Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới

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

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

LƯƠNG HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016


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

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

LƯƠNG HOÀNG NAM
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG
SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. HUỲNH CHÂU DUY

TP. Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2016

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH
TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.
HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: 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 25 tháng 9 năm 2016
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
T
1 T
S.
2 P
G
3 G
S.
4 P
G
5 T
S.

C

h
P
bi
P
bi
Ủ
v

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá 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

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp.HCM, ngày

tháng 6 năm 2016.

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: LƯƠNG HOÀNG NAM

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 06/6/1973

Nơi sinh: Tỉnh Đồng Tháp

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV: 14411830042

I- Tên đề tài:
“NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT CHO HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI”
II- Nhiệm vụ và nội dung:
-

Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.

-

Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó.

-

Nghiên cứu thuật toán điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ pin
quang điện.

-

Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.

III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hướng dẫn: TS. HUỲNH CHÂU DUY
CÁN BỘ HUỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

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


i

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

Lương Hoàng Nam


ii

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, xin chân thành cám ơn Thầy TS. HUỲNH CHÂU DUY đã tận
tình hướng dẫn, giúp đỡ và đóng góp những ý kiến quý báu cho quá trình thực

hiện Luận văn này.
Xin cám ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho Tôi các kiến thức quý báu trong
quá trình học tập giúp Tôi đủ năng lực để thực hiện Luận văn này.
Xin cảm ơn tập thể lớp 14SMĐ21 đã động viên và giúp đỡ Tôi trong quá
trình thực hiện Luận văn này.
Cuối cùng, xin cám ơn Trường Đại học Công nghệ Tp. HCM; Khoa Cơ Điện - Điện tử; Phòng Quản lý Khoa học - Đào tạo sau Đại học và Cơ quan nơi
Tôi đang công tác đã tạo các điều kiện tốt nhất cho tôi thực hiện Luận văn này.
Lương Hoàng Nam


3

TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu điều khiển tối
ưu công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” 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 điện mặt trời và pin quang điện
- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới
- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một
hệ thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


4

ABSTRACT
The thesis presents issues relating to "Maximum power point tracking

control of a grid-connected solar energy systems" that includes the following
contents:
- Chapter 1: Introduction
- Chapter 2: Literature review of the exploitation and utilization of the solar
energy source and photovoltaic cell
- Chapter 3: Photovoltaic cell and grid-connected solar photovoltaic system
- Chapter 4: Algorithms for maximum power point tracking
- Chapter 5: Simulation results of a grid-connected solar energy system
with maximum power point tracking
- Chapter 6: Conclusions and future works


5

MỤC LỤC
LỜI CAM ÐOAN ................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ........................................................................................................ ii
TÓM TẮT ............................................................................................................. iii
ABSTRACT .......................................................................................................... iv
MỤC LỤC.............................................................................................................. v
DANH SÁCH HÌNH VẼ .................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG ......................................................................................... xiii
CHƯƠNG 1 - GIỚI THIỆU CHUNG ................................................................ 1
1.1. Giới thiệu......................................................................................................... 1
1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu.................................................................... 2
1.3. Tính cấp thiết của đề tài .................................................................................. 2
1.4. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................... 2
1.5. Ý nghĩa của đề tài............................................................................................ 3
1.5.1. Ý nghĩa khoa học ......................................................................................... 3
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn .......................................................................................... 3

1.6. Phương pháp nghiên cứu ................................................................................ 4
1.7. Bố cục của luận văn ....................................................................................... 4
CHƯƠNG 2 - TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI
THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ PIN QUANG
ĐIỆN ..................................................................................................................... 5
2.1. Cấu trúc mặt trời ............................................................................................ 5
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời ............................................................... 7
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ........................................................... 8
2.4. Bức xạ mặt trời ............................................................................................. 10
2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời ..................................................................... 14
2.5.1. Pin mặt trời ................................................................................................ 15
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ..................................... 16
2.5.3. Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ...................................... 17
2.5.4. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ................................... 18


