Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm

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

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

TRẦN VĂN THỪA

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG
ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM

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

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

TRẦN VĂN THỪA

MÔ PHỎNG GIẢI THUẬT TÌM ĐIỂM CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG PIN QUANG
ĐIỆN CÓ XÉT ĐẾN HIỆU ỨNG BÓNG RÂM

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)

T
T1
2
3
4
5

C
h
Phả
biệ

Phả
biệ
Ủ
viên

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 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Văn Thừa

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh:

Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

MSHV:

I- Tên đề tài:
Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin quang điện
có xét đến hiệu ứng bóng râm
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện.
- Nghiên cứu, xây dựng và mô hình một hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu hiệu ứng bóng râm trong hệ thống pin quang điện.
- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống pin
quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm.
- Mô phỏng hệ thống pin quang điện.
- Mô phỏng giải thuật đề xuất giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ thống
pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm.
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

Trần Văn Thừa


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.

Trần Văn Thừa


Tóm tắt
Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV. Thông
thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một
phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện...
Trong điều kiện bóng râm, đặc tính P-V phức tạp hơn, với nhiều điểm cực trị.
Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP - maximum
power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn.

Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính
chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp. Để nâng
cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT được nhiều người
nghiên cứu và phổ biến nhất là thuật toán P&O (Perturb and Observe).
Luận văn này thực hiện nghiên cứu hệ PV dưới các điều kiện không
đồng nhất của các tế bào pin mặt trời hay khi điều kiện môi trường thay đổi
như tấm PV bị che một phần.
Thuật toán P&O được đề xuất áp dụng cho việc tìm điểm công suất cực
đại của hệ PV này.
Đề tài luận văn “Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của
hệ thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm” được lựa chọn thực
hiện mà bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện
+ Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
+ Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


Abstract
The performance of a photovoltaic (PV) array is affected by
temperature, irradiation, shading and configuration. Normally, the PV array
gets covered in full or partial shadows, by passing clouds, neighboring
buildings, trees, poles, etc. In shaded conditions, the P-V characteristics are
more complex, with many extreme points.
This makes the monitoring of the maximum power point (MPP) to
become a difficult task.
The inherent limitations of wind and solar systems are their intermittent

nature that makes them inefficient. To improve the efficiency and reliability of
PV systems, there are many MPPT algorithm proposed. Among them, the P &
O (Perturb and Observe) algorithm is the most popular MPPT technique.
This thesis studies the PV system under heterogeneous conditions of solar cell
or changed environmental conditions such as PV partially shading.
The P & O algorithm is also proposed to apply for finding the MPP of
this PV system under shading conditions.
The topic thesis, "Simulation on a maximum power point searching
algorithm considering partial shading conditions" is selected to implement
which includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Background to photovoltaic systems
+ Chapter 3: Proposal a maximum power point searching algorithm
considering partial shading
+ Chapter 4: Simulation results
+ Chapter 5: Conclusions and future works


iii

MỤC LỤC
Mục lục ........................................................................................................... i
Danh sách hình vẽ ........................................................................................iii
Chương 1 - Giới thiệu chung ...................................................................... 1
1.1. Giới thiệu ............................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................. 1
1.3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................... 2
1.4. Nội dung nghiên cứu ............................................................................. 2
1.5. Ý nghĩa của đề tài .................................................................................. 3
1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu ............................................................ 3

1.7. Bố cục của luận văn ............................................................................... 5
Chương 2 - Cơ sở lý thuyết pin quang điện ............................................. 6
2.1. Giới thiệu ............................................................................................... 6
2.2. Hệ thống pin quang điện ....................................................................... 7
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của tế báo quang điện .................................... 11
2.2.2. Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện .............. 12
2.2.3. Phân loại hệ thống PV ...................................................................... 14
2.2.4. Ưu và khuyết điểm của năng lượng mặt trời .................................... 16
2.2.5. Hiệu chỉnh cơ khí ............................................................................. 17
2.3. Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại .............................................. 17
2.3.1. Khảo sát hệ PV trong điều kiện không bị che .................................. 19
2.3.2. Khảo sát hệ PV trong điều kiện có bóng râm ................................... 22
Chương 3 - Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ............................ 26
3.1. Giới thiệu ............................................................................................. 26
3.2. Bộ biến đổi DC/DC ............................................................................. 28


