Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật inc cải tiến

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

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

NGUYỄN THANH HIẾU

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ
THỐNG PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG GIẢI
THUẬT INC CẢI TIẾN

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

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

NGUYỄN THANH HIẾU

TỐI ƯU HÓA CÔNG SUẤT PHÁT CỦA HỆ
THỐNG PIN QUANG ĐIỆN SỬ DỤNG GIẢI
THUẬT INC CẢI TIẾN

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

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
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. Huỳnh Châu Duy
(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 ĐẠI HỌC 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: Nguyễn Thanh Hiếu

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC
cải tiến

II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện.
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang
điện.
- Mô phỏng hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng giải thuật đề xuất tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang
điện.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS. TS. HUỲNH CHÂU DUY
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, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng đuợc ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
đuợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đuợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

Nguyễn Thanh Hiếu


LỜI CÁM ƠN

Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
Viện đào tạo sau đại học, Viện Kỹ thuật HUTECH đã hỗ trợ, tạo điều kiện thuận lợi
cho em hoàn thành khóa học và đề tài luận văn.
Đặc biệt em xin chân thành cám ơn Thầy, PGS. TS. Huỳnh Châu Duy đã
tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến quý báo và hướng dẫn em thực hiện hoàn
thiện luận văn này.
Cuối cùng, xin cảm ơn tập thể lớp 16SMĐ12, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện luận văn.

Nguyễn Thanh Hiếu


Tóm tắt
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất
năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong
đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ
gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống
pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ
thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là
tương đối thấp (9 ÷ 17%);
- Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên
tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Tối ưu hóa công suất phát của hệ
thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” được lựa chọn và thực
hiện trong luận văn này.
Luận văn bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng mặt trời

+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện
+ Chương 4: Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện
+ Chương 5: Mô phỏng tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin
quang điện
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Abstract
One of the main applications of the solar energy source is to generate
electricity through photovoltaic (PV) systems. In particular, this PV system can
be operated independently in households, served street lighting systems, or the
PV system may be connected to the grid. However, there are several major
shortcomings in these PV systems :
- The conversion efficiency of solar energy into electrical energy is
relatively low (9 ÷ 17%);
- The electrical energy generated by the PV system is constantly
changing under different weather conditions.
For the above reasons, the topic of "Power optimization of a solar PV
system using an improved InC algorithm" is selected and implemented in
this thesis.
The thesis includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Literature review of using solar energy source
+ Chapter 3: Solar PV system
+ Chapter 4: Power optimization of a solar PV system
+ Chapter 5: Simulation results
+ Chapter 6: Conclusions and future works


i

MỤC LỤC
Mục lục....................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ......................................................................................iv
Danh sách bảng .........................................................................................ix
Chương 1 - Giới thiệu chung.......................................................................1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................1
1.2. Tính cấp thiết của đề tài ......................................................................2
1.3. Đối tượng nghiên cứu ..........................................................................2
1.4. Phạm vi nghiên cứu .............................................................................2
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ........................................................3
1.6. Phương pháp nghiên cứu ......................................................................3
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu ...........................................................3
1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài ...................................................4
1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ......................................................6
1.8. Bố cục của luận văn .............................................................................6
Chương 2 - Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng
mặt trời .......................................................................................................8
2.1. Mặt trời ...............................................................................................8
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ................................................... 10
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ................................................ 11
2.4. Bức xạ mặt trời .................................................................................. 13
2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ........................................................... 17
2.5.1. Pin quang điện ................................................................................ 18
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ............................ 19
2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ............................. 20
2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ........................... 20
2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hoà không khí sử dụng năng lượng mặt