6

2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng năng lượng mặt trời .......... 19
2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ................................ 20
2.7. Tổng quan tình hình nghiên cứu .................................................................. 24
CHƯƠNG 3 - PIN QUANG ĐIỆN VÀ HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN
KẾT NỐI LƯỚI ................................................................................................. 28
3.1. Giới thiệu....................................................................................................... 28
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV .................................................................... 30
3.3. Sơ đồ thay thế của PV có xét đến các tổn hao .............................................. 32
3.4. Module PV .................................................................................................... 32
3.5. Mảng PV ....................................................................................................... 34
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module PV.................................................................... 34
3.5.2. Nối song song nhiều module PV................................................................ 34

3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module PV................................................................... 35
3.6. Các ảnh hưởng đến PV.................................................................................. 35
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ......................................................... 35
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ ............................................................................. 36
3.6.3. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm ........................................................ 37
3.7. Các hệ thống PV ứng dụng ........................................................................... 41
3.7.1. Hệ thống PV độc lập .................................................................................. 41
3.7.2. Hệ thống PV kết nối lưới ........................................................................... 41
3.8. Cấu hình DC/DC - DC/AC ........................................................................... 47
3.8.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................... 47
3.8.2. Bộ biến đổi DC/AC .................................................................................... 51
CHƯƠNG 4 - THUẬT TOÁN BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI ......... 61
4.1. Giới thiệu....................................................................................................... 61
4.2. Thuật toán P&O (Perturbation & Observation) ............................................ 62
4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) ................... 66
4.4. Thuật toán điện áp hằng số............................................................................ 68
4.5. Phương pháp điều khiển MPPT .................................................................... 70
4.5.1. Phương pháp điều khiển PI ........................................................................ 70
4.5.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp .............................................................. 71


vii
4.5.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra ........................................ 73
4.6. Đề xuất thuật toán bám điểm công suất cực đại ........................................... 74
CHƯƠNG 5- MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI ƯU CÔNG SUẤT VÀ KẾT
NỐI LƯỚI CỦA MỘT HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .. 76
5.1. Giới thiệu....................................................................................................... 76
5.2. Mô phỏng pin quang điện ............................................................................. 77
5.3. Khối DC/DC MPPT ...................................................................................... 81
5.4. Kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ

không đổi .............................................................................................................. 81
5.4.1. Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ............................ 81
5.4.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 85
5.4.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 87
5.5. Kết quả mô phỏng tương ứng 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 ......................... 90
5.5.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 250C ......................... 93
5.5.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 300C ......................... 95
2

0

5.5.4. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C .......................... 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


8

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ............................................................................ 5
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời ................................................... 8
Hình 2.3. Quỹ đạo trái đất .................................................................................... 9
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời .............................................................................. 9
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ............................................................................... 10
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ................................................................................ 11
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của

trái đất................................................................................................. 13
Hình 2.8. Hệ thống pin mặt trời .......................................................................... 15
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời ........................................................................ 16
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 17
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời...................................... 17
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ................ 19
Hình 2.13. Hệ thống máy lạnh dùng năng lượng mặt trời ................................. 20
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 PV ................................................................................................ 29
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của PV ................................................................... 30
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của PV.......................................................... 30
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của PV: dòng điện ngắn mạch, Isc và điện áp
hở mạch, Voc ..................................................................................... 31
Hình 3.6. Mô hình thay thế PV có xét đến các tổn hao ...................................... 32
Hình 3.7. Đặc tính PV có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp ........................ 32
Hình 3.8. Module PV .......................................................................................... 33
Hình 3.9. Đặc tính của module PV ..................................................................... 33
Hình 3.10. Các module PV được kết hợp nối tiếp với nhau............................... 34
Hình 3.11. Các module PV được kết hợp song song với nhau.......................... 34
Hình 3.12. Các module PV được kết hợp hỗn hợp với nhau.............................. 35