iii

3.2.1. Bộ biến đổi Buck .............................................................................. 28
3.2.2. Bộ biến đổi Boost ............................................................................. 31
3.2.3. Bộ biến đổi Buck - Boost ................................................................. 32
3.3. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ........................................................... 33
3.3.1. Điều khiển điện áp hồi tiếp ............................................................... 34
3.3.2. Điều khiển dòng điện hồi tiếp .......................................................... 34
3.4. Thuật toán xác định điểm công suất cực đại ....................................... 35
3.4.1. Thuật toán Perturbation & Observation (P&O) ............................... 35
3.4.2. Thuật toán Incremental Conductance (IC) ....................................... 38
3.4.3. Thuật toán điện áp không đổi ........................................................... 41

3.4.4. Thuật toán dòng điện ngắn mạch ..................................................... 42
Chương 4 - Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ............................ 44
4.1. Giới thiệu ............................................................................................. 44
4.2. Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống pin quang điện ................. 44
4.3. Kết quả mô phỏng cho một array pin quang điện ............................... 49
4.3.1. Trường hợp không bị bóng râm ....................................................... 49
4.3.2. Trường hợp bị bóng râm ................................................................... 52
4.4. Kết luận ............................................................................................... 64
Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai ............................. 65
5.1. Kết luận ............................................................................................... 65
5.2. Hướng phát triển tương lai .................................................................. 65
Tài liệu tham khảo .................................................................................... 67


4v

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc một mảng PV ................................................................. 7
Hình 2.2. Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu ................................. 8
Hình 2.3. Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu ............................................. 8
Hình 2.4. Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt
Nam .............................................................................................................. 9
Hình 2.5. Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch ........................................... 9
Hình 2.6. Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất ........................................... 10
Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện .............................. 11
Hình 2.8. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ ................ 12
Hình 2.9. Ảnh hưởng của công suất điện theo độ bức xạ .......................... 13
Hình 2.10. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo nhiệt độ ................. 14
Hình 2.11. Ảnh hưởng của công suất điện theo nhiệt độ ........................... 14

Hình 2.12. Hệ thống PV kết nối lưới điện .................................................. 15
Hình 2.13 Hệ thống PV độc lập ................................................................. 16
Hình 2.14. Hệ thống PV độc lập trực tiếp .................................................. 16
Hình 2.15. Hiệu chỉnh cơ khí trục đơn ở California ................................... 18
Hình 2.16. Hiệu chỉnh bám điểm công suất cực đại ................................... 18
Hình 2.17. Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện lý tưởng 20
Hình 2.18. Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện thực tế .... 21
Hình 2.19. Điểm MPP trên đường đặc tính I-V và P-V ............................. 21
Hình 2.20. Các đặc tính của một mảng PV khi không có bóng râm .......... 23
Hình 2.21. Các đặc tính của một mảng PV trong điều kiện có bóng râm .. 24
Hình 2.22. Tỉ lệ bóng râm và tỉ lệ tổn thất công suất tương ứng ............... 25
Hình 3.1. Các đặc tính phi tuyến của PV ................................................... 27
Hình 3.2. Đặc tính V-I của PV với các cường độ bức xạ khác nhau .......... 27
Hình 3.3. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ....................................... 28
Hình 3.4. Bộ giảm áp Buck ........................................................................ 29


5v

Hình 3.5 Bộ tăng áp Boost ......................................................................... 31
Hình 3.6. Bộ biến đổi Buck – Boost ........................................................... 32
Hình 3.7. Sơ đồ điều khiển điện áp hồi tiếp ............................................... 34
Hình 3.8. Sơ đồ điều khiển dòng điện hồi tiếp ........................................... 35
Hình 3.9. Lưu đồ thuật toán P&O .............................................................. 36
Hình 3.10. Sự phân kỳ của thuật toán P&O khi cường độ bức xạ thay
đổi ............................................................................................................... 38
Hình 3.11. Thuật toán IC ............................................................................ 39
Hình 3.12. Lưu đồ thuật toán IC ................................................................. 41
Hình 4.1. Cấu hình của mảng PV cần mô phỏng ....................................... 44
Hình 4.2. Một module gồm 4  6 cell ........................................................ 45