ii

trời ............................................................................................................ 21
2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ........................ 23
Chương 3 - Hệ thống pin quang điện ........................................................ 28
3.1. Giới thiệu .......................................................................................... 28
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện ....................................... 31
3.3. Sơ đồ thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao .................. 32
3.4. Module pin quang điện ....................................................................... 33
3.5. Mảng pin quang điện.......................................................................... 34
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module pin quang điện ....................................... 34
3.5.2. Nối song song nhiều module pin quang điện ................................... 35
3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module pin quang điện ...................................... 35
3.6. Các ảnh hưởng đến pin quang điện..................................................... 36
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ............................................... 36
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ................................................................. 37
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm .............................................. 37
3.7. Các hệ thống pin quang điện .............................................................. 41
3.7.1. Hệ thống pin quang điện độc lập ..................................................... 42
3.7.2. Hệ thống pin quang điện nối lưới .................................................... 42
3.7.3. Hệ thống pin quang điện kết hợp ..................................................... 43
3.8. Các đặc điểm của hệ thống pin quang điện nối lưới ............................ 44
3.9. Cấu hình DC/DC – DC/AC ................................................................ 45
3.9.1. Bộ biến đổi DC/DC ......................................................................... 45
3.9.2. Bộ biến đổi DC/AC ......................................................................... 49
3.10. PLL 3 pha ........................................................................................ 50
3.10.1. Phase detector ............................................................................... 51
3.10.2. VCO.............................................................................................. 51
3.10.3. Bộ nghịch lưu 6 khóa .................................................................... 58
Chương 4 - Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện .......... 62

4.1. Giới thiệu .......................................................................................... 62


iii

4.2. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ................................................ 63
4.3. Thuật toán P&O (Perturb and Observation) ........................................ 64
4.4. Thuật toán điện dẫn gia tăng (Inc - Incremental Conductance) ........... 68
4.5. Thuật toán điện áp hằng số ................................................................. 71
4.6. Thuật toán đề xuất xác định điểm công suất cực đại ........................... 73
4.7. Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại .................... 74
4.7.1. Phương pháp điều khiển PI.............................................................. 75
4.7.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .................................................... 76
4.7.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra .............................. 78
Chương 5 - Mô phỏng tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện .. 79
5.1. Giới thiệu ........................................................................................... 79
5.2. Mô phỏng pin quang điện ................................................................... 81
5.3. Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại
DC/DC...................................................................................................... 84
5.4. Mô phỏng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi .......... 85
5.4.1. Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .................... 85
5.4.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ................. 87
5.4.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ................. 88
5.5. Mô phỏng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi .......... 90
5.5.1. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ................. 91
5.5.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ................. 94
5.5.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ................. 96
5.6. Mô phỏng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .......................... 98
Chương 6 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ................................. 102
6.1. Kết luận ........................................................................................... 102

6.2. Hướng phát triển tương lai ............................................................... 102
Tài liệu tham khảo .................................................................................. 103


iv

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ...................................................................8
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời ......................................... 11
Hình 2.3. Hướng nhìn quỹ đạo trái đất ...................................................... 12
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời ................................................................... 13
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ ..................................................................... 14
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ...................................................................... 15
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển
của trái đất ................................................................................................ 16
Hình 2.8. Hệ thống pin quang điện ............................................................ 18
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ............................................................... 19
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ........................................................ 20
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời .............................. 20
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng sử dụng năng lượng mặt
trời ............................................................................................................ 21
Hình 2.13. Tủ lạnh sử dụng pin quang điện ............................................... 22
Hình 2.14. Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời................. 23
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời ............................................................ 28
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng
điện của pin quang điện ............................................................................ 30
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của pin quang điện ........................................ 30
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện ............................... 31
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn
mạch, Isc và điện áp hở mạch, Voc)............................................................. 31

Hình 3.6. Mô hình thay thế pin quang điện có xét đến các tổn hao ............ 32
Hình 3.7. Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs và
Rp .............................................................................................................. 33
Hình 3.8. Module pin quang điện .............................................................. 33


v

Hình 3.9. Đặc tính của module pin quang điện .......................................... 34
Hình 3.10. Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau ..... 34
Hình 3.11. Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau . 35
Hình 3.12. Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau .... 36
Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ chiếu sáng
khác nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 250C ............................. 36
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau
và cường độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m2 ............................................. 37
Hình 3.15. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường
hợp module không bị che khuất ................................................................ 38
Hình 3.16. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường
hợp module bị che khuất một phần............................................................ 38
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang
điện ........................................................................................................... 39
Hình 3.18. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất. 40
Hình 3.19. Module pin quang điện sử dụng diode bypass.......................... 40
Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ......... 41
Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode
bypass ....................................................................................................... 41
Hình 3.22. Hệ thống pin quang điện độc lập ............................................. 42
Hình 3.23. Hệ thống pin quang điện nối lưới............................................. 43
Hình 3.24. Hệ thống pin quang điện kết hợp ............................................. 43

