

Hình 2.18

Cấu tạo và kí hiệu Thysistor

36

Hình 2.19

Đặc tuyến V-A của Thyristor

38

Hình 2.20

Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới

38

Hình 2.21

Mạch tƣơng đƣơng của Module PV

40

Hình 2.22

Quan hệ I(U) và P(U) của PV

41

Hình 2.23

a,b,c,d: Họ đặc tính của PV

42

Hình 2.24

Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck

44

Hình 2.25

Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

45

Hình 2.26

Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

46

Hình 2.27

Sơ đồ biến đổi Cuk

47

Hình 2.28

Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng

47

Hình 2.29

Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng

48

Hình 2.30

Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly

49

Hình 2.31

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp

50

Hình 2.32

Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện

50

Hình 2.33 Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang tọa độ αβ

52

Hình 2.34

Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq

53

Hình 2.35

Cấu trúc của SOGI

54

Hình 2.36

Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin

56

Hình 2.37

Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra

56

Hình 3.1

Quan hệ I(U) và P(U) của PV

63

Hình 3.2

Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời

64

Hình 3.3

Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới sử dụng MPP

64

Hình 3.4

Lƣu đồ thuật toán P & Q

65

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN

xiii
Hình 3.5

Lƣu đồ thuật toán INC

66

Hình 3.6

Độ cao, miền xác định , miền tin cậy của tập mờ

67

Hình 3.7

Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

68

Hình 3.8

Hợp hai tập mờ có cùng tập vũ trụ

69

Hình 3.9

Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ

69

Hình 3.10

Tập bù

70

Hình 3.11

Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

71

Hình 3.12

Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ

72

Hình 3.13

Quan hệ P-U của tấm PV

73

Hình 3.14

Hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 1 €

74

Hình 3.15

Hàm liên thuộc đầu vào 2 (DE)

74

Hình 3.15

Hàm liên thuộc đầu ra (D)

74

Hình 3.17

Quan hệ Vào-Ra của FLC

75

Hình 3.18

Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim

76

Hình 3.19

Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát

77

Hình 3.20

Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng

78

Hình 3.21

của tập mờ A.

Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng điều khiển mờ
trên Matlab và Psim

78

Hình 3.22

Sơ đồ khối Psim trong hình 3.21

79

Hình 3.23

Đáp ứng hệ thống khi sử dụng điều khiển mờ

79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn
kiệt, không còn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên
nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời.
Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế
nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trƣờng. Vì vậy, tập trung
nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng
công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt
lên hàng đầu. Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã
hội, an ninh năng lƣợng và phát triển bền vững.
Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất
mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc
của các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối,
năng lƣợng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả
tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng
hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …). Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận,
để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất
cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung
bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông
tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng
60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ

thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn
quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc
phát triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng
lƣợng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và
tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu
vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lƣợng dƣ
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




2
thừa chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng hồ
đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).
Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của
hệ thống điện mặt trời nối lƣới đang là một vấn đề cấp thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng
lƣợng một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ
nghịch lƣu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để
cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa
đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện.
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lƣới
điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và
sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp,
khu dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời.
Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập

và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác.
3. Mục tiêu nghiên cứu
Đề tài này đặt mục tiêu chính là “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm
làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’
Các mục tiêu cụ thể:
 Tổng quan về năng lƣợng tái tạo.
 Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời.
+ Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới
+ Vấn đề hòa lƣới của hệ thống
 Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời
nối lƣới
 Viết chƣơng trình và mô phỏng thực nghiệm.
4. Đối tƣợng nghiên cứu
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




3
Nghiên cứu nguồn năng lƣợng mặt trời: Phƣơng pháp sản xuất, sử dụng và hòa
lƣới.
Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống
điện mặt trời nối lƣới.
5. Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết
Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu đƣợc công bố thuộc
lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành…
Nghiên cứu thực tiễn
Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lƣới