Hình 4.3. Đặc tính V-I của module RTL-CS 90 ........................................ 46
Hình 4.4. Đặc tính V-P của module RTL-CS 90 ....................................... 46
Hình 4.5. Sơ đồ mô phỏng cho một array pin quang điện ......................... 47
Hình 4.6. Array pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm ................. 48
Hình 4.7. Đặc tuyến V-I của array pin quang điện trong trường hợp
không bị bóng râm ...................................................................................... 49
Hình 4.8. Đặc tuyến V-P của array pin quang điện trong trường hợp
không bị bóng râm ...................................................................................... 50
Hình 4.9. Công suất thu được của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ
qua hiện tượng bóng râm ............................................................................ 50
Hình 4.10. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện trong trường hợp bỏ qua
hiện tượng bóng râm ................................................................................... 51
Hình 4.11. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện trong
trường hợp bỏ qua hiện tượng bóng râm .................................................... 51
Hình 4.12. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 19 .................... 52
Hình 4.13. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ........ 52
Hình 4.14. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 1 ....... 53
Hình 4.15. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ........ 53
Hình 4.16. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ............... 54


6v

Hình 4.17. Cường độ dòng điện của hệ pin quang điện, trường hợp 1 ...... 54
Hình 4.18. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 13, 19 và 20 .... 55
Hình 4.19. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ........ 55
Hình 4.20. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 2 ....... 56
Hình 4.21. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ........ 56
Hình 4.22. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 2 ............... 57
Hình 4.23. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường

hợp 2 ........................................................................................................... 57
Hình 4.24. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 7, 13, 14, 19, 20
và 21 ........................................................................................................... 58
Hình 4.25. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 ........ 58
Hình 4.26. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 3 ....... 59
Hình 4.27. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ........ 59
Hình 4.28. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 3 ............... 60
Hình 4.29. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường
hợp 3 ........................................................................................................... 60
Hình 4.30. Array pin quang điện bị bóng râm tại Module 1, 7, 8, 13, 14,
15, 19, 20, 21 và 22 .................................................................................... 61
Hình 4.31. Đặc tuyến V-I xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 ........ 61
Hình 4.32. Đặc tuyến V-P xét đến hiệu ứng bóng râm, trường hợp 4 ....... 62
Hình 4.33. Công suất thu được của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ........ 62
Hình 4.34. Điện áp ngõ ra của hệ pin quang điện, trường hợp 4 ............... 63
Hình 4.35. Cường độ dòng điện ngõ ra của hệ pin quang điện, trường
hợp 4 ........................................................................................................... 63


1

Chương 1
Giới thiệu chung
1.1. Giới thiệu
Ngành điện Việt Nam và thế giới hiện đang gặp phải những khó khăn
như: nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh; sự khan hiếm của các nguồn
nhiên liệu hóa thạch; sức ép phải giảm thải khí CO2 do ảnh hưởng đến môi
trường. Điều này đã thúc đẩy chúng ta nỗ lực tìm nguồn năng lượng khác thay
thế bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.
Với vị trí địa lý ở gần xích đạo, Việt Nam có số giờ có nắng trung bình

2.000 giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng
lượng tái tạo có thể đạt 4,08-5,15 kWh/m2/ngày. Điều đó chứng tỏ điều kiện tự
nhiên của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng năng lượng tái
tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Bên cạnh đó, năng lượng mặt
trời là loại năng lượng có độ tin cậy cao, có thể dự đoán được và đặc biệt là có
năng suất rất cao vào những giờ cao điểm về tiêu thụ điện.
Các nguồn năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói
riêng ngày càng có tầm quan trọng hơn. Tuy nhiên, do đặc thù riêng trong việc
áp dụng nên phần lớn các công nghệ năng lượng mặt trời vẫn còn có giá khá
cao và vẫn cần các biện pháp trợ giá để thúc đẩy phát triển trong tương lai.
Điều này thôi thúc các nhà nghiên cứu không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu
quả sử dụng nguồn năng lượng này. Giải pháp “Điều khiển bám điểm công suất
cực đại của hệ pin quang điện mặt trời có xét đến hiệu ứng bóng râm” cũng
không nằm ngoài mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa
trong mọi điều kiện môi trường.
1.2. Mục tiêu nghiên cứu
Hiệu suất của một mảng pin quang điện mặt trời (PV - photovoltaic) bị
ảnh hưởng bởi nhiệt độ, độ bức xạ, bóng râm, và cấu hình mảng PV. Thông
thường, các mảng PV nhận được bao trùm trong bóng tối hoàn toàn hoặc một