Hình 3.25. Sơ đồ khối mô ta hệ thống pin quang điện nối lưới .................. 44
Hình 3.26. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ........................................ 44
Hình 3.27. Kiểu biến đổi không cách ly bằng máy biến áp ........................ 45
Hình 3.28. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch ..................................... 46
Hình 3.29. Bộ biến đổi Buck-Boost .......................................................... 46
Hình 3.30. Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm .................... 48
Hình 3.31. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới .............................................. 49
Hình 3.32. Bộ điều nghịch lưu 3 pha hòa lưới ........................................... 50
Hình 3.33. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ............................................... 51


vi

Hình 3.34. Tín hiệu ngõ ra VCO ............................................................... 52
Hình 3.35. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha ................................................. 53
Hình 3.36. Hệ trục tọa độ αβ .................................................................... 53
Hình 3.37. Hệ trục tọa độ dq ..................................................................... 55
Hình 3.38. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ................ 56
Hình 3.39. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa ..................................... 58
Hình 3.40. Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn.............................. 58
Hình 3.41. Các vector điện áp chuẩn và các sector .................................... 60
Hình 3.42. Giản đồ đóng ngắt của các khóa .............................................. 61
Hình 4.1. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của pin quang điện.............. 63
Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất cực đại ..... 65
Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O ............................................................. 66
Hình 4.4. Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của
cường độ bức xạ ....................................................................................... 67
Hình 4.5. Thuật toán InC .......................................................................... 69
Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC................................................................ 71
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp hằng số ............................................. 72

Hình 4.8. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp
điều khiển PI ............................................................................................. 75
Hình 4.9. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp
điều khiển trực tiếp ................................................................................... 76
Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D .......... 77
Hình 5.1. Hệ thống pin quang điện nối lưới .............................................. 79
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện nối lưới ..................... 80
Hình 5.3. Hệ thống pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ............... 81
Hình 5.4. Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ,
G (kW/m2) và nhiệt độ, T (0C) khác nhau.................................................. 82
Hình 5.5. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ
1kW/m2; 0,8kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 25 0C............... 82


vii

Hình 5.6. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ,
G = 1 kW/m2; 0,8 kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường không
đổi, T = 25 0C ........................................................................................... 83
Hình 5.7. Lưới điện 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) .................... 84
Hình 5.8. Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại
DC/DC...................................................................................................... 85
Hình 5.9. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ...................................... 86
Hình 5.10. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện
bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C .............................................. 86
Hình 5.11. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C.................................... 87
Hình 5.12. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện
bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................................... 88

Hình 5.13. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C.................................... 89
Hình 5.14. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện
bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ........................................... 89
Hình 5.15. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ không
đổi, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ môi trường thay đổi, T = 150C; 300C
và 350C ..................................................................................................... 91
Hình 5.16. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C ............................ 92
Hình 5.17. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C.................................... 92
Hình 5.18. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 150C.................................... 93
Hình 5.19. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ............................ 94
Hình 5.20. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C.................................... 95


viii

Hình 5.21. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C.................................... 95
Hình 5.22. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với
các điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C ...................... 96
Hình 5.23. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C.................................... 97
Hình 5.24. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 350C.................................... 97
Hình 5.25. Cường độ bức xạ thay đổi, G = 0,6 - 1 (kW/m2) ...................... 99

Hình 5.26. Nhiệt độ thay đổi, T = 25 - 35 (0C) .......................................... 99
Hình 5.27. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .............................................................. 100
Hình 5.28. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều
kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .............................................................. 101


ix

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ............................... 11
Bảng 2.2. Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ..................................... 12
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ............................ 24
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc
nhóm IV.................................................................................................... 29
Bảng 3.2. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng
ngắt ........................................................................................................... 59
Bảng 4.1. Mô tả thuật toán P&O ............................................................... 65
Bảng 5.1. Thông số của 01 pin quang điện và hệ với 10 pin quang điện .... 81
Bảng 5.2. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện bức xạ khác
nhau .......................................................................................................... 83
Bảng 5.3. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện nhiệt độ khác
nhau .......................................................................................................... 90
Bảng 5.4. Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện bức xạ và
nhiệt độ khác nhau .................................................................................... 98