6. Tên đề tài
“ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt
trời nối lưới ” .
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau:
Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng mặt trời.
Chƣơng 2: Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời
Chƣơng 3: Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện
mặt trời nối lƣới.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo
Phụ lục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




4

CHƢƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng nhất
mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của
các nguồn năng lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng
lƣợng các dòng sông,… Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai
thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ
bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.
1.1.1. Cấu trúc của mặt trời

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108 km. Từ trái đất
chúng ta nhìn mặt trời dƣới một góc mở là 31'59. Từ đó có thể tính đƣợc đƣờng kính
của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đƣờng kính quả đất và do đó thể
tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104 lần. Từ định luật hấp dẫn ngƣời ta
cũng tính đƣợc khối lƣợng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lƣợng quả
đất 33.104 lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lƣợng riêng
của nƣớc (1g/cm3) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt
trời rất khác nhau. Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ
lên tới 160 g/cm3, nhƣng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.
Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong
và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và
đƣợc gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có thể
chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lƣu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số thông
số của các lớp của mặt trời đƣợc cho trên hình 1.1.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




5

Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời
Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra
bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng. Sự ẩn hiện của
các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung
quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời.
Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát đƣợc cấu trúc hạt, vật thể hình kim,
hiện tƣợng phụt khói, phát xung sáng,.. luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.
1.1.2. Năng lƣợng mặt trời

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm
19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.
Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ. Mỗi giây nó phát
ra 3,865.1026J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu
chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ và bằng
17,57.1016J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6.106 tấn than đá.
Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt
nhân. Theo thuyết tƣơng đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lƣợng
có thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K,
còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô. Áp suất bên trong mặt
trời cao hơn 340.108 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




6
vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Chúng va
chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc
nguồn năng lƣợng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các
phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân
Proton.Proton.
Khối lƣợng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn. Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối
lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm. Từ đó có thể
thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và vô tận.
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là quá trình truyền các dao động điện
từ trƣờng trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cƣờng độ điện
trƣờng và cƣờng độ từ trƣờng luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phƣơng
truyền của sóng điện từ. Quãng đƣờng mà sóng điện từ truyền đƣợc sau một chu kỳ

dao động điện từ đƣợc gọi là bƣớc sóng 
Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s.
Còn trong môi trƣờng vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong
đó n đƣợc gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng, với n  1. Các sóng điện từ có
bƣớc sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7 nm (nano met) đến hàng nghìn
km.

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời
Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0,4µm đến 0,8µm , chỉ chiếm một phần rất nhỏ
của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ
nhƣng các loại sóng điện từ có bƣớc sóng khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học,
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




7
hóa học và sinh học rất khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy đƣợc, sự khác
nhau về bƣớc sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi từ
bƣớc sóng dài µm đến giới hạn sóng ngắn µm ta nhận thấy màu sắc của
ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt ngƣời nhạy nhất
với ánh sáng màu vàng có bƣớc sóng µm. Sự phân bố năng lƣợng đối với các
bƣớc sóng khác nhau cũng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng
lƣợng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bƣớc sóng của nó, còn bảng 1.2 là quan hệ
giữa màu sắc của ánh sáng và bƣớc sóng của nó. Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng
lƣợng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong dải bƣớc sóng từ µmtử ngoại C,
tỷ lệ mật độ năng lƣợng 0,57% đến µm (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lƣợng
1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ không đáng kể.
Khi bức xạ mặt trời đi ngang qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân
tử khí, các hạt bụi,.. hấp thu hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lƣợng mặt trời khi

đến bề mặt trái đất bị thay đổi rất đáng kể.
Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




8

Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời
Quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng
7991 km bao gồm các phần tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và
các đám mây,… Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến đƣợc
mặt đất thì năng lƣợng của nó bị thay đổi đáng kể.
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