2

phần, bởi những đám mây trôi qua, các tòa nhà lân cận, cây cối, cột điện...
Trong điều kiện bóng râm, đường đặc tính P-V có được phức tạp hơn với nhiều
đỉnh. Điều này làm cho việc theo dõi các điểm công suất cực đại (MPP maximum power point) thực tế là một nhiệm vụ khó khăn.
Những hạn chế cố hữu chung của các hệ thống gió và quang điện là tính
chất không liên tục của chúng mà làm cho chúng có hiệu suất thấp. Để nâng
cao hiệu suất và độ tin cậy cho hệ PV, nhiều kỹ thuật MPPT (Maximum Power
Point Tracking) được nhiều người nghiên cứu, phổ biến nhất là thuật toán P&O

(perturb and observe). Tuy nhiên, thuật toán này vẫn còn nhiều hạn chế như tốc
độ xử lý chậm và thiếu chính xác khi có hiệu ứng bóng râm.
Luận văn này giới thiệu thuật toán PSO như là một kỹ thuật MPPT tiên
tiến để khắc phục các hạn chế của thuật toán P&O. Đây là một hệ thống điều
khiển để bám điểm cực đại công suất toàn cục, ngay cả dưới điều kiện không
đồng nhất của các tế bào pin mặt trời hay khi điều kiện môi trường thay đổi
như tấm PV bị che một phần.
1.3. Phạm vi nghiên cứu
- Đối tượng nghiên cứu của đề tài là một hệ thống pin quang điện mặt
trời, một mảng gồm nhiều mô-đun với mỗi mô-đun có nhiều tế bào pin mặt
trời kết nối với nhau theo một cấu hình cụ thể.
- Phạm vi nghiên cứu của đề tài là tìm điểm công suất cực đại toàn cục
(GMPP) của hệ thống quang điện này bằng kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán
PSO.
1.4. Nội dung nghiên cứu
- Trong điều kiện module quang điện không có bóng râm, khảo sát
đường cong đặc tính I-V, tìm công suất cực đại của hệ PV.
- Trong điều kiện module quang điện bị che một phần, khảo sát ảnh
hưởng hiệu ứng bóng râm đến đặc tính I-V và điểm công suất cực đại toàn cục
của hệ thống PV.


3

- Trình bày kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán PSO và so sánh với thuật
toán P&O cổ điển trong trường hợp có hiệu ứng bóng râm.
- Dựa trên giá trị GMPP vừa tìm được, khảo sát hệ thống PV làm việc
với giá trị này để cung cấp nguồn cho một tải DC.
1.5. Ý nghĩa của đề tài
Hiện nay có nhiều đề tại nghiên cứu về kỹ thuật MPPT cho hệ thống pin