1

Chương 1

Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Sự cạn kiệt của các nguồn nhiên liệu sản xuất năng điện truyền thống đã
và đang được thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng đặc biệt quan tâm. Để
giải quyết vấn đề này, đã có rất nhiều đề xuất của việc sử dụng các dạng năng
lượng khác nhau để tạo ra năng lượng điện, dưới các dạng năng lượng tái tạo.
Một trong số đó có năng lượng mặt trời.
Mặt trời là một khối cầu lửa khổng lồ với những phản ứng nhiệt hạch
xảy ra liên tục và phát ra nguồn năng lượng dường như vô tận. Những phản ứng
nhiệt hạch trên mặt trời đã và đang diễn ra hàng triệu triệu năm mà chưa ai dự
đoán được thời điểm kết thúc của nó. Khối cầu lửa khổng lồ ấy mới chỉ truyền
một phần năng lượng nhỏ bé của nó xuống trái đất cách xa hàng triệu km mà
con người chúng ta đã cảm thấy sức nóng khủng khiếp của mặt trời ở nhiều
vùng. Năng lượng mặt trời đã mang lại sự sống cho trái đất và cũng có thể thiêu
trụi cả trái đất nếu trái đất không có tầng ô-zôn và khí quyển bảo vệ.
Có thể nhận thấy rằng, năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng
sạch không giống như bất kỳ một nguồn năng lượng nào khác mà chúng ta đang
khai thác trên trái đất. Chẳng hạn như thủy điện có thể gây đột biến dòng chảy
của sông và làm mất cân bằng sinh thái ở khu vực hạ lưu dòng sông đó; nhiệt
điện có thể gây bụi và ô nhiễm môi trường do các khí COx, SOx và NOx; điện
hạt nhân có thể gây ô nhiễm do phóng xạ hạt nhân [1]-[2].
Vì vậy, nếu tận dụng được nguồn năng lượng mặt trời để phục vụ cho
nhu cầu năng lượng điện thì đây là một trong các mục tiêu cần phải đạt được của
các nhà khoa học.
Một trong các ứng dụng chính từ nguồn năng lượng mặt trời là sản xuất
năng lượng điện thông qua hệ thống pin quang điện (Photovoltaic, PV). Trong
đó, hệ thống pin quang điện này có thể hoạt động độc lập phục vụ trong các hộ
gia đình, phục vụ chiếu sáng đường phố cục bộ; hoặc có thể là một hệ thống

2

pin quang điện được kết nối với lưới điện quốc gia. Tuy nhiên, trong các hệ
thống pin quang điện này đang tồn tại một vài nhược điểm lớn như sau:
- Hiệu suất chuyển đổi của năng lượng mặt trời thành năng lượng điện là
tương đối thấp (9 ÷ 17%);
- Năng lượng điện được tạo ra bởi hệ thống pin quang điện thay đổi liên
tục dưới các điều kiện thời tiết khác nhau.
Chính vì các lý do trên, đề tài “Tối ưu hóa công suất phát của hệ
thống pin quang điện sử dụng giải thuật InC cải tiến” được lựa chọn và
thực hiện trong luận văn này.
1.2. Tính cấp thiết của đề tài
Nguồn điện đang gánh chịu các áp lực nặng nề của sự cạn kiệt các
nguồn năng lượng sơ cấp truyền thống (nước, nhiên liệu hóa thạch,...). Để giảm
bớt các gánh nặng này, cũng như nâng cao hiệu quả khai thác của các nguồn
năng lượng tái tạo, cụ thể là nguồn năng lượng mặt trời. Vì vậy, đề tài được
xem là cần thiết.
1.3. Đối tượng nghiên cứu
Các nghiên cứu sẽ được thực hiện trên một mô hình hệ thống pin quang
điện bao gồm:
- Hệ thống pin quang điện.
- Các bộ biến đổi DC-DC và DC-AC.
- Các giải thuật tìm điểm công suất cực đại.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Tổng quan các hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu các đặc điểm của các đặc tuyến pin quang điện.
- Xây dựng một hệ thống pin quang điện nối lưới.

3

- Nghiên cứu các thuật toán bám điểm công suất cực đại dưới các điều kiện bức
xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể tối ưu hóa vận hành hệ thống pin quang
điện.
1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang điện sử dụng
giải thuật InC cải tiến” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như
sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu các đặc tuyến của pin quang điện.
- Mô phỏng pin quang điện.
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng nguyên lý làm việc của một hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang
điện.
1.6. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các tài liệu về vận hành tối ưu và nối lưới của một hệ
thống pin quang điện.
- Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển vận hành tối
ưu và nối lưới của một hệ thống pin quang điện.
1.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Một vài kỹ thuật bám điểm công suất cực đại đã được đề xuất và giới
thiệu, chẳng hạn như thuật toán xáo trộn và giám sát (Pertuation & Observation
algorithm, P&O), thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance
algorithm, InC), mạng nơ-rôn nhân tạo, Fuzzy logic, v.v... Các kỹ thuật này
khác nhau ở một vài khía cạnh và quan điểm bao gồm: tính chất đơn giản của
thuật toán, tốc độ hội tụ của thuật toán, tính chất phức tạp của việc thực hiện
các phần ứng thực nghiệm, cũng như chi phí thực hiện cho mỗi giải pháp.

4

1.7.1. Tình hình nghiên cứu ở nước ngoài
Trên nền tảng của thuật toán P&O, J. Jiang, T. Huang, Y. Hsiao, và C.
Chen đã giới thiệu phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự
như phương pháp P&O và có thể xem như thuật toán P&O cải tiến. Thuật toán
P&O thực hiện so sánh 2 thời điểm. Trong khi đó, thuật toán được giới thiệu so
sánh 3 thời điểm từ đó mới ra quyết định tăng, giảm hay giữ nguyên giá trị của
điện áp. Có thể nhận ra các ưu điểm của thuật toán này, việc so sánh 3 điểm có
khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của giải thuật P&O truyền thống khi
có sự thay đổi nhanh của môi trường chẳng hạn như cường độ bức xạ, nhiệt độ,
v. v . . . Tuy nhiên, đề xuất này cũng tồn tại một vài khuyết điểm chẳng hạn
như khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thì
thuật toán so sánh 3 điểm này có thể sai do thuật toán luôn xác định được 3
điểm cùng tăng (nếu cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (nếu cường
độ bức xạ giảm) và cuối cùng quyết định thay đổi giá trị điện áp sẽ không
chính xác, ảnh hưởng đến hiệu quả của thuật toán [3].
Tương tự, để khắc phục cho các khuyết điểm của thuật toán P&O truyền
thống, D. Sera, T. Kerekes, R. Teodorescu và F. Blaabjerg đã giới thiệu thêm
một thuật toán bám điểm công suất cực đại trên nền tảng của thuật toán P&O
bằng việc lấy thêm các mẫu trung gian. Ưu điểm của thuật toán này sẽ giúp bộ
điều khiển bám điểm công suất cực đại không bị nhẫm lẫn khi cường độ sáng
thay đổi tuyến tính. Trong khi đó, nhược điểm của thuật toán này là khi cường
độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính thì thuật toàn này có thể hoạt động sai
[4].
M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin 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. Các tác giả đã sử
dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện 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


5

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. 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 [5].
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [16]
đã giới thiệu phương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám
điểm công suất cực đại của hệ thống PV. Thuật toán 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. Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử
dụng để so sánh với các kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông
thường. Kết quả so sánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt
được giá trị công suất cực đại nhanh hơn thuật toán P&O [6].
Bên cạnh các kỹ thuật đã được giới thiệu cho việc bám điểm công suất
cực đại thì các kỹ thuật khác liên quan đến việc nghiên cứu và thiết kế các hệ
thống điều khiển bám theo mặt trời cũng được đề cập giải quyết sao cho khả
năng khai thác được từ nguồn năng lượng mặt trời là lớn nhất. G. Deb, A. B.
Roy; T. Tudorache, C. D. Oancea, L. Kreindler và J. Rizk, Y. Chaiko [7]-[9] đã
thực hiện các nghiên cứu, thiết kế và thực hiện một hệ thống bám theo mặt trời
cho hệ thống PV. Một hệ thống bám đơn trục đã được đề xuất trong nghiên cứu
này để đảm bảo việc tối ưu hóa khả năng chuyển đổi năng lượng mặt trời thành
điện năng bằng cách định hướng đúng các PV theo vị trí thật của ánh nắng mặt