9

Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của PV với các cường độ chiếu sáng khác nhau và
nhiệt độ PV không đổi, 250C ............................................................. 36
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của PV với các nhiệt độ khác nhau và cường độ chiếu
sáng không đổi 1 kW/m2 ................................................................... 36
Hình 3.15. Module PV với n PV trong trường hợp module không bị che khuất 37

Hình 3.16. Module PV với n PV trong trường hợp module bị che khuất một
phần .................................................................................................... 37
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module PV ............... 38
Hình 3.18. Module PV với nhiều PV bị che khuất ............................................. 39
Hình 3.19. Module PV sử dụng diode bypass .................................................... 39
Hình 3.20. Đặc tính của PV trong trường hợp sử dụng diode bypass ................ 40
Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass40
Hình 3.22. Hệ thống PV kết nối lưới .................................................................. 41
Hình 3.23. Hệ thống PV độc lập ......................................................................... 43
Hình 3.24. Hệ thống PV kết hợp ........................................................................ 44
Hình 3.25. Sơ đồ pha của hệ PV kết nối với lưới điện ...................................... 44
Hình 3.26. Hệ PV kết nối lưới điện đơn giản ..................................................... 45
Hình 3.27. Sơ đồ khối mô tả hệ PV kết nối lưới ................................................ 46
Hình 3.28. Kiểu máy biến áp tần số thấp và cao ................................................ 46
Hình 3.29. Kiểu không cách ly bằng máy biến áp.............................................. 47
Hình 3.30. Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển................................. 48
Hình 3.31. Bộ biến đổi Buck-Boost.................................................................... 48
Hình 3.32. Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm ............................ 50
Hình 3.33. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới ....................................................... 51
Hình 3.34. Bộ điều khiển nghịch lưu 3 pha hòa lưới.......................................... 52
Hình 3.35. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL ........................................................ 53
Hình 3.36. Tín hiệu ngõ ra VCO ........................................................................ 54
Hình 3.37. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha .......................................................... 55
Hình 3.38. Hệ trục tọa độ  .............................................................................. 56
Hình 3.39. Hệ trục tọa độ dq............................................................................... 58
Hình 3.40. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ........................ 59


10

Hình 4.1. Quan hệ điện áp và dòng điện của PV ................................................ 61
Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất .......... 62
Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O....................................................................... 64
Hình 4.4. Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ ...................................... 65
Hình 4.5. Thuật toán InC .................................................................................... 66
Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC ......................................................................... 68
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi .................................................. 69
Hình 4.8. Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI ........... 70
Hình 4.9. Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .................. 71
Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D .................. 73
Hình 5.1. Sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công suất cực đại
và nối lưới .......................................................................................... 76
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời bám điểm công
suất cực đại và nối lưới ...................................................................... 77
Hình 5.3. Hệ pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) ................................. 78
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................................................................. 78
Hình 5.5. Lưới 3 pha điện áp 220 V và tần số 50 Hz ......................................... 79
Hình 5.6. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 250C ........................ 80
Hình 5.7. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 1 kW/m2; 0,8
0

kW/m2 và 0,6 kW/m2 và nhiệt độ môi trường 25 C ......................... 80
Hình 5.8. Bộ biến đổi DC/DC và bám điểm công suất cực đại (MPPT)............ 81
Hình 5.9. Điện áp, Vdc ....................................................................................... 82
Hình 5.10. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ......... 82

Hình 5.11. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C .............................. 83
Hình 5.12. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 1 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C .............................. 84


11

Hình 5.13. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ...... 85
Hình 5.14. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 85
Hình 5.15. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 86
Hình 5.16. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ...... 87
Hình 5.17. Công suất của hệ PV sử dụng thuật toán P&O và P&O thích nghi
với G thay đổi bậc thang .................................................................... 88

Hình 5.18. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,6 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 88
Hình 5.19. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m2 và
0

nhiệt độ môi trường 15 C................................................................... 90
Hình 5.20. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 15 C ..... 90
Hình 5.21. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 15 C .......................... 91
Hình 5.22. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 15 C .......................... 92
Hình 5.23. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ...... 93
Hình 5.24. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 93
Hình 5.25. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 25 C ........................... 94
2

Hình 5.26. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m và
0

nhiệt độ môi trường 30 C................................................................... 95
Hình 5.27. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m2 và nhiệt độ, T = 30 C ...... 95


xii
Hình 5.28. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
2

0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30 C ............................ 96
Hình 5.29. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
2

0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30 C ............................ 97
2

Hình 5.30. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ 0,8 kW/m và

0

nhiệt độ môi trường 35 C................................................................... 98
Hình 5.31. Cường độ dòng điện của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương
2

0

ứng với điều kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C....... 98
Hình 5.32. Điện áp của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
2

0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C ............................ 99
Hình 5.33. Công suất của hệ thống điện năng lượng mặt trời tương ứng với điều
2

0

kiện bức xạ G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C .......................... 100


xiii

DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng ................................ 8
Bảng 2.2. Bảng thống kê góc  của ngày 21 mỗi tháng ....................................... 9
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam .................................... 21
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm

IV........................................................................................................ 29
Bảng 4.1. Bảng tóm tắt thuật toán leo đồi P&O ................................................. 63
Bảng 5.1. Thông số của 01 PV và hệ với 10 PV ................................................ 78
Bảng 5.2. So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện bức xạ thay
0

đổi, G = 1; 0,8 và 0,6 kW/m2; nhiệt độ, T = 25 C không thay đổi.... 89
Bảng 5.3. So sánh các kết quả mô phỏng tương ứng với điều kiện nhiệt độ thay
0

đổi khác nhau, T = 15; 25; 30 và 35 C; và bức xạ, G = 0,8 kW/m2
không thay đổi ................................................................................. 101


1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG
1.1. Giới thiệu
Ngành năng lượng điện của 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 các nỗ lực tìm kiếm nguồn năng lượng khác thay thế
bên cạnh việc sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả.
Việt Nam có vị trí địa lý nằm gần xích đạo, có số giờ nắng trung bình 2.000
giờ/năm ở hầu hết các tỉnh. Tại các khu vực đô thị lớn, tiềm năng năng lượng mặt
2

trời có thể đạt 4,08 - 5,15 kWh/m /ngày. Điều này chứng tỏ rằng điều kiện tự nhiên
của Việt Nam rất thuận lợi cho sự phát triển và sử dụng các năng lượng tái tạo nói
chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Ngoài ra, có thể nhận thấy rằng năng lượng

mặt trời là một trong những nguồn 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 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 khoa
học không ngừng tìm tòi để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng này.
Bên cạnh đó, việc kết nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời cũng là một
trong các giải pháp được xem xét cho bài toán lưu trữ năng lượng điện mặt trời mà
đang phải gánh chịu các chỉ trích mạnh mẽ liên quan đến ô nhiễm môi trường khi
con người sử dụng các phương án lưu trữ thông qua ắc-quy.
Với các phân tích trên, cho thấy rằng giải pháp “Nghiên cứu điều khiển tối ưu
công suất cho hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới” cũng không nằm ngoài
mục tiêu chung đó, nhằm cung cấp công suất điện tối đa trong mọi điều kiện môi
trường và đặc biệt hơn là hệ thống điện năng lượng mặt trời này sẽ được nối lưới.


2

1.2. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất cho hệ thống điện năng
lượng mặt trời nối lưới” sẽ được thực hiện với các mục tiêu và nội dung như sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời trên thế
giới và tại Việt Nam.
- Nghiên cứu pin quang điện và các đặc tính V-I và V-P của nó.
- Nghiên cứu thuật toán điều khiển tối ưu công suất một hệ thống điện năng
lượng mặt trời thông qua PV.
- Nghiên cứu nối lưới hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.3. Tính cấp thiết của đề tài
Ngày nay, nguồn điện để phát triển kinh tế xã hội tại Việt Nam phụ thuộc rất

