Luận án tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu một số phương pháp nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

LÊ TIÊN PHONG

NGHIÊN CỨU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
NÂNG CAO HIỆU QUẢ KHAI THÁC NGUỒN PIN MẶT TRỜI

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

THÁI NGUYÊN – NĂM 2017



i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan rằng bản luận án này là thành quả nghiên cứu của bản thân
tôi dưới sự hướng dẫn của PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn – Viện Điện, Trường Đại học
Bách Khoa Hà Nội, PGS.TS. Ngô Đức Minh – Khoa Điện, trường Đại học Kỹ thuật
Công Nghiệp, Đại học Thái Nguyên và tập thể các nhà khoa học khoa Điện trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên. Kết quả nghiên cứu của luận

án là trung thực và chưa được công bố trên bất cứ một công trình nào khác.
Thái Nguyên, ngày

tháng

Tác giả luận án

Lê Tiên Phong

năm 2017


-ii-

LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên, tôi xin bày tỏ lời cảm ơn sâu sắc đến hai thầy hướng dẫn khoa học
trực tiếp, PGS.TS. Nguyễn Văn Liễn và PGS.TS. Ngô Đức Minh đã trực tiếp hướng
dẫn, định hướng khoa học trong quá trình nghiên cứu. Tôi cũng xin được gửi lời
cảm ơn chân thành và kính trọng đến tập thể các nhà khoa học khoa Điện, trường
Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên, các bạn bè đồng nghiệp đã
đóng góp những ý kiến quý báu về chuyên môn trong suốt thời gian thực hiện luận

án.
Tác giả luận án xin trân trọng cảm ơn Ban giám hiệu, Phòng Đào tạo, Ban chủ
nhiệm khoa Điện, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, Đại học Thái Nguyên đã
tạo điều kiện thuận lợi nhất cho nghiên cứu sinh trong suốt quá trình học tập và
nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi cũng muốn nói lời cảm ơn sâu sắc đến bố mẹ, anh chị, vợ và
các con đã luôn bên tôi, hết lòng quan tâm, sẻ chia, ủng hộ, động viên tinh thần, tạo
điều kiện giúp tôi có nghị lực vượt qua những giai đoạn khó khăn nhất, vất vả nhất
để hoàn thành luận án này.
Tác giả luận án

Lê Tiên Phong


-iii-

MỤC LỤC
KÝ HIỆU VIẾT TẮT ..........................................................................................................vii
KÝ HIỆU ..............................................................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ .............................................................................................xii
DANH MỤC CÁC BẢNG ..................................................................................................xv
MỞ ĐẦU ...............................................................................................................................1
CHƯƠNG 1 ...........................................................................................................................5
TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ..............................................................................5
1.1 Khái quát về nguồn pin mặt trời ...................................................................................5
1.2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời ..........................................6
1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời ...............................7
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới .........................................................................7
1.3.2 Tình hình nghiên cứu trong nước .........................................................................11
1.4 Một số vấn đề còn tồn tại và đề xuất hướng giải quyết ..............................................12

1.4.1 Một số vấn đề còn tồn tại .....................................................................................12
1.4.2 Tiếp cận vấn đề ....................................................................................................15
1.4.3 Đề xuất hướng giải quyết .....................................................................................16
1.5 Kết luận chương 1 ......................................................................................................17

CHƯƠNG 2 .........................................................................................................................19
MÔ HÌNH HÓA ĐẦY ĐỦ VÀ NHẬN DẠNG CHÍNH XÁC ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC
ĐẠI CHO NGUỒN PIN MẶT TRỜI ..................................................................................19
2.1 Mô hình toán học của nguồn pin mặt trời ..................................................................19
2.2 Xây dựng giải pháp nhận dạng các thông số ẩn cho nguồn pin mặt trời ở điều kiện
vận hành tiêu chuẩn ..........................................................................................................23
2.2.1 Nêu vấn đề............................................................................................................23

2.2.2 Thiết lập các phương trình tại các điểm đặc biệt ở điều kiện tiêu chuẩn .............24
2.2.3 Phương pháp xác định các thông số ẩn ................................................................26

2.2.4 Xây dựng thuật toán xác định các thông số ẩn.....................................................27


-iv-

2.2.5 Áp dụng xác định thông số ẩn cho một số loại pin quang điện ...........................29
2.3 Giải pháp mới nhận dạng chính xác điểm công suất cực đại cho nguồn pin mặt trời 31

2.3.1 Nội dung giải pháp đề xuất ..................................................................................31
2.3.2 Đánh giá tính chính xác của giải pháp đề xuất.....................................................34
2.4 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời ..............................................................35

2.4.1 Quy đổi giá trị các thông số từ điều kiện vận hành tiêu chuẩn về điều kiện vận
hành bất kỳ ....................................................................................................................35

2.4.2 Xây dựng mới hàm số n(T) ..................................................................................38
2.4.3 Mô hình hóa đầy đủ cho nguồn pin mặt trời ........................................................43
2.5 Kết luận chương 2 ......................................................................................................44
CHƯƠNG 3 .........................................................................................................................45
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NGUỒN PIN MẶT TRỜI THEO MÔ HÌNH ĐẦY
ĐỦ ........................................................................................................................................45
3.1 Cấu trúc điều khiển hệ thống ......................................................................................45
3.2 Cơ sở lý thuyết điều khiển và mô tả toán học các bộ biến đổi ...................................47

3.2.1 Cơ sở lý thuyết điều khiển ...................................................................................47
3.2.1.1 Kỹ thuật điều khiển trượt trong các bộ biến đổi DC/DC ...............................47
3.2.1.2 Kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình ..........................................................50

3.2.2 Mô tả toán học bộ biến đổi DC/DC buck .............................................................51
3.2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC buck ...............................................................................51

3.2.2.2 Bộ biến đổi DC/DC boost ..............................................................................52
3.3 Điều khiển khai thác điểm công suất cực đại của nguồn pin mặt trời theo mô hình
đầy đủ ở điều kiện vận hành bất kỳ ..................................................................................54
3.3.1 Phương pháp IB-SMC..........................................................................................54
3.3.1.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-SMC ................................................54
3.3.1.2 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC buck .............................................55
3.3.1.3 Phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC boost ............................................58
3.3.1.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC.................60


-v-

3.3.1.5 Mô phỏng đánh giá phương pháp IB-SMC ...................................................62
3.3.2 Phương pháp IB-AVC..........................................................................................69
3.3.2.1 Nguyên lý chung của phương pháp IB-AVC ................................................69
3.3.2.2 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC buck .............................................71
3.3.2.3 Phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC boost ............................................73
3.3.2.4 Chiến lược điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC.................75
3.3.2.5 Kết quả mô phỏng phương pháp IB-AVC .....................................................77
3.3.3 So sánh hiệu quả năng lượng và khả năng ứng dụng ...........................................81
3.4 Điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời ......................................................86
3.4.1 Cấu trúc điều khiển ghép nối lưới ........................................................................86
3.4.2 Mô phỏng hệ thống điều khiển ghép nối lưới cho nguồn pin mặt trời .................87
3.5 Kết luận chương 3 ......................................................................................................97
CHƯƠNG 4 .........................................................................................................................99
KIỂM CHỨNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN MÔ HÌNH THIẾT BỊ THỰC ............99
4.1 Xây dựng mô hình cấu trúc thiết bị thực ....................................................................99
4.2 Các thiết bị chính ......................................................................................................101
4.2.1 Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt trời .......................................................101
4.2.2 Cảm biến đo nhiệt độ .........................................................................................102

4.2.3 Ắc quy ................................................................................................................102
4.2.4 Sơ đồ đấu nối mạch lực và điều khiển ...............................................................102
4.2.5 Lắp đặt các thiết bị và cài đặt .............................................................................105
4.3 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực ...........................................................106
4.4 Kết quả thực nghiệm.................................................................................................109
4.4.1 Kiểm chứng tính chính xác của giải pháp đã đề xuất ........................................109
4.4.2 Đánh giá hiệu quả năng lượng của giải pháp đã đề xuất ....................................110
4.5 Kết luận chương 4 ....................................................................................................115
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ...........................................................................................117


-vi-

DANH MỤC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC CÓ LIÊN QUAN ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ CÔNG
BỐ ......................................................................................................................................119
TÀI LIỆU THAM KHẢO .................................................................................................120
PHỤ LỤC ..........................................................................................................................132


-vii-

KÝ HIỆU VIẾT TẮT
Ký hiệu

Cụm từ được viết tắt trong tiếng Việt

Cụm từ được viết tắt từ tiếng Anh

tương đương

tương đương

AC

Dòng điện xoay chiều

Alternative Current

AI

Trí thông minh nhân tạo

Artificial Intelligence

ANN

Mạng nơron nhân tạo

Artificial Neural Network

AVC

Điều khiển điện áp trung bình

Average Voltage Control

BBĐ

Bộ biến đổi điện tử công suất

Power Converter

CS

Tín hiệu điều khiển

Control Signal

CV

Điện áp không đổi

Constant Voltage

DC

Dòng điện một chiều

Direct Current

DCbus

Thanh cái điện áp một chiều
Điều khiển dò tìm cực trị

Extremum seeking control

FL

Logic mờ

Fuzzy Logic

IB

Kỹ thuật dò và chia đôi

Iterative and Bisectional technique

ESC

IB-AVC Phương pháp dò và chia đôi - Điều Iterative and Bisectional - Average
khiển điện áp trung bình

Voltage Control method

IB-SMC Phương pháp dò và chia đôi - Điều Iterative and Bisectional - Sliding
khiển trượt

Mode Control method

INC

Điện dẫn gia tăng

Incermental Conductance

MBA

Máy biến áp

Transformer

MPP

Điểm công suất cực đại

Maximum Power Point

Bộ bám điểm công suất cực đại

Maximum Power Point Tracking

OG

Độ dốc tối ưu

Optimal Gradient

OV

Điện áp hở mạch

Open-Circuit Voltage

P&O

Dao động và quan sát

Perturb and Observe

PSO

Tối ưu bầy đàn

Particle Swarm Optimization

PVg

Nguồn pin mặt trời, hệ thống pin mặt

Photovoltaic power generation,

trời, cell/module/panel/array pin mặt

Photovoltaic system,

trời, pin mặt trời

Photovoltaic module/panel/array,

MPPT

solar cell/module/panel/array.
PYR

Cảm biến đo công suất của bức xạ mặt

Pyranometer

-viii-

trời
Dòng điện ngắn mạch

Short-Circuit Current

SMC

Điều khiển trượt

Sliding Mode Control

STC

Điều kiện vận hành tiêu chuẩn

Standard Test Condition

SW

Khóa chuyển mạch

Switch

TempS

Cảm biến đo nhiệt độ

Temperature sensor

THD

Tổng độ méo sóng hài

Total Harmonic Distorsion

SC


-ix-

KÝ HIỆU
Ký hiệu

Đơn vị

C

F

CTI
CTP
CTV

Ý nghĩa
Điện dung

%/0C hoặc mA/0C Hệ số thay đổi của dòng điện theo nhiệt độ

%/0C

Hệ số thay đổi của Pmpp theo nhiệt độ

%/0C hoặc mV/0C Hệ số thay đổi của điện áp theo nhiệt độ
Hệ số điều chế độ rộng xung trung bình hoặc tức thời

D, d

Tần số phát xung

fS

kHz

G

W/m2

g

1/Ω

I01, I0

A

Dòng quang điện bão hòa

Id1, Id

A

Dòng điện chạy qua diode của PVg

ig

A

Dòng điện các pha tức thời tại điểm liên kết với lưới

Ig

A

Biên độ dòng điện các pha tại điểm liên kết với lưới

IL, iL

A

Dòng điện trung bình hoặc tức thời qua cuộn cảm BBĐ

Impp

A

Dòng điện tại MPP

Ip1, Ip

A

Dòng điện chạy qua điện trở song song của PVg

Iph1, Iph

A

Dòng quang điện phát ra của PVg

ipv1, ipv,

A

Dòng điện tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVg

ISC1, ISC

A

Dòng điện ngắn mạch của PVg

k

eV/K

Hằng số Boltzmann

Ka

W/A

Đánh giá độ trượt của công suất theo dòng điện và có ảnh

Công suất của bức xạ mặt trời
Điện dẫn tải của PVg

Ipv

hưởng đến dải trễ của đường đặc tính công suất
Đặc trưng cho dải trễ của điện áp phát ra từ PVg,

Kb
Kc
kVmppDC

V/A

Đánh giá độ trượt của điện áp theo dòng điện
Hệ số tương quan về dòng điện tại MPP so với ISC


-x-

Hệ số tương quan về điện áp tại MPP so với VOC

kVmppOV
L

H

Điện cảm

n

Hệ số đặc trưng của diode

Np

Số lượng đơn vị ghép song song của PVg

NS

Số lượng đơn vị ghép nối tiếp của PVg

Pdc

kW

Công suất trên DCbus

Pinv

kW

Công suất tác dụng ở phía AC của BBĐ DC/AC

Pmpp

W, kW

q

C

Qinv

kVA

Rdc, R

Ω

Công suất tại MPP
Điện tích của electron

Công suất phản kháng ở phía AC của BBĐ DC/AC
Điện trở cuộn cảm phía DCbus và điện trở phía AC của
BBĐ DC/AC

Req

Ω

Điện trở tương đương của PVg

Rp1, Rp

Ω

Điện trở song song của PVg

RS1, RS

Ω

Điện trở nối tiếp của PVg

C hoặc 0K

Nhiệt độ lớp tiếp giáp p-n

T
Tamb

0

0

C hoặc 0K

Nhiệt độ môi trường

Ti

s

Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo dòng điện

TS

s

Chu kỳ phát xung

Tv

s

Hằng số thời gian của khâu lọc tín hiệu đo điện áp

Ug

V

Biên độ điện áp pha của lưới điện

ug

V

Điện áp pha tức thời tại điểm liên kết với lưới điện

Ug

V

Biên độ điện áp tại điểm liên kết với lưới điện

uinv

V

Điện áp pha tức thời ở đầu ra BBĐ DC/AC
Tín hiệu điều khiển tương đương

ueq,
ueqref
Vdc, vdc

V

Điện áp trung bình hoặc tức thời trên DCbus


-xi-

Veq

V

Điện áp tương đương của PVg

Vmpp1,

V

Điện áp tại MPP

V

Điện áp hở mạch của PVg

V

Điện áp tức thời hoặc trung bình phát ra từ PVg

V

Điện áp nhiệt lớp tiếp giáp p-n

Vmpp
VOC1,
VOC
Vpv1,
vpv, Vpv
Vt1, Vt


-xii-

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1. 1 Phương pháp tổ hợp PVg.......................................................................................6
Hình 1. 2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVg ..........................................................6

Hình 1. 3 Phân loại kỹ thuật tìm MPP .................................................................................14
Hình 2. 1 Sơ đồ mạch tương đương mỗi cell của PVg ........................................................19
Hình 2. 2 Đường đặc tính vpv-ipv và vpv-ppv trên mặt phẳng v-i, v-p ...................................20

Hình 2. 3 Đường đặc tính vpv-ipv của tổ hợp NS cell nối tiếp hoặc Np cell song song .........22
Hình 2. 4 Độ dốc đường tiếp tuyến tại điểm ngắn mạch của đường đặc tính vpv-ipv ...........24
Hình 2. 5 Phương pháp Newton-Raphson ..........................................................................26
Hình 2. 6 Thuật toán Newton-Raphson xác định thông số ẩn của PVg ..............................29

Hình 2. 7 Thuật toán xác định cặp giá trị tương ứng giữa vpv(i) với ipv(i) .............................32
Hình 2. 8 Trạng thái dịch chuyển của các điểm kế tiếp nhau ..............................................32
Hình 2. 9 Quá trình dò tìm MPP trên đường đặc tính vpv-ppv ..............................................33
Hình 2. 10 Thuật toán IB tìm MPP......................................................................................34
Hình 2. 11 Thuật toán kiểm tra hệ phương trình mô tả PVg ...............................................36
Hình 2. 12 Đường cong mô tả các số liệu rời rạc ................................................................38
Hình 2. 13 Đường cong mô tả hàm số n(T) ứng với MF165EB3 và SV-55 .......................40
Hình 2. 14 Đồ thị VOC, ISC, Pmpp tính toán được của MF165EB3........................................41
Hình 2. 15 Đồ thị VOC, ISC, Pmpp tính toán được của SV-55 ................................................41
Hình 2. 16 Đường đặc tính vpv-ipv, vpv-ppv tương ứng với MF165EB3 ...............................42
Hình 2. 17 Đường đặc tính vpv-ipv, vpv-ppv tương ứng với SV-55........................................42
Hình 2. 18 Mô hình hóa đầy đủ PVg ...................................................................................43
Hình 3. 1 Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ thống khai thác PVg theo mô hình đầy đủ ............45
Hình 3.2 Quá trình di chuyển của các điểm vận hành khi sử dụng phương pháp IB-AVC 47

Hình 3. 3 Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC buck .........................................................51
Hình 3.4 Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC buck .......................51
Hình 3.5 Sơ đồ mạch tương đương ở trạng thái tín hiệu nhỏ BBĐ DC/DC buck ...............52
Hình 3. 6 Sơ đồ cấu tạo mạch lực BBĐ DC/DC boost ........................................................53
Hình 3.7 Sơ đồ mạch tương đương trạng thái đóng cắt BBĐ DC/DC boost ......................53
Hình 3.8 Sơ đồ mạch tương đương ở trạng thái tín hiệu nhỏ BBĐ DC/DC boost ..............53
Hình 3. 9 Cấu trúc điều khiển PVg theo phương pháp IB-SMC .........................................55
Hình 3.10 Dạng quỹ đạo trượt về MPP mới khi điều khiển theo phương pháp IB-SMC ...61
Hình 3.11 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-SMC cho BBĐ DC/DC ...............62

-xiii-

Hình 3. 12 Kịch bản biến thiên của G ..................................................................................63
Hình 3. 13 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC buck theo
phương pháp IB-SMC..........................................................................................................65

Hình 3. 14 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC boost theo
phương pháp IB-SMC..........................................................................................................66

Hình 3. 15 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink khối PVg và bộ điều khiển IB-SMC ...67
Hình 3. 16 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) khi điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-SMC

.............................................................................................................................................68
Hình 3. 17 Mạch vòng điều khiển PVg theo phương pháp IB-AVC...................................69
Hình 3.18 Cấu trúc mạch vòng dòng điện và mạch vòng điện áp điều khiển BBĐ DC/DC
.............................................................................................................................................70
Hình 3. 19 Mô hình Thevenin mạch điện tương đương của PVg ........................................72
Hình 3.20 Chiến lược điều khiển theo phương pháp IB-AVC cho BBĐ DC/DC ...............77
Hình 3. 21 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển IB-AVC ...........................................................77
Hình 3. 22 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC buck theo
phương pháp IB-AVC..........................................................................................................78

Hình 3. 23 Sơ đồ mô phỏng trên Matlab/Simulink điều khiển BBĐ DC/DC boost theo
phương pháp IB-AVC..........................................................................................................79

Hình 3. 24 Đặc tính ppv, Pmpp, A(t) khi điều khiển BBĐ DC/DC theo phương pháp IB-AVC
.............................................................................................................................................80
Hình 3. 25 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=1000 W/m282
Hình 3. 26 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=600 W/m2 .82

Hình 3. 27 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC buck và G=200 W/m2 .83
Hình 3. 28 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=1000 W/m2
.............................................................................................................................................83
Hình 3. 29 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=600 W/m2 84
Hình 3. 30 Đồ thị hiệu quả năng lượng khi sử dụng BBĐ DC/DC boost và G=200 W/m2 84
Hình 3. 31 Cấu trúc điều khiển phía lưới .............................................................................87
Hình 3.32 Cấu trúc ghép nối PVg từ các panel MF165EB3 ................................................88
Hình 3.33 Đặc tính vpv-ipv và vpv-ppv của cấu trúc PVg ghép ..............................................89
Hình 3.34 Cấu trúc mô phỏng toàn hệ thống trên Matlab/Simulink....................................91
Hình 3.35 Đặc tính ppv(t), Pmpp(t), A(t) của PVg cấu trúc ghép ...........................................92
Hình 3.36 Đặc tính vpv(t), Vmpp(t) của PVg cấu trúc ghép ...................................................92
Hình 3.37 Đặc tính ipv(t), Impp(t) của PVg cấu trúc ghép .....................................................93


-xiv-

Hình 3.38 Đặc tính ppv(t) và công suất phát vào lưới ..........................................................94
Hình 3. 39 Dòng điện iinv và điện áp uinv ở đầu ra BBĐ DC/AC thời điểm 1s ....................95
Hình 3. 40 Dòng điện iinv và điện áp uinv ở đầu ra BBĐ DC/AC thời điểm 2s ....................95
Hình 3. 41 Phổ tần số và hàm lượng sóng hài của iinv .........................................................96
Hình 3. 42 Phổ tần số và hàm lượng sóng hài của uinv ........................................................96
Hình 4. 1 Mô hình thiết bị thực của hệ thống 1 .................................................................100
Hình 4. 2 Mô hình thiết bị thực của hệ thống 2 .................................................................100
Hình 4. 3 Cảm biến PYR-BTA đo công suất của bức xạ mặt trời .....................................101
Hình 4. 4 Cảm biến LM35 đo nhiệt độ ..............................................................................102
Hình 4. 5 Cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển thực nghiệm .........................................104

Hình 4. 6 Các thiết bị trên mô hình thực ...........................................................................105
Hình 4. 7 Thuật toán điều khiển của hệ thống 1 ................................................................106
Hình 4. 8 Thuật toán điều khiển/quản lý năng lượng của hệ thống 2 ................................107

Hình 4. 9 Chương trình giám sát/điều khiển trên máy tính ...............................................107
Hình 4. 10 Phương thức vận hành mô hình thiết bị thực ...................................................108
Hình 4. 11 Kiểm chứng tính chính xác của các điểm mới trong luận án ...........................109
Hình 4. 12 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O ....................111
Hình 4. 13 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật CV.......................113
Hình 4. 14 Đồ thị G, T, Pmpp, ppv khi so sánh kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp...................114


-xv-

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1 Datasheet của PVg ở STC ...................................................................................30
Bảng 2. 2 Kết quả tính toán thông số ẩn của PVg ở STC ....................................................30
Bảng 2. 3 Kết quả xác định thông số tại MPP sử dụng kỹ thuật IB ....................................35
Bảng 2. 4 Kiểm tra giá trị của Pmpp khi G thay đổi, T=Tstc ..................................................37
Bảng 2. 5 Kiểm tra giá trị của Pmpp khi T thay đổi, G=Gstc .................................................37
Bảng 2. 6 Kiểm tra lại ảnh hưởng của T khi G=Gstc, T biến thiên tới Pmpp .........................40
Bảng 3. 1 Giá trị các thông số mô phỏng của cấu trúc PVg ghép .......................................88
Bảng 4. 1 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật P&O......................112
Bảng 4. 2 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật CV ........................112
Bảng 4. 3 So sánh hiệu quả năng lượng của kỹ thuật IB với kỹ thuật Temp....................114


1

MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài
Trong bối cảnh các nguồn năng lượng truyền thống như nhiệt điện, thủy
điện,... ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường, động lực sử dụng các nguồn
năng lượng tái tạo như mặt trời, gió đang ngày càng trở nên mạnh mẽ. Tỷ trọng các

loại nguồn này đang tăng lên theo cấp số nhân qua các năm, nhận được sự quan tâm
của chính phủ các quốc gia trên toàn thế giới, các nhà khoa học ở tất cả lĩnh vực

liên quan.
Nguồn pin mặt trời (PVg) với ưu thế không gây tiếng ồn, có thể lắp đặt ở mọi
nơi kể cả trong khu dân cư đã giúp cho quá trình phổ biến loại nguồn này trong hệ
thống điện nhanh hơn so với các nguồn khác. Trong đó, vấn đề khai thác tối đa khả
năng phát công suất nhờ các biện pháp tìm điểm công suất cực đại (MPP) và các kỹ
thuật điều khiển bộ biến đổi (BBĐ) hoặc các loại BBĐ khác nhau trong hệ thống

khai thác PVg là mục tiêu trọng tâm trong các nghiên cứu cả trong nước và trên thế
giới của các nhà điều khiển học.
Hiện nay, đã có rất nhiều các nghiên cứu về tìm MPP. Tuy nhiên, chưa có
nghiên cứu nào giải quyết một cách trọn vẹn vấn đề khai thác tối đa công suất ở
điều kiện vận hành bất kỳ dựa trên mô hình đầy đủ của PVg, qua đó chưa đánh giá
được hiệu quả năng lượng thực sự đầy đủ, chính xác trong quá trình khai thác PVg.
Nguyên nhân của điều này là trước đây các thiết bị đo công suất của bức xạ mặt trời
(G), nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n chưa thực sự phổ biến, chưa phù hợp với mỗi
chủng loại PVg, giá thành cao. Đặc biệt, mô hình toán học của PVg phục vụ cho
quá trình mô hình hóa, mô phỏng, thực nghiệm cũng chưa nhận được sự quan tâm
và giải quyết triệt để.
Bởi vậy tác giả chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu một số phương pháp

nâng cao hiệu quả khai thác nguồn pin mặt trời " nhằm hoàn thiện các vấn đề
còn đang bỏ ngỏ hoặc chưa quan tâm đầy đủ như đã kể trên.


-2-

Mục đích nghiên cứu

Đề tài tập trung nghiên cứu hoàn thiện mô hình toán học cho PVg, xây dựng
giải pháp giúp xác định chính xác thông số tại MPP, qua đó thiết lập các biện pháp
điều khiển khai thác tối đa công suất của PVg trong mọi điều kiện vận hành thực tế,
có xét tới sự thay đổi ngẫu nhiên của (G, T).
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: Cấu trúc hệ thống khai thác PVg được làm từ chất
bán dẫn cấu trúc tinh thể trong mạng điện phân tán công suất vừa và nhỏ.

- Phạm vi nghiên cứu: các cell của PVg là đồng nhất và làm việc trong điều
kiện giống nhau.
Trọng tâm nghiên cứu của luận án

- Nghiên cứu áp dụng phương pháp Newton-Raphson xác định các thông số ẩn
cho PVg.
- Đề xuất áp dụng kỹ thuật IB (dò và chia đôi) xác định thông số tại MPP và
mối quan hệ giữa hệ số đặc trưng của n với nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n.

- Kết hợp kỹ thuật IB trong bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT) với kỹ
thuật điều khiển trượt (SMC) hoặc kỹ thuật điều khiển điện áp trung bình (AVC) để
điều khiển BBĐ DC/DC buck và BBĐ DC/DC boost nhằm đạt được mục tiêu bám
đuổi được MPP ở mọi thời điểm, qua đó nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng từ

PVg.
- Hoàn thiện cấu trúc ghép nối lưới cho PVg, thực hiện việc điều khiển khai
thác tối đa công suất thu được từ PVg.

- Xây dựng cấu trúc mô phỏng hệ thống bằng Matlab để kiểm chứng các kết
quả nghiên cứu lý thuyết, đồng thời kết hợp cho cài đặt điều khiển trên mô hình
thiết bị thực.

Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích hệ thống và xác định đặc thù của đối tượng nghiên cứu thông qua
nhiều cách tiếp cận.


-3-

- Lựa chọn và xây dựng những công cụ tính toán toán học cần thiết cho nghiên
cứu.

- Lựa chọn công cụ đánh giá và kiểm chứng kết quả nghiên cứu, cụ thể là: Mô
hình hóa mô phỏng bằng phần mềm Matlab và cài đặt thử nghiệm thuật toán điều
khiển trên mô hình thiết bị thực.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

- Ý nghĩa khoa học chính của đề tài là hoàn thiện được mô hình toán học cho
cấu trúc PVg bất kỳ, xây dựng và giải quyết được bài toán xác định chính xác thông
số tại MPP ở điều kiện vận hành thực tế, qua đó thiết lập các biện pháp điều khiển
giúp khai thác hoàn toàn công suất ở mọi điều kiện vận hành với các giá trị bất kỳ
của (G, T).

- Ý nghĩa thực tiễn chính là xây dựng mô hình toán đầy đủ của PVg bổ sung
cho các tài liệu, sách, đồng thời làm cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu về lĩnh
vực điều khiển khai thác loại nguồn này. Hơn nữa, đề tài cũng đem lại những kinh
nghiệm cài đặt và điều khiển đối với hệ thống khai thác PVg nói riêng và các dạng
nguồn phân tán sử dụng năng lượng tái tạo khác nói chung.
Cấu trúc luận án
Luận án được bố cục thành 4 chương.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về vấn đề nghiên cứu thông qua cách tiếp cận

khoa học dựa trên nguồn tài liệu cập nhật là các công bố khoa học trên thế giới liên
quan đến hướng nghiên cứu của đề tài. Phân tích và xác định những vấn đề cần
nghiên cứu cho đề tài.
Chương 2: Trình bày những nghiên cứu chính về PVg.

- Xây dựng mô hình đầy đủ cho PVg, bổ sung những thông số mới chưa được
nói tới trong các nghiên cứu trước đây.

- Xây dựng thuật toán mới xác định chính xác MPP đối với mô hình PVg đầy
đủ.


-4-

- Đề xuất áp dụng kết quả nghiên cứu trên trong cấu trúc nguồn phân tán công
suất vừa và nhỏ.
Chương 3: Thiết kế hệ thống điều khiển PVg đáp ứng mục tiêu của đề tài.

- Xây dựng mô hình đối tượng điều khiển là mạch lực hệ thống khai thác PVg
có kết nối lưới.

- Thiết kế bộ điều khiển có áp dụng thuật toán mới đã xây dựng được trong
chương 2.

- Mô phỏng điều khiển hoạt động của hệ thống, so sánh chất lượng điều khiển
với các phương pháp trước đây.
Chương 4: Xây dựng mô hình thực nghiệm với quy mô nhỏ, đủ để kiểm chứng
một số kết quả nghiên cứu.

- Xây dựng sơ đồ lắp đặt và đấu nối các thiết bị mạch lực với thiết bị đo, thiết

bị điều khiển.

- Cài đặt điều khiển trên thiết bị thực.
- Đánh giá các kết quả thực nghiệm thu được để thấy được tính đúng đắn của
sự kết hợp giữa kỹ thuật IB và AVC. Đồng thời, so sánh hiệu quả năng lượng trong
cùng một điều kiện vận hành thực tế đối với hệ thống có áp dụng kết quả nghiên
cứu mới và với hệ thống áp dụng một số phương pháp điều khiển trước đây.

Kết luận chung của luận án và kiến nghị.


-5-

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 Khái quát về nguồn pin mặt trời
PVg phổ biến hiện nay được cấu thành từ các chất bán dẫn cấu trúc tinh thể
(các nguyên tố thuộc phân nhóm chính nhóm IV trong bảng tuần hoàn các nguyên
tố hóa học) như Silicon, Germanium và hình thành một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có
khả năng biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu
ứng quang điện bên trong. Các nguyên tố như Boron, Photpho, Gallium, Cadmium
và Tellurium cũng được sử dụng như các chất phụ gia để gia tăng khả năng dẫn
điện cho PVg. Khi chiếu sáng lớp tiếp xúc p-n, các cặp điện tử - lỗ trống được tạo
thành, do tác dụng của điện trường tiếp xúc nên các cặp bị tách ra, bị gia tốc về các
phía đối diện và tạo nên một sức điện động quang điện.
Một đặc điểm cơ bản của PVg là luôn phát dòng điện một chiều ra mạch ngoài
khi có tải và bức xạ mặt trời chiếu vào. Mối quan hệ giữa dòng điện ipv và điện áp

vpv phát ra từ PVg là một mối quan hệ phi tuyến phức tạp, trong đó công suất phát
ra tại mỗi thời điểm phụ thuộc vào nhiệt độ T của lớp tiếp giáp p-n, công suất của
bức xạ mặt trời G và mức tiêu thụ của phụ tải [71]. Đồng thời, quá trình chuyển từ
trạng thái vận hành này sang trạng thái vận hành khác là tức thời và không bị ảnh
hưởng bởi các yếu tố liên quan đến quán tính.
Mặt khác, PVg luôn tồn tại một trạng thái vận hành mà công suất phát ra là
lớn nhất tương ứng với mỗi cặp giá trị (G, T). Khai thác được trạng thái vận hành
này sẽ giúp khắc phục được nhược điểm hiệu suất thấp, giá thành cao của dạng
nguồn này. Điều này có thể đạt được nhờ điều chỉnh lượng tải hấp thụ tương ứng
với công suất tại MPP.
Xuất phát từ các cell đơn lẻ với công suất và điện áp nhỏ, PVg thường được sử
dụng dưới dạng tổ hợp các cell thành module, tổ hợp các module thành panel, tổ
hợp các panel thành array như mô tả trên hình 1. 1 [58]. Trong đó, các nhà sản xuất
cung cấp ra thị trường các sản phẩm được đóng gói dưới dạng các panel.


-6-

Hình 1. 1 Phương pháp tổ hợp PVg

1.2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác nguồn pin mặt trời
PVg được khai thác trong mạng điện cô lập hoặc kết nối với lưới điện (1 pha
hoặc 3 pha) qua các BBĐ, máy biến áp (MBA). Cấu trúc chung của hệ thống này
được mô tả trên hình 1. 2 [48], [73], [74], [87], [95], [97], [103].

Mạng cô lập

DCbus

Phụ tải DC

DC
Kho điện

Kết nối lưới

DC
DC

DC

AC

DC

ipv

CS1

CS3

Điều khiển
dòng/áp

Thông tin G, T
Giám
sát/điều
khiển

Truyền

thông tin

MBA
~

PVg

vpv

L

Chức năng cơ bản

Chức năng
nâng cao

Lưới
điện

Phụ tải AC

ig

CS2

Vdc

Điều khiển
Vdc

Đồng bộ
với lưới

MPPT

Tích trữ
điện năng

Bù sóng
hài

Điều khiển
(P, Q, f)

Thu thập thông tin, điều khiển, phân phối điện năng

Hình 1. 2 Cấu trúc chung của hệ thống khai thác PVg

ug


-7-

Các thông tin cần phải thu thập để thực hiện điều khiển, phân phối điện năng
là vpv, ipv, G, T, điện áp Vdc trên DCbus, điện áp ug và dòng điện ig tại điểm kết nối
lưới. Các bộ điều khiển sử dụng các thông tin thu thập được để tính toán, đưa ra các
quyết định về xung điều khiển CS1, CS2, CS3 nhờ các kỹ thuật điều khiển nhằm
thực hiện các chức năng cơ bản hoặc nâng cao như đã mô tả trên hình 1. 2.
Để thực hiện được vai trò điều khiển dòng năng lượng từ PVg cung cấp cho
phụ tải hoặc kết nối với lưới điện, các BBĐ đều sử dụng phần tử bán dẫn không

điều khiển như diode hoặc khóa chuyển mạch SW có điều khiển như thyristor,

GTO, BJT, MOSFET, IGBT kết hợp với các phần tử có khả năng tích, phóng năng
lượng như tụ điện C, cuộn cảm L. Với BBĐ DC/DC, sự thay đổi vị trí của SW có
thể thực hiện vai trò tăng áp (boost), giảm áp (buck) hoặc vừa boost vừa buck. Với
BBĐ DC/AC, các SW được điều khiển phối hợp để điều tiết dòng năng lượng trong
mỗi chu kỳ, qua đó thực hiện vai trò giữ Vdc ở giá trị không đổi, ghép nối với lưới
điện, phát công suất vào lưới điện.

1.3 Tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước về pin mặt trời
1.3.1 Tình hình nghiên cứu trên thế giới
Các nghiên cứu về PVg hiện nay đều tập trung vào bài toán nâng cao hiệu quả

khai thác PVg, quản lý/điều tiết năng lượng, áp dụng các biện pháp điều khiển để
nâng cao chất lượng điện năng trong các bài toán ghép nối lưới.
Nâng cao hiệu quả khai thác để khắc phục nhược điểm giá thành cao và hiệu
suất thấp của PVg. Vấn đề này có thể được phân chia thành 3 hướng giải quyết như

sau:
- Dịch chuyển điểm vận hành về MPP thông qua việc đưa điện áp vpv về điện
áp Vmpp tại MPP, ipv về dòng điện Impp tại MPP, điện dẫn g= ipv/vpv về giá trị điện
dẫn tối ưu (Impp/Vmpp) hoặc đưa công suất tức thời ppv phát ra từ PVg về công suất

Pmpp tại MPP ở thời điểm bất kỳ. Vì vậy, hệ thống khai thác PVg luôn được trang bị
bộ bám điểm công suất cực đại (MPPT) với những kỹ thuật khác nhau để xác định
thông số tại MPP và sử dụng với các kỹ thuật điều khiển để đưa đầu vào của BBĐ
về thông số tại MPP do MPPT cung cấp.


-8-

Kỹ thuật tìm MPP đơn giản nhất là điện áp hằng (CV) chỉ sử dụng một cảm
biến đo điện áp trên cơ sở coi điện áp tại MPP gần như không thay đổi so với giá trị

Vmpp ở STC. Giá trị này sẽ được bộ điều khiển duy trì không đổi trong suốt quá
trình vận hành PVg [71], [77], [78].
Kỹ thuật dòng điện ngắn mạch (SC) sử dụng một phần tử đóng cắt theo chu kỳ

mắc song song vào hai đầu PVg để gây ngắn mạch và một cảm biến đo giá trị dòng
điện ngắn mạch (ISC) tại thời điểm xét. Tương tự, kỹ thuật điện áp hở mạch (OV) sử
dụng một phần tử đóng cắt theo chu kỳ mắc nối tiếp với PVg và một cảm biến đo
điện áp để đo giá trị điện áp hở mạch (VOC) tại thời điểm xét. Hai kỹ thuật này có
cách thực hiện khá tương đồng, thông tin về MPP được xác định bởi tích của hệ số

dòng kImppSC so với dòng điện ngắn mạch hoặc hệ số áp kVmppOV so với điện áp hở
mạch [30], [71], [77], [78].

Các kỹ thuật tạo nhiễu loạn và quan sát (P&O), điện dẫn gia tăng (INC), dò
tìm cực trị (ESC), trọng lượng 3 điểm đều sử dụng cảm biến đo dòng điện và điện
áp ở đầu ra của PVg tại mỗi thời điểm đo để đưa ra nhận định về điểm vận hành.
Trong đó, kỹ thuật P&O đánh giá dấu độ lệch sự biến thiên công suất với điện áp

(dppv/dvpv) giữa hai thời điểm liên tiếp trong khi kỹ thuật INC lại đánh giá dấu của
độ lệch điện dẫn tức thời g với độ gia tăng điện dẫn dipv/dvpv (dipv/dvpv+g) giữa hai
thời điểm liên tiếp [30], [68], [71], [72], [77], [78]. Kỹ thuật ESC thực hiện quan sát
dao động dựa trên việc thêm một sóng dao động hình sin vào tín hiệu vpv (hoặc ipv)
để đánh giá dao động công suất [30], [32], [71], [81], [82]. Kỹ thuật trọng lượng 3
điểm (three-point weight) là một kỹ thuật giúp tìm MPP thông qua quá trình thay
đổi độ rộng xung và quan sát công suất thu được của 3 trạng thái gần nhất thông qua
quá trình chủ động thay đổi độ rộng xung để thử phản ứng của PVg nên kỹ thuật

trọng lượng 3 điểm khá tương đồng với kỹ thuật P&O, INC [54], [71]

Kỹ thuật nhiệt độ (Temp) đưa ra thông tin về Vmpp nhờ việc sử dụng giá trị
điện áp tại MPP ở STC, hệ số thay đổi điện áp theo nhiệt độ (CTV) và thông tin về T
nhờ cảm biến đo nhiệt độ (TempS) [39], [71]. Kỹ thuật này không đánh giá ảnh
hưởng sự thay đổi của G đến Vmpp.