quang điện mặt trời. Thuật toán PSO gần đây được một số học giả nghiên cứu
với nhiều cách tiếp cận khác nhau. Đề tài này cũng nghiên cứu kỹ thuật MPPT
dựa trên thuật toán PSO nhưng theo một cách tiếp cận riêng nhằm cải thiện kỹ
thuật MPPT hiện đang sử dụng. Nói cách khác, đề tài được nghiên cứu nhằm
đem lại sự tối ưu trong hướng giải quyết vấn đề về hệ thống quang điện nói
riêng và các bài toán tối ưu nói chung.
Giải quyết bài toán năng lượng và bài toán môi trường hiện nay càng lúc
càng cấp bách mà trong đó năng lượng mặt trời (năng lượng tái tạo nói chung)
là hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi chúng ta phải hiệu quả
trong cách khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Đề tài được nghiên cứu
nhằm mục đích đem đến sự hiệu quả cao nhất trong cách khai thác và sử dụng
nhằm góp phần thúc đẩy sự phát triển của công nghệ xanh này
1.6. Tổng quan tình hình nghiên cứu
Bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại đã được giới thiệu và
các 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) [1] - [4], thuật toán gia tăng độ dẫn (Incremental Conductance algorithm,
IC) [1] - [5], mạng nơ-rôn nhân tạo [6], logic mờ [7], 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.
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


4

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 [8].
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
[9].
M. A. Younis, T. Khatib, M. Najeeb và A. M. Ariffin [10] 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
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

5

P&O và đồng thời, hiệu suất bám trung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán
P&O một cách đáng kể.
B. Das, A. Jamatia, A. Chakraborti, P. R. Kasari và M. Bhowmik [11]
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.
Với mục tiêu xét các yếu tố ảnh hưởng đến hoạt động của pin quang
điện như sự thay đổi của các điều kiện nhiệt độ, bức xạ mặt trời hoặc đặc biệt
là hiện tưởng bóng râm. Một hiện tượng mà pin quang điện bị che khuất bởi
một đám mây thoáng qua, một tòa nhà cao tầng, . . . , các mô phỏng và thực
nghiệm cho hệ thống pin quang điện dưới điều kiện bóng râm đã được thực
hiện [12]-[14].
1.7. Bố cục của luận văn
Bố cục của luận văn gồm 5 chương:
+ Chương 1: Giới thiệu chung
+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết pin quang điện
+ Chương 3: Nghiên cứu giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
+ Chương 4: Mô phỏng giải thuật tìm điểm công suất cực đại của hệ
thống pin quang điện có xét đến hiệu ứng bóng râm
+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai


6

Chương 2
Cơ sở lý thuyết pin quang điện
2.1. Giới thiệu
Những thách thức trong việc đảm bảo nguồn năng lượng cần thiết sau
khi sự suy giảm của năng lượng không tái sinh trên toàn cầu hiện tại đã được
giải quyết trong những năm gần đây với sự phát triển các nguồn năng lượng tái
tạo như năng lượng mặt trời và gió. Đây là một bước quan trọng trong việc đảm
bảo vấn đề cung cấp năng lượng không tái sinh trong tương lai. Để có cài nhìn
tổng quan về các công trình nghiên cứu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo nói
chung và việc tối ưu hóa trong việc sử dụng năng lượng mặt trời nói riêng,
chúng tôi giới thiệu sơ lược về một số thành tựu như sau:
- Các tế bào pin quang điện đầu tiên đã được sản xuất trong những năm
1950, và trong suốt những năm 1960, chủ yếu được sử dụng để cung cấp năng
lượng cho các vệ tinh xoay quanh trái đất . Trong những năm 1970, cuộc khủng
hoảng năng lượng đã thúc đẩy những cải tiến trong sản xuất, hiệu quả và chất
lượng của các module PV đã giúp giảm đáng kể chi phí. Ngày nay, sản xuất
của ngành công nghiệp của các module PV đang tăng trưởng khoảng 25% mỗi
năm. Các chương trình lớn ở Mỹ, Nhật Bản và châu Âu đang nhanh chóng đẩy
nhanh tiến độ thực hiện của các hệ thống PV trên các tòa nhà và kết nối với
lưới điện quốc gia.
- Vào đầu những năm 2000, người ta xây dựng thành công mô hình
động, trong đó có xét đến nhiều ảnh hưởng của các yếu tố môi trường cho hệ
thống năng lượng mặt trời. Người ta bắt đầu mô phỏng dựa trên các mô hình và
không ngừng hoàn thiện nó. Ví dụ, trong Matlab Simulnik, người ta thành lập
các mô hình từ các bộ blockset toán học. Đến năm 2009, lần đầu tiên các mô
hình này được Matlab tích hợp vào bộ blockset Simscape làm cho việc mô
phỏng dễ dàng hơn.
- Vào năm 2005, người ta phát triển thuật toán P&O, nhằm tối ưu hóa
công suất của hệ PV dưới tác động của môi trường. Sau đó, các kỹ thuật MPPT

7

khác ra đời nhằm cải thiện thuật toán này như P&O hai bước, P&O hai bước
cải tiến kết nối lưới điện vào năm 2009.
- Những năm sau đó với sự pháp triển của trí tuệ nhân tạo, người ta phát
triển các kỹ thuật MPPT dựa trên lý thuyết mờ, thuật toán di truyền,... Một số
tác giả đã tổng hợp và so sánh các kỹ thuật MPPT.
- Gần đây, thuật toán tối ưu hóa PSO phát triển, người ta đang có xu
hướng phát triển kỹ thuật MPPT dựa trên thuật toán này.
2.2. Hệ thống pin quang điện
Hình 2.1 cho thấy sự khác biệt giữa một tế bào năng lượng mặt trời
(cell), mô-đun (module) và mảng (array). Hình này cho thấy một mô-đun được
tạo thành từ một số tế bào và một mảng được tạo thành từ một số mô-đun.

Hình 2.1. Cấu trúc một mảng PV
- Năng lượng mặt trời đã trở nên quan trọng trên toàn cầu trong những
năm gần đây do khủng hoảng năng lượng toàn cầu thế giới phải đối mặt.
- Các tấm năng lượng mặt trời sử dụng năng lượng ánh sáng từ mặt trời
để tạo ra điện thông qua hiệu ứng quang điện.
- Quang điện là một phương pháp tạo ra điện bằng cách chuyển đổi bức
xạ mặt trời thành điện một chiều (DC), sử dụng chất bán dẫn có biểu hiện hiệu
ứng quang điện.


8

- Năng lượng mặt trời được xem là nguồn năng lượng đáng tin cậy vì dễ
dàng dự đoán được bao nhiêu năng lượng có thể được sản xuất với các tấm pin

mặt trời. Các nước gần xích đạo có tiềm năng năng lượng này lớn hơn nhiều do
mức nhiệt độ và bức xạ lớn hơn so với các nước xa đường xích đạo. Hình 2.2
cho thấy bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu và hình 2.3 cho thấy nhiệt độ
trung bình toàn cầu. Những hình này cho thấy tiềm năng năng lượng mặt trời là
lớn nhất ở lân cận của đường xích đạo do mức độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ
cao nhất trong các khu vực này. Hình 2.4 cho thấy lượng ánh sáng mặt trời
chiếu trung bình hàng tháng ở mỗi nơi mỗi khác nhau. Ví dụ, số giờ nắng tại
Tp.Hồ Chí Minh cực đại vào tháng 4 và tháng 9 hàng năm (khoảng 150
giờ/tháng). Trong khi ở Huế, giờ nắng cực đại vào tháng 5 và tháng 7 ( lớn hơn
200 giờ/tháng).

Hình 2.2. Bản đồ bức xạ mặt trời trung bình toàn cầu

Hình 2.3. Bản đồ nhiệt độ trung bình toàn cầu


9

a) Số giờ nắng trung bình hàng tháng tại Tp. Hồ Chí Minh, Việt Nam

b) Số giờ nắng trung bình hàng tháng tại Huế, Việt Nam
Hình 2.4. Số giờ nắng trung bình tại các một vài thành phố của Việt Nam

Hình 2.5. Tỉ lệ tổn thất công suất theo góc lệch


10

- Năng lượng mặt trời không phát ra bất kỳ khí nhà kính nào khi hoạt
động, không giống như các nguồn năng lượng thông thường khác, tức là nhiên

liệu hóa thạch.
- Các ứng theo dõi và hiệu chỉnh (tracking) năng lượng mặt trời được sử
dụng rộng rãi để cực đại hóa góc tới giữa ánh sáng mặt trời và các tấm PV. Góc
độ này luôn được giữ như gần như vuông góc. Hình 2.5 cho tổn thất công suất
theo góc lệch so với phương vuông góc với tia tới.
- Với những tiến bộ trong công nghệ và việc mở rộng quy mô sản xuất
đã làm chi phí của năng lượng mặt trời đã giảm dần kể so với khi các tế bào
năng lượng mặt trời lần đầu được sản xuất.
- Hiệu suất của tế bào năng lượng mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố
như nhiệt độ của mặt trời, mức độ cách nhiệt, đặc tính phổ của ánh sáng mặt
trời, Hình 2.6, bụi nằm trên các module năng lượng mặt trời và các hiệu ứng
bóng râm.

Hình 2.6. Phổ bức xạ của mặt trời đến trái đất


11

- Hình 2.6 phần diện tích bên dưới đường cong (màu nhạt) tương ứng
đặc tính phổ ở trên đỉnh bầu khí quyển, phần diện tích màu sậm tương ứng đặc
tính phổ trên bề mặt trái đất ở độ cao mực nước biển. Trái đất được xem như
một “backbody” đối với phổ bức xạ mặt trời, phổ ánh sáng chỉ phù thuộc vào
nhiệt độ. Ta nhận thấy khi ánh sáng mặt trời đi qua bầu khí quyển đến trái đất,
vùng ánh sáng tử ngoại bị hấp thu gần hết. Khi đến bề mặt trái đất ở độ cao
mực nước biển, còn lại 40% năng lượng tập trung ở vùng khả kiến, 50% năng
lượng ở vùng hồng ngoại và chỉ 10% năng lượng ở vùng tử ngoại.
2.2.1. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện
Tế bào quang điện hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện do nhà bác
học Heinrich Hertz phát hiện vào năm 1887. Hiệu ứng quang điện là một hiện
tượng trong đó năng lượng mặt trời được chuyển trực tiếp thành năng lượng

điện thông qua việc sử dụng các tế bào năng lượng mặt trời.
Một tế bào pin quang điện điển hình (PV) có cấu tạo gồm một tấm bán
dẫn mỏng chứa một lớp tạp chất Phốt pho - Silic siêu mỏng (loại N) ở phía trên
của một lớp dày của tạp chất Bo – Silic (loại P). Một điện trường được tạo ra
gần bề mặt của các tế bào, nơi hai vật liệu này tiếp xúc, được gọi là tiếp giáp PN. Khi ánh sáng mặt trời chiếu tới bề mặt của một tế bào quang điện, điện
trường này cung cấp động lượng và định hướng cho các electron ánh sáng được
kích thích, làm sinh ra một dòng điện khi các tế bào năng lượng mặt trời được
kết nối với một tải điện.

Hình 2.7. Nguyên lý hoạt động của tế bào quang điện


12

Một tế bào quang điện điển hình tạo ra khoảng 0,5 - 0,6 volt DC dưới
điều kiện hở mạch và không tải mà không phụ thuộc vào kích thước (diện tích
bề mặt) của nó. Dòng điện (và công suất) đầu ra của một tế bào PV phụ thuộc
vào hiệu suất và kích thước của nó, và tỷ lệ thuận với cường độ của ánh sáng
mặt trời chiếu trên bề mặt của tế bào. Ví dụ, trong điều kiện ánh sáng mặt trời
cực đại, một tế bào PV thương mại điển hình với diện tích bề mặt 160 cm2 sẽ
sinh ra khoảng 2 watt công suất đỉnh. Nếu cường độ ánh sáng mặt trời là 40%
cường độ ánh sáng cực đại, tế bào này sẽ sinh ra khoảng 0,8 watt. Cả hai dòng
điện và điện áp đều phụ thuộc vào điện trở của mạch được kết nối.
2.2.2. Ảnh hưởng của độ bức xạ và nhiệt độ lên tấm quang điện
Hình 2.8 và 2.9 mô phỏng cho module BP-MSX-120 [16] cho thấy, với
0

nhiệt độ không đổi (25 C), mức độ bức xạ càng lớn thì dòng điện sinh ra càng
cao còn điện áp thay đổi không đáng kể, dẫn đến công suất điện thu được càng
lớn.

Hình 2.8. Ảnh hưởng của điện áp và dòng điện theo độ bức xạ