lớn vào nguồn nhiệu liệu hóa thạch và khí chiếm 53,61%, và nguồn thủy điện chiếm
46,08%. Tuy nhiên, nguồn điện sử dụng từ nguồn nhiên liệu hóa thạch và khí ngày
càng cạn kiệt, giá thành cao; đối với nguồn thủy điện thì có diễn biến rất thất
thường do biến đổi khí hậu toàn cầu. Từ đó, năng lượng tái tạo nổi lên như một
nguồn năng lượng thay thế tất yếu trong hiện tại và tương lai.
Nhận thức được tầm quan trọng, lợi thế và lợi ích của các nguồn năng lượng
tái tạo trước nhu cầu tiêu thụ điện ngày càng tăng phục vụ phát triển kinh tế, theo
dự báo tăng trưởng điện thương phẩm tại Việt Nam bình quân từ 10,5 - 11%, gần
đây Chính phủ Việt Nam đã xem xét việc nghiên cứu, khảo sát, khuyến khích phát
triển năng lượng mới và năng lượng tái tạo.
1.4. Đối tượng và 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 của hệ thống điện
năng lượng mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau sao cho có thể


3

tối ưu hóa năng lượng thu được. Đồng thời, hệ thống điện năng lượng mặt trời này
sẽ được nghiên cứu để kết nối với lưới điện.

1.5. Ý nghĩa của đề tài
1.5.1. Ý nghĩa khoa học
Hiện nay, có nhiều đề tài nghiên cứu về kỹ thuật điều khiển bám điểm công
suất cực đại (MPPT) cho hệ thống pin quang điện mặt trời. Trên cơ sở đó, các thuật
toán tìm kiếm điểm công suất cực đại lần lượt được đề xuất như thuật toán P&O
(Perturbation and Observation), thuật toán InC (Incremental Conductance), thuật
toán dựa trên kỹ thuật logic mờ, thuật toán dựa trên mạng nơ-rôn, ...

Đề tài khai thác ưu điểm của các thuật toán trên đề xuất một thuật toán bám
điểm công suất cực đại theo một cách tiếp cận cải tiến nhằm nâng cao hiệu quả bám
điểm công suất cực đại so với các thuật toán khác đang sử dụng.
1.5.2. Ý nghĩa thực tiễn
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 nói riêng và năng lượng tái tạo nói chung
là một hướng đi đúng đắn. Hơn nữa, công việc luôn đòi hỏi phải nâng cao 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.
Đồng thời, giải pháp kết nối hệ thống điện năng lượng mặt trời với lưới điện
cũng góp phần chia sẻ gánh nặng về khả năng cung cấp điện của các nguồn điện
truyền thống mà hoàn toán phù hợp với Quyết định số 2068/QĐ-TTg của Thủ tướng
chính phủ về phê duyệt chiến lược phát triển năng lượng tái tạo của Việt Nam đến
năm 2030, tầm nhìn đến năm 2050, trong đó liên quan trực tiếp đến định hướng
phát triển nguồn năng lượng mặt trời để cung cấp điện cho hệ thống điện quốc gia
và khu vực biên giới, hải đảo, vùng sâu, vùng xa chưa thể cấp điện từ nguồn điện
lưới quốc gia [1].


4

1.6. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu các tài liệu về điều khiển tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống
điện năng lượng mặt trời của Việt Nam và các nước trên thế giới.
Phân tích, tổng hợp và đề xuất các thuật toán điều khiển tối ưu và kết nối lưới
của một hệ thống điện năng lượng mặt trời.
1.7. 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
điện mặt trời và pin quang điện
- Chương 3: Pin quang điện và hệ thống pin quang điện kết nối lưới
- Chương 4: Thuật toán bám điểm công suất cực đại
- Chương 5: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất và kết nối lưới của một
hệ thống điện năng lượng mặt trời
- Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ
KHAI THÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ
PIN QUANG ĐIỆN
2.1. Cấu trúc mặt trời [2]
6

Mặt trời là một khối khí hình cầu có đường kính 1,390.10 km (lớn hơn 110
6

lần đường kính Trái đất), cách xa trái đất 150.10 km (bằng một đơn vị thiên văn
AU ánh sáng Mặt trời cần khoảng 8 phút để vượt qua khoảng này đến Trái đất).
30

Khối lượng Mặt trời khoảng M0 =2.10
thay đổi trong khoảng từ 10.10
0

6 0

K đến 20.10

kg. Nhiệt độ T0 trung tâm mặt trời

6 0

K, trung bình khoảng 15.600.000

K. Ở nhiệt độ như vậy vật chất không thể giữ được cấu trúc trật tự thông thường

gồm các nguyên tử và phân tử. Nó trở thành plasma trong đó các hạt nhân của
nguyên tử 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
Về cấu trúc, Mặt trời có thể chia làm 4 vùng, tất cả hợp thành một khối cầu khí
khổng lồ, hình 2.1. Vùng giữa gọi là nhân hay “lõi” có những chuyển động đối lưu,
nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân tạo nên nguồn năng lượng mặt trời, vùng


6
3

này có bán kính khoảng 175.000 km, khối lượng riêng 160 kg/dm , nhiệt độ ước
tính từ 14 đến 20 triệu độ, áp suất vào khoảng hàng trăm tỷ atmotphe.
Vùng kế tiếp là vùng trung gian còn gọi là vùng “đổi ngược” qua đó năng
lượng truyền từ trong ra ngoài, vật chất ở vùng này gồm có sắt (Fe), canxi (Ca),
natri (Na), stronti (Sr), crôm (Cr), niken (Ni), cacbon ( C), silic (Si) và các khí như

hiđrô (H2), hêli (He), chiều dày vùng này khoảng 400.000 km. Tiếp theo là vùng
0

“đối lưu” dày 125.000 km và vùng “quang cầu” có nhiệt độ khoảng 6.000 K, dày
1.000 km, ở vùng này gồm các bọt khí sôi sục, có chỗ tạo ra các vết đen, là các hố
0

0

xoáy có nhiệt độ thấp khoảng 4.500 K và các tai lửa có nhiệt độ từ 7.000 K 0

10.000 K.
Vùng ngoài cùng là vùng bất định và gọi là “khí quyển” của Mặt trời. Nhiệt độ
0

bề mặt của Mặt trời là 5.762 K nghĩa là có giá trị đủ lớn để các nguyên tử tồn tại
trong trạng thái kích thích, đồng thời đủ nhỏ để ở đây thỉnh thoảng lại xuất hiện
những nguyên tử bình thường và các cấu trúc phân tử. Dựa trên cơ sở phân tích các
phổ bức xạ và hấp thụ của Mặt trời người ta xác định được rằng trên mặt trời có ít
nhất 2/3 số nguyên tố tìm thấy trên Trái đất. Nguyên tố phổ biến nhất trên Mặt trời
là nguyên tố nhẹ nhất Hydrogen. Vật chất của Mặt trời bao gồm khoảng 73,46% là
Hydrogen và gần 24,85% là Hêlium, còn lại là các nguyên tố và các chất khác như
Oxygen 0,77%, Carbon 0,29%, Iron 0,16%, Neon 0,12%, Nitrogen 0,09%, Silicon
0,07%, Magnesium 0,05% và Sulphur 0,04%.
Nguồn năng lượng bức xạ chủ yếu của Mặt trời là do phản ứng nhiệt hạch tổng
hợp hạt nhân Hyđrô, phản ứng này đưa đến sự tạo thành Hêli. Hạt nhân của Hyđrô
có một hạt mang điện dương là proton. Thông thường những hạt mang điện cùng
dấu đẩy nhau, nhưng ở nhiệt độ đủ cao chuyển động của chúng sẽ nhanh tới mức
chúng có thể tiến gần tới nhau ở một khoảng cách mà ở đó có thể kết hợp với nhau
dưới tác dụng của các lực hút. Khi đó cứ 4 hạt nhân Hyđrô lại tạo ra một hạt nhân

Hêli, 2 Neutrino và một lượng bức xạ.
1

4

4H → He + 2 Neutrino + 
1

2

(2.1)

Neutrino là hạt không mang điện, rất bền và có khả năng đâm xuyên rất lớn.
Sau phản ứng các Neutrino lập tức rời khỏi phạm vi mặt trời và không tham gia vào
các “biến cố” sau đó.


