Nghiên cứu vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới

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

TRẦN NGUYÊN KHOA

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG
PIN QUANG ĐIỆN NỐI LƯỚI

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

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 08 năm 2017


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

TRẦN NGUYÊN KHOA

NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG
PIN QUANG ĐIỆN NỐI LƯỚI

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 08 năm 2017

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
T
1

C
h

2

P
b
P
b

3
4
5

Ủ
v

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: TRẦN NGUYÊN KHOA

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 14/10/1992

Nơi sinh:

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV: 1541830026

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN NỐI
LƯỚI
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng năng lượng điện mặt trời.
- Nghiên cứu các đặc tính của pin quang điện và mô phỏng pin quang điện.
- Nghiên cứu và xây dựng một hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang
điện.
- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện.
- Nghiên cứu vận hành tối ưu và kết nối lưới của một hệ thống điện năng lượng mặt
trời sử dụng 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)


i

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 Nguyên Khoa


ii

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, Em xin chân thành cám ơn Trường Đại học Công nghệ TP. HCM,
Viện đào tạo sau đại học, Khoa Điện - Điện tử 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 15SMĐ21, đồng nghiệp và gia đình đã tạo
điều kiện thuận lợi, giúp đỡ tôi trong quá trình thực hiện Luận văn.

Trần Nguyên Khoa


3

TÓM TẮT
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến “Nghiên cứu vận hành tối ưu
hệ thống pin quang điện nối lưới” mà bao gồm các nội dung như sau:
+ Chương 1: Giới thiệu
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng
mặt trời

+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện nối lưới
+ Chương 4: Vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện
+ Chương 5: Mô phỏng vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai


4

ABSTRACT
This thesis focuses on issues relating to "Optimal operation in a solar
photovoltaic system" that includes the following contents:
+ Chapter 1: Introduction
+ Chapter 2: Literature review of solar energy
+ Chapter 3: Solar photovoltaic system
+ Chapter 4: Optimal operation in a solar photovoltaic system
+ Chapter 5: Simulation results of optimal operation in a solar photovoltaic
system
+ 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 MỤC CÁC BẢNG...................................................................................... viii
DANH MỤC CÁC HÌNH ......................................................................................... ix

Chương

1

.....................................................................................................................1
GIỚI THIỆU ...............................................................................................................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...........................................................3
1.7.2. Tình hình nghiên cứu trong nước ..............................................................5
1.8. Bố cục của luận văn..........................................................................................6
Chương
.....................................................................................................................7

2

TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................................7
2.1. Mặt trời .............................................................................................................7
2.2. Quỹ đạo của trái đất quanh mặt trời .................................................................9
2.3. Góc cao độ của mặt trời vào buổi trưa ...........................................................10
2.4. Bức xạ mặt trời ...............................................................................................12
2.5. Ứng dụng năng lượng mặt trời .......................................................................15
2.5.1. Pin quang điện .........................................................................................16
2.5.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ...................................17

2.5.3. Động cơ St5irling chạy bằng năng lượng mặt trời ..................................18


6

2.5.4. Thiết bị đun nước bằng năng lượng mặt trời ...........................................19
2.5.5. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí sử dụng năng lượng mặt trời...19
2.6. Tình hình khai thác năng lượng mặt trời tại Việt Nam ..................................21
Chương 3 ...................................................................................................................26
Hệ thống pin quang điện nối lưới..............................................................................26
3.1. Giới thiệu ........................................................................................................26
3.2. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện...................................................29
3.3. Sơ đồ thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao .............................30
3.4. Module pin quang điện ...................................................................................31
3.5. Mảng pin quang điện ......................................................................................32
3.5.1. Nối nối tiếp nhiều module pin quang điện ..............................................32
3.5.3. Nối hỗn hợp nhiều module pin quang điện .............................................33
3.6. Các ảnh hưởng đến pin quang điện ................................................................34
3.6.1. Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng ......................................................34
3.6.2. Ảnh hưởng của nhiệt độ...........................................................................35
3.7. Các hệ thống pin quang điện ..........................................................................40
3.7.1. Hệ thống pin quang điện độc lập .............................................................40
3.7.2. Hệ thống pin quang điện nối lưới ............................................................41
3.7.3. Hệ thống pin quang điện kết hợp .............................................................41
3.8. Các đặc điểm của hệ thống pin quang điện nối lưới ......................................42
3.9. Cấu hình DC/DC – DC/AC ............................................................................44
3.9.1. Bộ biến đổi DC/DC .................................................................................44
3.9.2. Bộ biến đổi DC/AC .................................................................................47
3.10. PLL 3 pha .....................................................................................................49
3.10.1. Phase detector ........................................................................................49

3.10.2. VCO .......................................................................................................50
3.10.3. Bộ nghịch lưu 6 khóa.............................................................................56
Chương 4 ...................................................................................................................61
VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN ........................................61
4.1. Giới thiệu ........................................................................................................61
4.2. Hệ thống bám điểm công suất cực đại ...........................................................62


vii
4.3. Thuật toán P&O (Perturb and Observation) ...................................................63
4.4. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InC - Incremental Conductance) ....................67
4.5. Thuật toán điện áp hằng số .............................................................................70
4.6. Thuật toán đề xuất xác định điểm công suất cực đại......................................72
4.7. Phương pháp điều khiển bộ bám điểm công suất cực đại ..............................73
4.7.1. Phương pháp điều khiển PI......................................................................74
4.7.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp ............................................................75
4.7.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra......................................77
Chương 5 ...................................................................................................................78
MÔ PHỎNG VẬN HÀNH TỐI ƯU HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN NỐI LƯỚI
...................................................................................................................................78
5.1. Giới thiệu ........................................................................................................78
5.2. Mô phỏng pin quang điện...............................................................................80
5.3. Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC ........83
5.4. Mô ph4ỏng với điều kiện bức xạ thay đổi và nhiệt độ không đổi..................84
2

0

5.4.1. Điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C ...........................84
2

0

2

0

5.4.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C ........................85
5.4.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,6 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C ........................87
5.5. Mô phỏng với điều kiện bức xạ không đổi và nhiệt độ thay đổi....................88
2

0

2

0

2

0

5.5.1. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 15 C ........................89
5.5.2. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30 C ........................91
5.5.3. Điều kiện bức xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C ........................94
5.6. Mô phỏng với điều kiện bức xạ và nhiệt độ thay đổi .....................................96
Chương 6 .................................................................................................................100
KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TƯƠNG LAI .......................................100
6.1. Kết luận ........................................................................................................100
6.2. Hướng phát triển tương lai ...........................................................................100

TÀI LIỆU THAM KHẢO.......................................................................................101


8

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1. Ngày số n của ngày đầu tiên của mỗi tháng .............................................10
Bảng 2.2. Thống kê góc δ của ngày 21 mỗi tháng ....................................................11
Bảng 2.3. Tiềm năng năng lượng mặt trời tại Việt Nam ..........................................22
Bảng 3.1. Bảng phân loại tuần hoàn trích lược với tinh thể Silicon thuộc nhóm IV 27
Bảng 3.2. Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu ứng với mỗi trạng thái đóng ngắt .......57
Bảng 4.1. Mô tả thuật toán P&O ...............................................................................64
Bảng 5.1. Thông số của 01 pin quang điện và hệ với 10 pin quang điện .................80
Bảng 5.2. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện bức xạ khác nhau........82
Bảng 5.3. Điểm công suất cực đại tương ứng các điều kiện nhiệt độ khác nhau .....89
Bảng 5.4. Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện bức xạ và nhiệt độ
khác nhau...................................................................................................................96


9

DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 2.1. Cấu trúc của mặt trời ...................................................................................7
Hình 2.2. Quỹ đạo trái đất quay quanh mặt trời........................................................10
Hình 2.3. Hướng nhìn quỹ đạo trái đất .....................................................................11
Hình 2.4. Góc cao độ mặt trời ...................................................................................11
Hình 2.5. Dải bức xạ điện từ .....................................................................................12
Hình 2.6. Góc nhìn mặt trời ......................................................................................13
Hình 2.7. Quá trình truyền năng lượng bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển của trái đất
..............................................................................................................................15

Hình 2.8. Hệ thống pin quang điện ...........................................................................16
Hình 2.9. Nhà máy điện mặt trời...............................................................................17
Hình 2.10. Tháp năng lượng mặt trời........................................................................18
Hình 2.11. Động cơ Stirling dùng năng lượng mặt trời ............................................18
Hình 2.12. Hệ thống cung cấp nước nóng sử dụng năng lượng mặt trời ..................19
Hình 2.13. Tủ lạnh sử dụng pin quang điện ..............................................................20
Hình 2.14. Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng năng lượng mặt trời ..............................21
Hình 3.1. Phổ năng lượng mặt trời............................................................................26
Hình 3.2. Nguyên tắc chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện của
pin quang điện ...........................................................................................................28
Hình 3.3. Mô hình đơn giản của pin quang điện.......................................................28
Hình 3.4. Sơ đồ thay thế đơn giản của pin quang điện .............................................29
Hình 3.5. Các tham số quan trọng của pin quang điện (Dòng điện ngắn mạch, Isc và
điện áp hở mạch, Voc)................................................................................................29
Hình 3.6. Mô hình thay thế của pin quang điện có xét đến các tổn hao ...................30
Hình 3.7. Đặc tính của pin quang điện có xét đến các ảnh hưởng của Rs và Rp .......31
Hình 3.8. Module pin quang điện..............................................................................31
Hình 3.9. Đặc tính của module pin quang điện.........................................................32
Hình 3.10. Các module pin quang điện được kết hợp nối tiếp với nhau ..................32
Hình 3.11. Các module pin quang điện được kết hợp song song với nhau ..............33
Hình 3.12. Các module pin quang điện được kết hợp hổn hợp với nhau .................34


10

Hình 3.13. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các cường độ chiếu sáng khác
0

nhau và nhiệt độ pin quang điện không đổi, 25 C ....................................................34
Hình 3.14. Đặc tuyến V-I của pin quang điện với các nhiệt độ khác nhau và cường

2

độ chiếu sáng không đổi 1 kW/m ............................................................................35
Hình 3.15. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module
không bị che khuất ....................................................................................................36
Hình 3.16. Module pin quang điện với n pin quang điện trong trường hợp module bị
che khuất một phần ...................................................................................................36
Hình 3.17. Ảnh hưởng của hiện tượng bóng râm đối với module pin quang điện ...37
Hình 3.18. Module pin quang điện với nhiều pin quang điện bị che khuất
..............38
Hình
3.19.
Module
pin
........................................38

quang

điện

sử

dụng

diode

bypass

Hình 3.20. Đặc tính của pin quang điện trong trường hợp sử dụng diode bypass....39
Hình 3.21. Đánh giá so sánh giữa các trường hợp có và không có diode bypass

.....39
Hình 3.22. Hệ thống pin quang điện độc lập ............................................................40
Hình 3.23. Hệ thống pin quang điện nối lưới............................................................41
Hình 3.24. Hệ thống pin quang điện kết hợp ............................................................42
Hình 3.25. Sơ đồ khối mô tả hệ thống pin quang điện nối lưới ................................42
Hình

3.26.

..................................................................................................................43 (a) Kiểu
máy biến áp tần số thấp...............................................................................43 (b) Kiểu
máy biến áp tần số cao ................................................................................43
Hình 3.27. Kiểu biến
......................................44

đổi

không

Hình
3.28.
Các
bộ
biến
....................................................45

cách
đổi

ly

bằng

DC-DC

máy

biến

chuyển

áp
mạch

Hình 3.29. Bộ biến đổi Buck-Boost ..........................................................................45
Hình 3.30. Sơ đồ xung kích, dòng tải và dòng qua cuộn cảm ..................................47
Hình 3.31. Sơ đồ nghịch lưu 3 pha hòa lưới .............................................................47
Hình
3.32.
Bộ
điều
nghịch
..........................................................48

lưu

3

pha

hòa

lưới

Hình 3.33. Sơ đồ hệ thống điều khiển PLL...............................................................49
Hình
3.34.
Tín
hiệu
...............................................................................50

ngõ

ra

VCO


11

Hình 3.35. Sơ đồ thực hiện bộ PLL 3 pha.................................................................51
Hình
3.36.
Hệ
trục
tọa
độ

....................................................................................52
Hình 3.37. Hệ trục tọa độ dq .....................................................................................53

12

Hình 3.38. Toàn bộ hệ thống nghịch lưu hòa lưới sử dụng PLL ..............................54
Hình 3.39. Sơ đồ nguyên lý bộ nghịch lưu 6 khóa ...................................................56
Hình 3.40. Trạng thái đóng ngắt của các khóa bán dẫn ............................................57
Hình 3.41. Các vector điện áp chuẩn và các sector...................................................59
Hình 3.42. Giản đồ đóng ngắt của các khóa .............................................................60
Hình 4.1. Quan hệ giữa điện áp và dòng điện của pin quang điện ...........................62
Hình 4.2. Thuật toán P&O khi tìm điểm làm việc có công suất cực đại ..................64
Hình 4.3. Lưu đồ thuật toán P&O .............................................................................65
Hình 4.4. Sự thay đổi của điểm công suất cực đại theo sự thay đổi của cường độ bức
xạ ...............................................................................................................................66
Hình 4.5. Thuật toán InC..........................................................................................68
Hình 4.6. Lưu đồ thuật toán InC ...............................................................................70
Hình 4.7. Lưu đồ thuật toán điện áp hằng số ............................................................71
Hình 4.8. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển
PI ...............................................................................................................................74
Hình 4.9. Điều khiển bám điểm công suất cực đại sử dụng phương pháp điều khiển
trực tiếp .....................................................................................................................75
Hình 4.10. Mối quan hệ giữa tổng trở vào, Rin và hệ số làm việc, D .......................76
Hình 5.1. Hệ thống pin quang điện nối lưới..............................................................78
Hình 5.2. Sơ đồ mô phỏng hệ thống pin quang điện nối lưới ...................................79
Hình 5.3. Hệ thống pin quang điện (10 nối tiếp x 02 song song) .............................80
2

Hình 5.4. Hệ pin quang điện tương ứng với các điều kiện bức xạ, G (kW/m ) và
0

nhiệt độ, T ( C) khác nhau ........................................................................................80
2

2

Hình 5.5. Đặc tuyến V-I tương ứng với các điều kiện bức xạ 1kW/m ; 0,8kW/m và
2

0

0,6 kW/m và nhiệt độ môi trường 25 C ..................................................................81
2

Hình 5.6. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ, G = 1 kW/m ; 0,8
2

2

0

kW/m và 0,6 kW/m và nhiệt độ môi trường không đổi, T = 25 C ........................81
Hình 5.7. Lưới điện 3 pha (Điện áp, 220 V và tần số, 50 Hz) ..................................82
Hình 5.8. Bộ biến đổi công suất điều khiển bám điểm công suất cực đại DC/DC ...83
Hình 5.9. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 1 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C..............................................................................84

xii
Hình 5.10. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 1 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C..............................................................................85
Hình 5.11. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ,
2

0

G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C .......................................................................86
Hình 5.12. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C...........................................................................86
Hình 5.13. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ,
2

0

G = 0,6 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C .......................................................................87
Hình 5.14. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 0,6 kW/m và nhiệt độ, T = 25 C...........................................................................88
Hình 5.15. Đặc tuyến V-P tương ứng với các điều kiện bức xạ không đổi, G = 0,8
2

0

0

0

kW/m và nhiệt độ môi trường thay đổi, T = 15 C; 30 C và 35 C ...........................89
Hình 5.16. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức
2

0

xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 15 C .................................................................90
Hình 5.17. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ,
2

0

G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 15 C .......................................................................90
Hình 5.18. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 15 C...........................................................................91

Hình 5.19. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức
2

0

xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30 C .................................................................92
Hình 5.20. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ,
2

0

G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30 C .......................................................................93
Hình 5.21. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 30 C...........................................................................93
Hình 5.22. Đặc tuyến V-P của hệ thống pin quang điện tương ứng với các điều kiện
2

0

bức xạ, G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C ..........................................................94
Hình 5.23. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ,
2

0

G = 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C .......................................................................95

Hình 5.24. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ, G
2

0

= 0,8 kW/m và nhiệt độ, T = 35 C...........................................................................95


xiii
Bảng 5.4. Điểm công suất cực đại tương ứng với các điều kiện bức xạ và nhiệt độ
khác nhau...................................................................................................................96
2

Hình 5.25. Cường độ bức xạ thay đổi, G = 0,6 - 1 (kW/m ) ....................................97
0

Hình 5.26. Nhiệt độ thay đổi, T = 25 - 35 ( C) .........................................................97
Hình 5.27. Công suất của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ
và nhiệt độ thay đổi ...................................................................................................98
Hình 5.28. Điện áp của hệ thống pin quang điện tương ứng với điều kiện bức xạ và
nhiệt độ thay đổi
........................................................................................................99


1

Chương 1
GIỚI THIỆU
1.1. Giới thiệu
Khủng hoảng năng lượng điện 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 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:


2

- 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 “Nghiên cứu vận hành tối ưu hệ thống pin
quang điện nối lưới” 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 bộ điều khiển bám điểm công suất cực đại.
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu được giới hạn trong các nội dung sau:
- Khảo sát tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
- Tổng quan các nghiên cứu đã được thực hiện liên quan đến vận hành tối ưu 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.
- 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.


3

1.5. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới” 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.
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

4

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 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 môđun PV, tính toán công suất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất


5

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.
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


6

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
+ Chương 2: Tổng quan tình hình nghiên cứu và khai thác nguồn năng lượng
mặt trời
+ Chương 3: Hệ thống pin quang điện nối lưới
+ Chương 4: Vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện
+ Chương 5: Mô phỏng vận hành tối ưu hệ thống pin quang điện nối lưới
+ Chương 6: Kết luận và hướng phát triển tương lai

7

Chương 2
TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU VÀ KHAI THÁC NGUỒN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
2.1. Mặt trời
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) 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:
30

+ Khối lượng mặt trời, M0 = 210 kg.
6 0
+ Nhiệt độ trung tâm mặt trời, T0 thay đổi trong khoảng từ 1010 K đến
60
60
2010 K và trung bình khoảng 15,610 K.
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
Về cấu trúc, mặt trời có thể được chia làm 4 vùng mà sẽ hợp thành một khối
cầu khí khổng lồ, Hình 2.1.
+ Vùng giữa được gọi là nhân hay “lõi” mà sẽ có những chuyển động đối lưu
mà cũng chính là nơi xảy ra những phản ứng nhiệt hạt nhân để có tạo nên nguồn