9

Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)
Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lƣợng bức xạ mặt trời là hằng số và có giá
trị là 1353W/m2. Giá trị này đƣợc gọi là hằng số mặt trời. Phổ của bức xạ mặt trời là
một đƣờng cong lien tục có năng lƣợng chủ yếu nằm trong vùng bƣớc sóng từ 0,1µm
đến 3 µm (hình 1.3). Đƣờng phân bố này gần giống đƣờng phân bố phổ bức xạ của một

vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K. Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bƣớc sóng
0,48µm và ứng với mật độ năng lƣợng 2.074W/m2.
Khi các bức xạ mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơi
nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,…bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng
lƣợng của nó không tới đƣợc mặt đất. Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm
năng lƣợng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau xảy ra một cách đồng
thời:
 Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nƣớc H2O,O2, O3 và CO2
 Sự tán xạ Rayleith trên các phan tử khí, các hạt bụi,..
 Tán xạ Mie.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




10

Hình 1.4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển
Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt bụi có
kích thƣớc rất nhỏ so với bƣớc sóng  của bức xạ. Theo lý thuyết Rayleith thì hệ số tán
xạ trong quá trình này tỉ lệ với Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50% năng
lƣợng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi đi qua lớp khí quyển trái đất, chỉ còn 50%
đến đƣợc quả đất theo các hƣớng khác nhau, và đƣợc gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức
xạ tán xạ. Sự tán xạ xảy ra trên các hạt bụi nói chung có kích thƣớc lớn hơn rất nhiều
so với kích thƣớc các phân tử khí nên việc tính toán trở nên rất khó khăn. Vì kích
thƣớc và mật độ của chúng biến đổi từ vừng này sang vùng khác và còn phụ thuộc vào
độ cao và thời gian.
Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thƣớc của các hạt bụi lớn hơn bƣớc sóng của
bức xạ, khi đó sự suy giảm cƣởng độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ thực sự

( phân bố lại năng lƣợng mới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi. Trong nguyên
nhân thứ 2, một phần năng lƣợng của bức xạ biến thành nhiệt. Phần bức xạ còn lại sau
tán xạ Mie, hƣớng đến quả đất nên cũng đƣợc gọi là bức xạ nhiễu xạ.
Do bức xạ bị hấp thu bởi các phần tử khí O2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển
nên vùng bƣớc sóng tử ngoại µm trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN




11
đất. Trong vùng hồng ngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu do hơi nƣớc H2O và CO2. Kết
quả của các quá trình nói trên làm cho cƣờng độ bức xạ mặt trời tới mặt đất yếu đi rất
nhiều so với ở ngoài vũ trụ và đƣờng cong phân bố phổ của nó ở mặt đất không còn
đƣợc lien tục nhƣ ở ngoài khí quyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các
“vùng rãnh” nhƣ đã chỉ ra trên hình 1.3.
Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời còn xảy ra mạnh hơn. Một
phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ lại vũ trụ từ các đám mây, một phần khác bị
các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất nhƣ là bức xạ nhiễu xạ. Tổng
các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán xạ từ các đám mây, từ
các phân tử khí, từ các hạt bụi và từ mặt đất (bao gồm các vật cản nhƣ nhà cửa, cây
cối,..) đƣợc gọi là Albedo của hệ khí quyển quả đất và có khoảng giá trị vào khoảng
30%.
Tóm lại ở mặt đất nhận đƣợc hai thành phần bức xạ:
 Bức xạ trực tiếp(còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ
mặt trời đến mặt đất, không bị thay đổi hƣớng khi qua lớp khí quyển.
 Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ, phản xạ,…
Hƣớng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ
thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ
không có hƣớng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời. Tổng hai

thành phần bức xạ này đƣợc gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ
mặt trời hƣớng về quả đất.
1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng
qua lớp khí quyển( air mass).
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớp
khí quyển nên cƣờng độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia
trong lớp khí quyển. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời .Ví dụ, khi
mặt trời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí
quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đƣờng đi ngắn nhất. Còn ở các điểm “chân
trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đƣờng đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất. Để đặc trƣng cho sự mất mát
Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN