Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên đặc tính làm việc của pin quang điện sử dụng phần mềm matlab/simulink simscape

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE
LÊN ĐẶC TÍNH LÀM VIỆC CỦA PIN QUANG ĐIỆN
SỬ DỤNG PHẦN MỀM MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE

A STUDY ON IMPACTS OF PARTIAL SHADING ON SOLAR PHOTOVOLTAIC
ARRAYS USING MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE SOFTWARE
Nguyễn Xuân Hiếu(1), Bùi Đăng Thảnh(2)
(1)

Khoa Cơ - Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam,
(2)
Trường Đại học Bách khoa Hà Nội

Tóm tắt:
Mô đun quang điện được coi là bộ phận biến đổi điện năng cơ bản của hệ thống phát điện bằng
năng lượng mặt trời. Đặc tính làm việc của nó phụ thuộc vào điều kiện môi trường như nhiệt độ,
cường độ bức xạ mặt trời và hiện tượng bóng che. Thông thường hệ thống pin quang điện có thể
bị che một phần hoặc toàn bộ bởi các đám mây, tòa nhà, cột điện, cây cối… làm thay đổi đặc tính
công suất phát của hệ thống này. Mặt khác, tổn thất công suất và hiệu ứng điểm nóng gây ra khi
pin bị che khuất cũng đem đến những vấn đề về độ tin cậy và an toàn cho cung cấp điện. Nghiên
cứu đặc tính làm việc của hệ thống dưới ảnh hưởng của bóng che rất tốn kém, do đó một mô hình
mô phỏng để nghiên cứu đặc tính làm việc của hệ thống quang điện dưới ảnh hưởng của hiện
tượng bóng che là rất cần thiết. Trong bài báo này, pin quang điện DS-100M được sử dụng làm đối
tượng mô phỏng. Việc nghiên cứu tập trung vào sự thay đổi đặc tính làm việc của hệ thống khi
thay đổi các yếu tố như: mức độ che phủ pin quang điện, vị trí của mô đun quang điện bị che phủ
cùng với thay đổi về nhiệt độ cũng như vai trò của bypass diode trong hệ thống bị che phủ. Các
kết quả đạt được đã chỉ rõ sự thay đổi đặc tính làm việc với ảnh hưởng của hiện tượng bóng che.

Các kết quả này là tích cực và sẽ hỗ trợ nhiều cho các nghiên cứu thực nghiệm tiếp theo.

Từ khóa:1
Simscape; dãy pin quang điện, hiện tượng bóng che, đặc tính P-V, đặc tính I-V, bypass diode.

Abstract:
Solar photovoltaic module is the fundamental power transformation unit of photovoltaic (PV)
generation system. The performance of a PV array is dependent on operating environmental
conditions such as temperature, solar insolation, shading and array configuration. In most cases,
the PV arrays may get shadowed completely or partially by passing clouds, neighboring buildings,
1

Ngày nhận bài: 17/08/2015; Ngày chấp nhận: 31/8/2015; Phản biện: TS. Nguyễn Hoàng Nam.

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

13


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)
poles, and trees, etc. Under such shaded conditions, the P-V characteristics become more complex
with multiple peaks and it is very important to predict the characteristics to obtain maximum
power. On the other hand, power losses and hotspot effects caused by partial shading can also
bring about security and reliability problems. Due to expensiveness and time consumption, it is
necessary to have a simulation model to study the impacts of partial shading on output
characteristics of PV arrays under practical working conditions. In this article, a DS-100M solar PV
panel is used for reference. The study also focuses on output characteristics of solar PV arrays
under shading conditions: area and varying location of shaded modules, temperature changes as

well as the role of bypass diode in the system. The simulation results show that PV system’s
operation is significantly affected by shading and also make considerable contributions to
experimental researches in future.

Keywords:
Simscape, photovoltaic arrays, shading effect, P-V characteristic, I-V characteristic, bypass diode.

1. GIỚI THIỆU CHUNG

Mô phỏng toán học của module quang
điện được nghiên cứu nhằm xác định đặc
tính làm việc tối ưu của nó. Mô hình
mạch điện tương đương của một tế bào
quang điện bao gồm một nguồn dòng
điện lý tưởng mắc song song một (hoặc
hai) diode, một điện trở nối tiếp Rs, và
một điện trở shunt Rsh [1-2]. Một hệ
quang điện bao gồm nhiều module ghép
nối tiếp hoặc song song với nhau, mỗi
module lại bao gồm nhiều tế bào quang
điện ghép nối tiếp [3]. Hiện tượng bóng
che đối với pin quang điện là một hiện
tượng ngẫu nhiên và phức tạp, nghiên
cứu về nó có thể được thực hiện nhờ mô
hình mô phỏng với sự hỗ trợ của các
công cụ trong Simulink. Hiện tượng phủ
bóng là một trong những yếu tố ảnh
hưởng lên công suất đầu ra của pin quang
điện cùng với nhiệt độ, cường độ bức xạ
đã được đề cập trong nghiên cứu [4]. Các

phương pháp mô phỏng hệ thống quang
điện dùng mô hình để nghiên cứu về tác
14

động của bypass diode, của bóng che và
sự biến động của Rsh cũng được mô tả
trong [5-8].
Nhìn chung, một số nghiên cứu đề cập ở
trên đã đưa ra những nhận định về đặc
tính làm việc của pin quang điện khi các
module trong hệ thống bị che phủ cũng
như vai trò của các bypass diode trong
cấu trúc hệ thống. Mặc dù vậy, hình dạng
của đường đặc tính làm việc toàn hệ
thống khi có sự thay đổi vị trí và mức độ
nhận ánh sáng của các module quang
điện lại chưa được nhấn mạnh. Đồng
thời, thực tế cũng cho thấy khi ánh sáng
nhận được bởi module quang điện thấp
hơn thì nhiệt độ làm việc cũng giảm, điều
này ảnh hưởng đến công suất, đặc tính
đầu ra của pin quang điện, nhưng nó lại
chưa được đề cập đến trong các nghiên
cứu trên. Do đó bài báo này sẽ tập trung
vào nghiên cứu vai trò của bypass diode,
vị trí module quang điện bị phủ bóng và
nhiệt độ tới đặc tính đầu ra của hệ thống
quang điện.
SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)
2. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN
QUANG ĐIỆN DƯỚI ẢNH HƯỞNG
BÓNG CHE DÙNG
MATLAB/SIMULINK SIMSCAPE
2.1. Mô hình mô phỏng tế bào
quang điện trong
Matlab/Simulink Simscape

Khối mô phỏng tế bào quang điện được
phát triển sẵn trong Simulink Simscape.
Nó bao gồm một nguồn dòng điện, một
diode mắc ngoài và một điện trở mắc nối
tiếp Rs. Thông số đầu vào cho khối này
có thể cho dưới hai dạng [9]:
 Thông qua dòng điện ngắn mạch Isc và
điện áp hở mạch Voc;
 Thông qua thông số mạch điện tương
đương.
Khối tế bào quang điện này có các cổng
như sau: cường độ bức xạ đầu vào
và đầu ra là cực (+) và (-) của tế bào
(hình 1).
Hình 2. Module quang điện mô phỏng

Hình 1. Khối tế bào quang điện
trong Simscape [9]

Trong thực tế nhiều tế bào quang điện
được ghép nối tiếp với nhau để tạo thành
một module quang điện và một hệ thống
quang điện hoàn chỉnh sẽ bao gồm nhiều
module được ghép nối tiếp và song song
với nhau. Mô hình nghiên cứu được đề
xuất ở đây sẽ bao gồm 6 module ghép
nối tiếp, mỗi module có 6 tế bào quang
điện mắc nối tiếp với nhau (hình 2, 3, 4).
SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

Hình 3. Hệ thống quang điện mô phỏng

15


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

Hình 4. Hệ thống mô phỏng
2.2. Đối tượng mô phỏng

Đối tượng mô phỏng là pin quang điện
DS-100M có các thông số được mô tả
trong bảng 1.
Bảng 1. Thông số pin DS-100M

Mã hiệu

DS-100M

Số tế bào quang điện song
song (NP)

1

Điện áp cực đại
Phạm vi nhiệt độ vận hành

Mã hiệu
Công suất cực đại (Pmp)

1000 V
-40oC÷80oC

DS-100M
100 W

Các thông số này được xây dựng dưới
điều kiện kiểm tra: cường độ bức xạ bằng
1000 W/m2 và nhiệt độ là 250C.

Điện áp khi công suất cực
đại (Vmp)

18 V

Dòng điện khi công suất

cực đại (Imp)

5.55 A

Điện áp hở mạch (VOC)

21.6 V

module quang điện bị che phủ

Dòng ngắn mạch (ISC)

6.11 A

Các trường hợp che phủ và vị trí của các
module quang điện được thể hiện trên
bảng 2.

Số tế bào quang điện nối
tiếp (NS)

16

2.3. Phương pháp nghiên cứu
a. Ảnh hưởng của vị trí và số lượng

36

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)
Bảng 2. Các trường hợp nghiên cứu vị trí
và số lượng module bị che phủ

Bảng 3. Ảnh hưởng của bóng che
và nhiệt độ

TH

Mô tả

TH

Mô tả

1

Không module nào bị che phủ (toàn
bộ nhận bức xạ Ir=1000 W/m2)

6

2

Một module bị che (Ir=500 W/m2):
vị trí module bị che thay đổi từ 1
đến 6, các module khác không bị

che (Ir=1000 W/m2)

Module 1, 2, 3 bị che phủ (Ir=500
W/m2), các module còn lại (Ir=1000
W/m2). T=25oC

7

Module 1, 2, 3 bị che phủ (Ir=500
W/m2, T=15oC). Các module còn lại
(Ir=1000 W/m2), T=25oC

3

2 module bị che (Ir=500 W/m2), các
module còn lại có Ir=1000 W/m2
a) Module 1 và 2 bị che

c. Ảnh hưởng của bypass diode

Bảng 4. Ảnh hưởng của bypass diode

b) Module 1 và 3 bị che
c) Module 2 và 3 bị che
4

3 module bị che (Ir=500 W/m2), các
module còn lại (Ir=1000 W/m2)

TH

Mô tả

8

Module 2, 3, 6 bị che phủ (Ir=500,
300 và 100 W/m2 lần lượt), T=25oC

a) Module 1, 2, 3 bị che

Không bypass diode cho 3 module
này

b) Module 1, 2, 4 bị che
c) Module 2, 3, 6 bị che
5

9

3 module bị che với mức độ khác
nhau: 500, 300 và 100 W/m2
a) Module 1, 2, 3 bị che

Module 2, 3, 6 bị che phủ (Ir=500,
300 và 100 W/m2 lần lượt), T=25oC
Có bypass diode cho 3 module này

b) Module 1, 2, 4 bị che

Tất cả các module bị che phủ

(Ir=100 W/m2), T=25oC.

c) Module 2, 3, 6 bị che

Tất cả đều có bypass diode

b. Ảnh hưởng của bóng che và
nhiệt độ làm việc

Trong thực tế khi module quang điện bị
che phủ, nhiệt độ làm việc của nó giảm
do đó gây ảnh hưởng đến công suất đầu
ra của hệ thống.
Ảnh hưởng của bypass diode được xét
trên cơ sở mô hình đề xuất như hình 3
ở trên.
SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

10

3. KẾT QUẢ
3.1. Ảnh hưởng của vị trí và số
lượng module quang điện bị che
phủ

Thử nghiệm với các kịch bản mô tả ở
mục 2.3 a ở trên chúng tôi nhận được các
kết quả mô phỏng trong trường hợp 1, 2.
như sau:
17

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

Hình 5. Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 2

Từ kết quả này ta thấy: Khi một module
bị che phủ sẽ xuất hiện 2 điểm công suất
cực đại (trên đường cong P-V), và giá trị
công suất lớn hơn sẽ thuộc về điểm nhận
60-65% điện áp hở mạch Voc (điểm cực
đại đầu tiên); đồng thời đường cong I-V
có 2 bậc. Mặt khác, hình dạng đặc tính
làm việc của hệ thống là không thay đổi

khi vị trí của module bị che phủ thay đổi.
Nhận xét này cũng đúng cho trường hợp
3 (2 module bị che phủ với mức độ như
nhau) (hình 6), tuy nhiên điểm công suất
cực đại sẽ dịch lên khoảng 80÷85% Voc,
và công suất đầu ra thấp hơn trường hợp
so khi chỉ 1 module bị che phủ.

Hình 6. Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 3

18

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

Trường hợp 4 cho kết quả như trường
hợp 3: công suất cực đại thuộc về điểm
cực đại thứ 2 (80÷5% Voc) (hình 7).

 Số điểm công suất cực đại tăng khi số
module bị che phủ tăng lên;

Kết quả mô phỏng khi 3 module bị che
phủ với mức độ khác nhau (trường hợp
5) được ghi nhận trong hình 8 cho thấy:
 Đường cong I-V, P-V có 4 bậc;

 Với cùng số lượng module bị che phủ,
hình dạng đặc tính làm việc hệ thống
không thay đổi khi vị trí các module bị
che phủ thay đổi;

 Công suất đầu ra của pin thấp hơn so
với trường hợp ít module bị che phủ;

 Vị trí điểm công suất cực đại không
phụ thuộc vào vị trí module bị che;

 Công suất cực đại nằm ở điểm có điện

áp bằng 60÷65% Voc.

 Khi các module bị che với mức độ
như nhau, công suất cực đại thường ở vị
trí có điện áp 80÷85% Voc. Mặt khác khi
mức độ che phủ là khác nhau, giá trị này
là 60÷65% Voc.

Nhận xét:
 Khi bị bóng che, công suất đầu ra hệ
thống quang điện giảm;

Hình 7. Đặc tính I-V, P-V cho trường hợp 1, 3, 4
3.2. Ảnh hưởng của bóng che và
nhiệt độ

Kết quả mô phỏng này nhận được với
kịch bản mô phỏng trong mục 2.3 b, ta

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

thấy: Hình dạng đường đặc tính làm việc
khi có và không có ảnh hưởng của nhiệt
độ là giống nhau, nhưng khi nhiệt độ
thấp hơn, công suất đầu ra cao hơn (hình
8, 9).
15


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

Hình 8. Đặc tính I-V, P-V trường hợp 6, 7

Hình 9. Công suất đầu ra trường hợp 6, 7
3.3. Ảnh hưởng của bypass
diode

Kết quả mô phỏng nhận được cho kịch
bản mô tả trong mục 2.3 c, thể hiện trên
hình 10 cho thấy:
20

 Khi không có bypass diode, công suất
cực đại của hệ thống (bị che phủ với 3
mức độ là 500, 300 và 100 W/m2) rất
thấp (trường hợp 8), tương đương công

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

suất hệ thống (có bypass diode) với mức
nhận cường độ bức xạ thấp nhất là 100
W/m2 (trường hợp 10);
 Khi có bypass diode (trường hợp 9),

công suất cực đại hệ thống cao hơn so
với hệ thống không có bypass diode
(trường hợp 8). Điều này khẳng định
rằng bypass diode giúp cải thiện sự làm
việc của hệ thống quang điện khi bị
bóng che;

 Khi có bypass diode, đường cong
I-V có nhiều bậc và đường cong P-V ghi
nhận nhiều điểm cực đại. Số điểm cực
đại không lớn hơn số bypass diode trong
hệ thống;
 Khi có bypass diode, hệ thống bị che
phủ với mức độ khác nhau (trường hợp
9: 500, 300, và 100 W/m2) có công suất
và điện áp đầu ra cao hơn khi tất cả
module bị che phủ với cường độ nhỏ nhất
là 100 W/m2 (trường hợp 10).

Hình 10. Đặc tính I-V, P-V trường hợp 8, 9, 10
4. KẾT LUẬN

Mô hình mô phỏng được xây dựng trên
Matlab/Simulink Simscape đã được áp
dụng để nghiên cứu ảnh hưởng của bóng
che lên đặc tính làm việc của hệ thống
quang điện. Kết quả nghiên cứu đã
chỉ ra:
 Với cùng mức độ che phủ, thay đổi vị
trí của module bị che phủ không làm thay

đổi hình dạng của đường đặc tính làm
việc I-V và P-V;
 Khi bị che phủ, đặc tính I-V có nhiều
SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

bậc, đặc tính P-V xuất hiện nhiều điểm
cực đại. Số điểm cực đại tăng lên khi số
module bị che phủ tăng;
 Số module bị che phủ càng tăng, công
suất đầu ra của hệ thống quang điện càng
giảm. Công suất này được ghi nhận tại
điểm có điện áp bằng 60-65% Voc (1
module bị che) và 80-85% Voc (nhiều
module bị che);
 Khi nhiệt độ làm việc của module
quang điện giảm, công suất đầu ra của hệ
thống quang điện tăng;
21


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)

 Bypass diode giúp tăng công suất đầu
ra của hệ thống quang điện.
Với các kết luận trên, nghiên cứu đã làm
rõ mối quan hệ giữa đặc tính làm việc
của hệ thống quang điện với vị trí của
module quang điện bị che phủ cũng như

xét đồng thời tác động của nhiệt độ và
hiện tượng phủ bóng này. Mặc dù vậy,
nghiên cứu này cần tiếp tục được triển
khai các nội dung sau:
 Cung cấp thêm số liệu đo đạc thực
nghiệm để có sự so sánh rõ hơn với kết
phỏng;

 Nghiên cứu ảnh hưởng của blocking
diode khi hệ thống bao gồm các module
mắc song song với nhau;
 Nghiên cứu ảnh hưởng của hiện tượng
bóng che lên phản ứng của bộ bắt điểm
công suất cực đại MPPT;
 Mô hình được đề xuất có thể kết hợp
mô hình mô phỏng bộ biến đổi công suất
DC-DC, DC-AC và MPPT để tạo nên hệ
thống phát điện xoay chiều hoàn chỉnh.

TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

N. Belhaouas, M.S. Ait Cheikh, "Matlab-Simulink of photovoltaic system based on a two-diode
model simulator with shaded solar cells." Revue des Energies Renouvelables, Vol. 16, No. 1,
pp. 65-73, Jan. 2013.

[2]

Ahmed. Bouraiou, Salah Lachtar, Abdelkader Hadidi, Nadir Benamira, "Matlab/Simulink Based
Modeling and Simulation of Photovoltaic Array Under Partial Shading " International Conference

on Green Energy and Environmental Engineering (GEEE-2014), Sousse, Tunisia, 2014, pp. 1-5.

[3]

Amrita Mantri, Ajay Verma, "Developed Simulated Circuit of Photovoltaic Array under Partially
Shading Conditions." International Journal of Research (IJR), Vol. 2, No. 3, pp. 468-473, Mar.
2015.

[4]

Mohammed S. Ibbini, Shadi Mansi, Mohammed Masadeh, Eid Al Hajri, "Simscape Solar Cells
Model Analysis and Design." Computer Applications in Environmental Sciences and Renewable
Energy, pp. 97-103, 2014.

[5]

Ramaprabha Ramabadran, Badrilal Mathur, "A Comprehensive Review and Analysis of Solar
Photovoltaic Array Configurations under Partial Shaded Conditions." International Journal of
Photoenergy, Vol. 3, No. 10, pp. 32-41, Oct. 2009.

[6]

Sridhar Ramasamy, Jeevananthan S, S.S. Dash Thamizh Selvan, "An Intelligent Differential
Evolution based Maximum Power Point Tracking (MPPT) Technique for Partially Shaded Photo
Voltaic (PV) Array." International Journal of Advanced Soft Computing Appllication, Vol. 6, No.
2, pp. 1-16, Jul. 2014.

[7]

Mohammadmehdi Seyedmahmoudian, Saad Mekhilef, Rasoul Rahmani, Rubiyah Yusof, Ehsan

Taslimi Renani. "Analytical Modeling of Partially Shaded Photovoltaic Systems." Energies, Vol.
6, pp. 128-144, 2013.

22

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015


TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC

(ISSN: 1859 - 4557)
[8]

Gunjan Varshney, D.S. Chauhan, M.P. Dave, "Simscape Based Modelling and Simulation of
MPPT Controller for PV Systems " IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (IOSRJEEE), Vol. 9, No. 6, pp. 41-46, Nov-Dec. 2014.

[9]

www.mathwork.com

Giới thiệu tác giả:
Tác giả Nguyễn Xuân Hiếu là giảng viên Bộ môn Hệ thống điện, Khoa Cơ Điện, Học viện Nông nghiệp Việt Nam. Tác giả tốt nghiệp Kỹ sư ngành Hệ
thống điện tại Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2008, tốt
nghiệp Thạc sỹ ngành Kỹ thuật điện của Trường Đại học Wollongong,
Australia năm 2012. Hướng nghiên cứu chính của là hệ thống năng lượng
tái tạo, điều khiển trong các hệ thống điện phân tán.

Tác giả Bùi Đăng Thảnh nhận bằng Thạc sỹ ngành Đo lường và các Hệ
thống điều khiển tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội năm 2012, nhận
bằng Tiến sỹ về Điện - Tự động hóa tại Trường Ecole Normale Superieure

de Cachan, Cộng hòa Pháp năm 2011. Hiện là giảng viên, nghiên cứu viên
của Viện Điện - Trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Hướng nghiên cứu chính
là phát triển các thiết bị thông minh không dây, thiết kế các hệ thống điều
khiển trong công nghiệp, các hệ thống quan trắc môi trường.

SỐ 9 - tháng 10 năm 2015

23