Trong quá trình diễn biến của phản ứng có một lượng vật chất của Mặt trời bị
mất đi. Khối lượng của Mặt trời do đó mỗi giây giảm chừng 4.10

6

tấn, tuy nhiên

theo các nhà nghiên cứu, trạng thái của Mặt trời vẫn không thay đổi trong thời gian
hàng tỷ năm nữa. Mỗi ngày Mặt trời sản xuất một nguồn năng lượng qua phản ứng
24

nhiệt hạch lên đến 9.10 kWh (tức là chưa đầy một phần triệu giây Mặt trời đã giải
phóng ra một lượng năng lượng tương đương với tổng số điện năng sản xuất trong

một năm trên Trái đất).
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời [2]
Trái đất quay quanh mặt trời theo quỹ đạo hình elip, một vòng của trái đất
quay quanh mặt trời là 365,25 ngày. Điểm mà tại đó trái đất gần mặt trời nhất gọi là
điểm cận nhật, xảy ra vào ngày 2 tháng 1 lúc này nó cách mặt trời khoảng 147 triệu
km. Điểm mà tại đó trái đất xa mặt trời nhất xảy ra vào ngày 3 tháng 7, lúc đó nó
cách mặt trời khoảng 152 triệu km.


 360n  93
d  1.5 *108 1  0.017
k

365
sin
m
 

 

(2.2)

Trong đó:
n: Ngày đầu tiên trong tháng, ví dụ như ngày 1 tháng 1 thì n=1, ngày 31 tháng
12 thì n= 365.
Bảng 2.1. Bảng ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng
T M H
h ột ai
án 1 3
2

B
a
6
0

B
ố
n9
1

N
ă
m
1
2

S
á
u1
5

B
ảy
1
8

M M
T C M ườ ư
á hí ườ i ời

m
2 n2 i 2 3 3
1 4 7 0 3

2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa [2]
Chúng ta đều biết mặt trời mọc ở hướng đông và lặn ở hướng tây và đạt điểm
cao nhất của nó vào thời gian giữa trong ngày. Trong hình 2.2 trái đất quay quanh
mặt trời, khó có thể xác định góc của mặt trời so với mặt phẳng trái đất.


Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời
Một quan điểm khác để thuận tiện cho việc xác định, trong hình 2.3 trái đất là
cố định quay quanh trục Bắc-Nam. Mặt trời nằm ở một số nơi trong không gian từ
từ di chuyển lên xuống như tiến độ mùa. Vào ngày 21 tháng 6 (hạ chí) mặt trời đạt
đến điểm cao nhất của nó và một tia kẻ từ trung tâm của trái đất đến trung tâm của
mặt trời tạo thành với mặt phẳng xích đạo một góc bằng 23,45 độ. Góc này thay đổi
khi trái đất di chuyển và được gọi là góc thiên độ, ký hiệu là δ. Nó nằm trong
khoảng từ -23,45 độ đến 23,45 độ. Và một cách tính xấp xỉ gần đúng cho rằng một
năm có 365 ngày và đặt xuân phân vào ngày n = 81, góc δ sẽ được tính:
  23.45 sin 3 60 n  
81



(2.3)

365

Hình 2.3. Quỹ đạo trái đất
Từ công thức (2.3) ta có thể tính được góc δ.

Bảng 2.2. Bảng thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng
T
há
ng
δ
(đ

M H Ba B N S B
ột ai
ốn ă áu ảy
- 0 11 m
2 23 20
20 11
.6 0. .4 .4

T C
á hí
m
11 n 0
.8

M
ư
ời
11

M
ư
ời
2

M
ư
ờ
i23