trời. Hoạt động của mô hình thử nghiệm trong nghiên cứu được dựa trên một
động cơ bước mà được điều khiển thông minh và một hệ thống truyền động để
điều khiển mô-đun PV theo các tín hiệu nhận được từ hai cảm biến ánh sáng.
Các kết quả đạt được trong nghiên cứu này cho thấy rằng mô-đun PV luôn luôn
di chuyển mô-đun PV theo cường độ ánh sáng của mặt trời.
Tương tự, N. Barsoum, P. Vasant [10] cũng đã giới thiệu một thiết kế
khác cho hệ thống bám theo mặt trời. Hệ thống này được điều khiển bởi vi điều
khiển PIC16F84A.


6

1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước
Trên nền tảng của thuật toán gia tăng độ dẫn (InC), tác giả Phạm Văn
Để đã đề xuất thuật toán InC cải tiến cho điều khiển bám điểm công suất cực
đại của một hệ thống điện năng lượng mặt trời trong Luận văn Thạc Sĩ. Các kết
quả mô phỏng được thực hiện trong luận văn này cho thấy rằng đề xuất có đáp
ứng thời gian tốt hơn và ổn định hơn với các thay đổi khác nhau của bức xạ
năng lượng mặt trời [11].
Bên cạnh đó, dựa vào thuật toán P&O, tác giả Trầm Minh Tuấn cũng đã
cải tiến thuật toán này trên cơ sở khắc phục các khuyết điểm đang tồn tại của
thuật toán P&O, đặc biệt trong các điều kiện bức xạ thay đổi đột ngột thông
qua bước xác định dòng điện ngắn mạch của hệ pin quang điện trong Luận văn
Thạc Sĩ. Cải tiến này đã giúp cho thuật toán P&O đạt được giá trị và tốc độ hội
tụ được tốt hơn [12].
Theo một cách giải khác của bài toán tối ưu hóa, tác giả Nguyễn Mạnh
Tường đã đề xuất thuật toán tối ưu hóa bầy đàn (Thuật toán PSO) cho việc tìm
điểm công suất cực đại trong Luận văn Thạc Sĩ. Đặc biệt, tác giả đã xét bài
toán trong trường hợp có ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm. Khi ấy, hệ thống
sẽ tồn tại nhiều điểm công suất cực đại cục bộ và nhiệm vụ của thuật toán PSO

đề xuất là xác định điểm công suất cực đại toàn cục. Các kết quả mô phỏng cho
thấy rằng, thuật toán PSO đã chứng tỏ được hiệu quả của nó trong việc tìm
điểm công suất cực đại toàn cục của hệ pin quang điện trong điều kiện vận
hành có xét đến hiện tượng bóng râm [13].
1.8. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 6 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng
lượng mặt trời
+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện
+ Chương 4: Tối ưu hóa công suất phát của hệ thống pin quang điện


7

+ Chương 5: Mô phỏng tối ưu hóa công suất của hệ thống pin quang
điện
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


8

Chương 2
Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn
năng lượng mặt trời
2.1. Mặt trời
Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1.390×106 km (lớn hơn
110 lần đường kính trái đất), cách xa trái đất 150×106 km (bằng một đơn vị
thiên văn, AU) và ánh sáng mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng trên
và đến trái đất.

Khối lượng và nhiệt độ của mặt trời là như sau:
+ Khối lượng mặt trời, M0 = 2×1030 kg.
+ Nhiệt độ trung tâm mặt trời, T0 thay đổi trong khoảng từ 10×106 0K
đến 20×106 0K và trung bình khoảng 15,6×106 0K.
Như vậy, ở nhiệt độ vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông
thường với các nguyên tử và phân tử mà nó sẽ trở thành plasma. Trong đó, các
hạt nhân của nguyên tử sẽ chuyển động tách biệt với các electron. Khi các hạt
nhân tự do có va chạm với nhau sẽ xuất hiện những vụ nổ nhiệt hạch. Khi quan
sát tính chất của vật chất nguội hơn trên bề mặt nhìn thấy được của mặt trời,
các nhà khoa học đã kết luận rằng có phản ứng nhiệt hạch xảy ra ở trong lòng
mặt trời.

Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời