Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

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

---------------------------

HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI
ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG
ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


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

---------------------------

HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI
ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG
ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. BÙI XUÂN LÂM
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Bùi Xuân Lâm
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm …
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)

TT
1
2
3
4
5

Họ và tên

Chức danh Hội đồng
Chủ tịch
Phản biện 1
Phản biện 2
Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
Tp. HCM, ngày......tháng........năm 20...

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Hồ Võ Quốc Cường

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời;
- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời;

- Xây dựng mô hình toán học của pin quang điện;
- Xây dựng mô hình điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện;
- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. Bùi Xuân Lâm
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CAM ÐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu và
kết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủ
nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Hồ Võ Quốc Cường


LỜI CÁM ƠN
Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS. TS. Bùi Xuân Lâm đã tận tình
hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đề
tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thức
quý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôi

hoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡ
tôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Viện Khoa
học Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọi
điều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệp
này.

Hồ Võ Quốc Cường


i

Tóm tắt
Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng là rất lớn, kể cả
ngắn hạn, trung hạn và dài hạn. Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu
phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục
tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong
20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm.
Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn năng
lượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiều
thuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam. Không nằm ngoài mục
tiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin
quang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xét
trong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện.
Đề tài luận văn, "Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất
của hệ nhiều pin quang điện" tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công
suất của một hệ nhiều pin quang điện trong các điều kiện bức xạ mặt trời và
nhiệt độ môi trường khác nhau.
Đề tài luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung
- Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện
- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin
quang điện
- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin
quang điện
- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


ii

Abstract
In Vietnam, the demand for electricity is very high, including short,
medium and long term. According to EVN's calculations, in order to meet the
demand for economic development with the growth rate of 7,5% - 8% and
achieving the target by 2020, Vietnam basically becomes an industrial country.
Over the next 20 years, electricity demand will increase from 15% to 17% per
year.
Therefore, the investment in research and exploitation of renewable
energy sources is very necessary and effective, especially for a country with
many advantages in terms of natural and geographical conditions such as
Vietnam.
Beyond this objective, research into solutions to improve the efficiency
of photovoltaic systems is urgently needed, particularly with the scenario
considered in this paper as a multi-battery system. photovoltaic.
The thesis topic, "Modeling and simulation on optimal power control
of solar PV multi-array systems" focuses on the optimal control of the power
of a solar PV multi-arrays system under conditions of various solar irradiations
and environmental temperatures.
The thesis topics consist of the following contents:

- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Background to a solar PV system
- Chapter 3: Modeling on optimal power control of solar PV multi-array
systems
- Chapter 4: Simulation results
- Chapter 5: Conclusions and future developments


iii

MỤC LỤC
Tóm tắt............................................................................................................ i
Mục lục ......................................................................................................... iii
Danh sách hình vẽ ........................................................................................ vi
Danh sách bảng.............................................................................................. x
Chương 1 - Giới thiệu chung ..................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ................................................................................................ 1
1.2. Mục tiêu của đề tài ................................................................................ 2
1.3. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 3
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài ............................................................... 3
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................ 3
1.6. Bố cục dự kiến của luận văn ................................................................ 12
1.7. Kết luận ............................................................................................... 13
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện ........................... 14
2.1. Năng lượng mặt trời ............................................................................ 14
2.2. Pin quang điện ..................................................................................... 15
2.2.1. Cấu tạo pin quang điện ..................................................................... 15
2.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin quang điện ......................................... 17
2.2.3. Mô hình toán của pin quang điện ..................................................... 18
2.2.4. Đặc tuyến V-I và V-P của pin quang điện ....................................... 22

2.3. Các bộ điều khiển cơ bản của một hệ thống pin quang điện ............... 27
2.3.1. Bộ điều khiển công suất (Power control unit, PCU) ........................ 27
2.3.2. Bộ điều khiển pin quang điện ........................................................... 29
2.4. Các hình thức hoạt động của pin quang điện ...................................... 30
2.4.1. Pin quang điện hoạt động độc lập .................................................... 30
2.4.2. Pin quang điện hoạt động nối lưới ................................................... 32
2.5. Bộ biến đổi DC/DC ............................................................................. 34
2.5.1. Bộ giảm áp ........................................................................................ 34


iv

2.5.2. Bộ tăng áp ......................................................................................... 37
2.5.3. Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp .......................................................... 39
2.6. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ........................................................... 41
2.6.1. Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp .......................................... 41
2.6.2. Điều khiển phản hồi công suất ......................................................... 42
2.6.3. Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện ...................................... 43
2.7. Hệ nhiều pin quang điện ....................................................................... 43
2.7.1. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện ......................... 44
2.7.2. Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện ..................... 45
2.7.3. Phương pháp ghép hỗn hợp các tấm pin quang điện ........................ 46
Chương 3 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều
pin quang điện............................................................................................ 48
3.1. Giới thiệu .............................................................................................. 48
3.2. Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện ................. 49
3.2.1. Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O, Perturb and Observe) ..... 49
3.2.2. Thuật toán điện dẫn gia tăng ............................................................ 52
3.2.3. Thuật toán điện áp hằng số ............................................................... 55
3.3. Phương pháp điều khiển MPPT .......................................................... 56

3.3.1. Phương pháp điều khiển PI .............................................................. 56
3.3.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp ..................................................... 57
3.3.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra .............................. 59
3.4. Cấu hình và thuật toán đề xuất cho bài toán điều khiển tối ưu công suất
của hệ nhiều pin quang điện ....................................................................... 60
3.4.1. Cấu hình đề xuất ............................................................................... 60
3.4.2. Thuật toán đề xuất ............................................................................ 61


v

Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin
quang điện ................................................................................................. 64
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 64
4.2. Kết quả mô phỏng ............................................................................... 68
4.2.1. Trường hợp 1 .................................................................................... 69
4.2.2. Trường hợp 2 .................................................................................... 71
4.2.3. Trường hợp 3 .................................................................................... 73
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 77
5.1. Kết luận ................................................................................................ 77
5.2. Hướng phát triển tương lai ................................................................... 77
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 79


vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 1.1. Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm .......................... 4
Hình 1.2. Cơ chế so sánh 3 điểm .................................................................. 5
Hình 1.3. Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu .................................................. 6

Hình 1.4. Lưu đồ thuật toán của giải thuật dP-P&O .................................... 6
Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural
Network được đề xuất bởi M. A. Younis ...................................................... 7
Hình 1.6. Lưu đồ giải thuật MPPT Neural Network ..................................... 8
Hình 1.7. Lưu đồ thuật toán của giải thuật P&O kết hợp với phương pháp
chia đôi .......................................................................................................... 9
Hình 1.8. Sơ đồ khối cấu trúc của bộ điều khiển mờ .................................. 12
Hình 2.1. Phổ năng lượng mặt trời ............................................................. 14
Hình 2.2. Cấu tạo của pin quang điện ........................................................ 15
Hình 2.3. Chất bán dẫn Si được pha tạp chất P được gọi là bán dẫn loại
N (Negative) ............................................................................................... 16
Hình 2.4. Chất bán dẫn Si pha tạp chất Boron được gọi là bán dẫn loại
P (Positive) ................................................................................................. 17
Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện ......................... 18
Hình 2.6. Sơ đồ pin quang điện thực tế ...................................................... 19
Hình 2.7. Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS ............................... 20
Hình 2.8. Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC) .............. 21
Hình 2.9. Module pin quang điện ............................................................... 22
Hình 2.10. Đặc tuyến V-I của pin quang điện ............................................ 22
Hình 2.11. Đặc tuyến V-P của pin quang điện ........................................... 23
Hình 2.12. Đặc tuyến V-I khi nhiệt độ của pin quang điện thay đổi .......... 24
Hình 2.13. Đặc tuyến V-P khi nhiệt độ của pin quang điện thay đổi ......... 24
Hình 2.14. Đặc tuyến V-I khi bức xạ nhận được thay đổi ......................... 25
Hình 2.15. Đặc tuyến V-P khi bức xạ nhận được thay đổi ........................ 25
Hình 2.16. Đặc tuyến V-I khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ ....... 26


vii

Hình 2.17. Đặc tuyến V-P khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ ....... 26

Hình 2.18. Các thành phần của bộ điểu khiển công suất (PCU) ................ 27
Hình 2.19. Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang
điện ............................................................................................................. 30
Hình 2.20. Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện ......... 31
Hình 2.21. Hệ thống pin quang điện cung cấp cho các khu vực vùng xa ... 31
Hình 2.22. Hệ thống pin quang điện không có bộ lưu trữ .......................... 33
Hình 2.23. Hệ thống pin quang điện có bộ lưu trữ ..................................... 33
Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck ............................................ 35
Hình 2.25. Dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ giảm áp Buck ............ 36
Hình 2.26. Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp Boost ............................................ 38
Hình 2.27. Dạng sóng dòng điện của bộ biến đổi tăng áp, Boost .............. 39
Hình 2.28. Sơ đồ nguyên lý của bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp Buck –
Boost ........................................................................................................... 40
Hình 2.29. Chu kỳ đóng cắt ........................................................................ 40
Hình 2.30. Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp ......................... 42
Hình 2.31. Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện .................... 43
Hình 2.32. Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép nối tiếp... 45
Hình 2.33. Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép song
song ............................................................................................................. 46
Hình 2.34. Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép hỗn hợp
nối tiếp và song song .................................................................................. 47
Hình 3.1. Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện ..................................... 48
Hình 3.2. Thuật toán P&O tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất ........ 49
Hình 3.3. Lưu đồ thuật toán P&O .............................................................. 50
Hình 3.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ .............................. 51
Hình 3.5. Thuật toán INC ........................................................................... 53
Hình 3.6. Lưu đồ thuật toán INC ................................................................ 54
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi .......................................... 55
Hình 3.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ... 57

viii

Hình 3.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .......... 57
Hình 3.10 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D .......... 59
Hình 3.11. Cấu hình điều khiển kinh điển của hệ nhiều pin quang điện .... 60
Hình 3.12. Cấu hình đề xuất của bộ chuyển đổi năng lượng ..................... 61
Hình 3.13. Phân chia đặc tuyến V-P thành 3 vùng .................................... 62
Hình 4.1. Mô hình 1 cell pin quang điện được xây dựng trong Matlab/
Simulink ..................................................................................................... 64
Hình 4.2. Mô hình 1 cell sau khi đã thu gọn .............................................. 64
Hình 4.3. Mô hình bên trong của pin quang điện được ghép bởi 108 cell
pin quang điện được dựng trong Matlab/Simulink .................................... 65
Hình 4.4. Mô hình 1 tấm pin quang điện thu gọn ...................................... 65
Hình 4.5. Cấu hình đề xuất được xây dựng trong Matlab/Simulink .......... 66
Hình 4.6. Thông số của 1 module 36 cell được xây dựng
trong Matlab/Simulink ................................................................................ 67
Hình 4.7. Sơ đồ mạch Boost được xây dựng trong Matlab/Simulink ........ 67
Hình 4.8. Khối MPPT trong Matlab/Simulink ........................................... 68
Hình 4.9. Sơ đồ kết nối bên trong khối MPPT ........................................... 68
Hình 4.10. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ
không đổi sử dụng thuật toán P&O ............................................................ 69
Hình 4.11. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ
không đổi sử dụng thuật toán INC ............................................................. 69
Hình 4.12. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ
không đổi sử dụng thuật toán điện áp hằng số ........................................... 70
Hình 4.13. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ
không đổi sử dụng thuật toán đề xuất ......................................................... 70
Hình 4.14. Nhiệt độ thay đổi lần lượt tại 250C, 300C, 350C và 400C ......... 71
Hình 4.15. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và

bức xạ không đổi sử dụng thuật toán P&O ................................................ 71
Hình 4.16. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và
bức xạ không đổi sử dụng thuật toán INC .................................................. 72


ix

Hình 4.17. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và
bức xạ không đổi sử dụng thuật toán điện áp hằng số ............................... 72
Hình 4.18. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và
bức xạ không đổi sử dụng thuật toán đề xuất ............................................. 73
Hình 4.19. Cường độ bức xạ thay đổi lần lượt 0.25 kW/m2, 0.5 kW/m2,
0.75 kW/m2, 1 kW/m2 ................................................................................ 74
Hình 4.20. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán P&O ............................................... 74
Hình 4.21. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán INC ................................................ 75
Hình 4.22. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán điện áp là hằng số ......................... 75
Hình 4.23. Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi
và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán đề xuất ........................................... 76


xii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo ........... 19
Bảng 3.1. Tóm tắt thuật toán P&O ............................................................. 50
Bảng 4.1. Thông số của tấm pin quang điện .............................................. 66

1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Trong thời gian gần đây, nhu cầu sử dụng năng lượng điện ngày càng
gia tăng, dẫn đến các nguồn nượng truyền thống như dầu mỏ, than đá... được sử
dụng cho các ngày càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Thêm vào đó,
việc sử dụng các nguồn năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động
xấu đến môi trường như gây ô nhiễm bầu khí quyển, gây hiệu ứng nhà kính,
thủng tầng ozôn... mà là một trong các nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên.
Khí thải ra từ việc đốt các nguồn nguyên liệu truyền thống này cũng có thể gây
ra mưa axít, hạn hán, lũ lụt... làm ảnh hưởng đến môi trường sống của con
người.
Trước tình hình đó, việc phải tìm các nguồn năng lượng khác nhằm mục
đích đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần tăng mạnh hàng ngày và
thay thế các nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang dần cạn kiệt
trở nên cần thiết và đòi hỏi nhiều quan tâm.
Tầm quan trọng của việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế cũng
được thúc đẩy bởi nhận thức của con người về vấn đề môi trường. Trong thực
tế, một trong các nguồn năng lượng có thể thay thế với nhiều hứa hẹn về tiềm
năng cung cấp năng lượng rất lớn đó là năng lượng hạt nhân. Tuy nhiên, việc
sử dụng nguồn năng lượng này vẫn còn là một vấn đề đang được tranh cãi vì sự
an toàn và ảnh hưởng của nó đến môi trường sống. Chẳng hạn như sự cố gần
đây nhất tại Fukushima, Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã phá hủy nhà máy điện hạt
nhân Fukushima, gây thiệt hại về người và kinh tế. Tiếp theo đó, một số nước
Châu Âu cũng đã quyết định đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân.
Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng là rất lớn, kể cả
ngắn hạn, trung hạn và dài hạn. Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầu

phát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục


2

tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong
20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [1].
Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn năng
lượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiều
thuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam. Không nằm ngoài mục
tiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pin
quang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xét
trong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có hiệu quả, nhiều bài toán với
nhiều vấn đề khác nhau được đặt ra. Hiện nay, một trong những bài toán mà
đang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đó là nghiên cứu khai thác hệ
thống pin quang điện sao cho nó luôn luôn làm việc tốt nhất trong tất cả các
điều kiện khác nhau. Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật dò tìm và bám
điểm công suất cực đại của một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện.
Đối với một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện, các giải thuật
P&O, InC hoặc điện áp hằng số,... có thể được áp dụng để dò tìm và thực hiện
điều khiển bám điểm công suất cực đại. Các kỹ thuật này đã đạt được các kết
quả nhất định trong việc giải bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại.
Mỗi kỹ thuật cũng đã thể hiện được các ưu điểm của nó trong việc giải quyết
bài toán nâng cao hiệu suất pin quang điện. Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm của
các kỹ thuật này thì trong mỗi kỹ thuật cũng đang tồn tại các khuyết điểm nhất
định liên quan và ảnh hưởng đến tốc độ dò tìm điểm công suất cực đại, cũng
như giá trị điểm công suất cực đại trong các điều kiện vận hành khác nhau...
Bài toán đặt ra là cần phải nâng cao hơn nữa hiệu suất của hệ pin quang điện

thông qua yêu cầu tìm điểm công suất cực đại nhanh hơn và chính xác hơn
ngay cả khi thay đổi các điều kiện bức xạ mặt trời hoặc nhiệt độ môi trường
trong suốt quá trình làm việc của hệ pin quang điện.
Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của một hệ nhiều
pin quang điện trong các điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường khác


3

nhau.
1.3. Nội dung nghiên cứu
- Tổng quan về tiềm năng và khai thác nguồn năng lượng mặt trời trên
thế giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pin
quang điện.
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của mộpin
quang điện.
- Mô phỏng giải thuật cải thiện khả năng bám điểm công suất cực đại
của hệ thống pin quang điện.
1.4. Phạm vi nghiên cứu của đề tài
- Các nghiên cứu được thực hiện trên một hệ thống pin quang điện.
- Giải thuật được đề xuất để điều khiển tối ưu công suất của một hệ
nhiều pin quang điện tương ứng với các thay đổi của điều kiện bức xạ và nhiệt
độ.
1.5. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Liên quan đến bài toán được đặt ra, đã có nhiều nhà khoa học tập trung
giải quyết với các kết quả đạt được nhất định như sau:
Joe-Air Jiang, v.v... với công trình nghiên cứu, “Maximum power
tracking for photovoltaic power systems” đã đề xuất giải thuật so sánh 3 điểm

[2].
Giải thuật này tương tự như giải thuật P&O mà có thể được xem như là
giải thuật P&O cải tiến khi giải thuật P&O chỉ so sánh 2 điểm. Giải thuật 3
điểm được đề xuất để so sánh 3 điểm để từ đó đưa ra các quyết định tăng, giảm
hay giữ nguyên điện áp làm việc của pin quang điện.
Giải thuật so sánh 3 điểm được biểu diễn như lưu đồ thuật toán, Hình
1.1.


4

Hình 1.1. Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm
Nguyên tắc cho phép điểm áp làm việc của pin quang điện tăng, giảm
hay giữ nguyên của giải thuật so sánh 3 điểm được trình bày như sau, Hình 1.2.
Theo giải thuật so sánh 3 điểm, hệ MPPT của pin quang điện sẽ tăng
điện áp làm việc trong các trường hợp ((1), (4)) và giảm điện áp trong các
trường hợp ((3), (6)).


5

Hình 1.2. Cơ chế so sánh 3 điểm
* Ưu điểm của giải thuật:
Giải thuật sử dụng 3 điểm để so sánh nên có khả năng khắc phục được
khuyết điểm hoạt động sai của giải thuật P&O trong trường hợp có sự thay đổi
nhanh của môi trường như cường độ bức xạ.
* Nhược điểm của giải thuật:
Khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì
giải thuật so sánh 3 điểm có thể sai do luôn đọc thấy 3 điểm cùng tăng (trường
hợp cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (trường hợp cường độ bức

xạ giảm). Do đó, giải thuật sẽ ra quyết định sai và làm ảnh hưởng đến sự thay
đổi của giá trị điện áp tại điểm công suất cực đại, Vmpp.
Dezso Sera, v.v... với công trình nghiên cứu, “Improved MPPT
algorithms for rapidly changing environmental conditions” đã đề xuất thêm
một quá trình lấy mẫu trung gian tại thời điểm T/2 như Hình 1.3 cho việc cải
thiện hiệu quả của giải thuật P&O [3].


6

Hình 1.3. Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu
Trong đó, dP được biểu diễn như sau:
dP  dP1  dP2  Px  Pk   Pk 1  Px   2 Px  Pk 1  Pk

(1.1)

Lưu đồ thuật toán của giải thuật đề xuất được biểu diễn như Hình 1.4
sau:

Hình 1.4. Lưu đồ thuật toán của giải thuật dP-P&O


7

Theo đề xuất, giải thuật dP-P&O sẽ lấy mẫu trung gian ở thời điểm T/2
và khi môi trường thay đổi (dP = 0) sẽ không thay đổi V.
* Ưu điểm của giải thuật:
Có thể nhận thấy rằng giải thuật này giúp cho bộ MPPT không bị nhẫm
lẫn khi cường độ bức xạ thay đổi tuyến tính.
* Nhược điểm của giải thuật:

Khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính giải thuật này có thể
hoạt động sai.

Hình 1.5. Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural
Network được đề xuất bởi M. A. Younis
M. A. Younis, v.v ... với công trình nghiên cứu, “An improved
maximum power point tracking controller for PV systems using artificial neural
network” đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo
và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suất
cực đại [4]. Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện


8

áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại. Cấu
trúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngược
với bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ số
nhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV
và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu, Hình 1.5. Lưu đồ
của giải thuật MPPT Neural Network như Hình 1.6.
* Ưu điểm của giải thuật:
Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiển
bám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứng
nhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bám
trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể.
* Nhược điểm của giải thuật:
Giải thuật MPPT kết hợp giữa P&O và mạng nơ-rôn nhân tạo lan truyền
ngược Levenberg-Marquardt gặp khó khăn trong việc lựa chọn các thông số
của mạng như số nơ-rôn cho các lớp ngõ vào, lớp ẩn và lớp ngõ ra.

Hình 1.6. Lưu đồ giải thuật MPPT Neural Network


9

B. Das, v.v... với công trình nghiên cứu, “New perturb and observe
MPPT algorithm and its validation using data from PV module” đã giới thiệu
phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm công
suất cực đại của hệ thống PV [5].
Giải thuật tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán công
suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại. Theo giải
thuật đề xuất này, giá trị dP/dV được sử dụng để xác định vị trí điểm làm việc
của pin quang điện mà có thể nằm ở bên trái hoặc bên phải của điểm công suất
cực đại.

Hình 1.7. Lưu đồ thuật toán của giải thuật P&O kết hợp với phương pháp chia
đôi