Nghiên cứu và phát triển giải thuật mppt cho pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
-----------------------------------

NGÔ NGỌC THẠCH

NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT MPPT
CHO PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
CHUYÊN NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
MÃ SỐ CHUYÊN NGÀNH: 60 52 50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2014


Cơng trình được hồn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : ......................................................................
.......................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :..............................................................................
.......................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :..............................................................................
.......................................................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG 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)

1. .................................................................
2. .................................................................
3. .................................................................
4. .................................................................
5. .................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận văn và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

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

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

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên: Ngô Ngọc Thạch

MSHV: 11180118

Ngày, tháng, năm sinh: 27 – 10 – 1988

Nơi sinh: Bình Định

Chuyên ngành : Thiết Bị, Mạng và Nhà Máy Điện

Mã số: 605250

I. TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU VÀ PHÁT TRIỂN GIẢI THUẬT MPPT CHO PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI.
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
II.1 Nghiên cứu các giải thuật MPPT truyền thống và được cải tiến.
II.2 Phát triển giải thuật INC
II.3 So sánh và đánh giá các giải thuật MPPT.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21 – 01 – 2013.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 22 – 06 – 2014.
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: NGUYỄN QUANG NAM
Tp. HCM, ngày …… tháng ……. năm 20…
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

( Họ tên và chữ ký)

( Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ
( Họ tên và chữ ký)

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên xin được gửi lời cám ơn chân thành đến Ba Mẹ người
đã sinh ra và có cơng dưỡng dục cho con nên người.
Xin bày tỏ lịng biết ơn đến tất cả thầy cô, giảng viên trường Đại
học Bách Khoa- Đại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh đã truyền đạt
tất cả những kiến thức bổ ích cho chúng tơi, giúp chúng tơi có cơ sở
để hồn thành đề tài này.
Đặc biệt, tôi xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Nguyễn Quang
Nam đã giúp đỡ tôi nhiều mặt về kỹ thuật cũng như tinh thần, cho
chúng tơi những lời khun bổ ích và kịp thời trong những lúc khó
khăn nhất.
Ngồi ra, tơi cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả các bạn bè, người
thân đã giúp đỡ em rất nhiều trong quá trình thực hiện luận văn tốt
nghiệp này.

TP.HCM, tháng 06 / 2014
Sinh viên
Ngô Ngọc Thạch


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan: Luận văn này là cơng trình nghiên cứu thực sự của cá
nhân, được thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của thầy Nguyễn Quang Nam.
Các số liệu, những kết luận nghiên cứu được trình bày trong luận văn này
trung thực và chưa từng được cơng bố dưới bất cứ hình thức nào.
Tơi xin chịu trách nhiệm về nghiên cứu của mình.
TP.Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2014
Người thực hiện

Ngô Ngọc Thạch


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Đề tài khảo sát các giải thuật MPPT phổ biến đã được công bố những năm gần
đây, phân tích thuận lợi cũng như hạn chế của từng phương pháp. Các kỹ thuật cực
tiểu, điều khiển tối ưu cho các phương pháp MPPT. Đề tài lựa chọn phương pháp INC
để phát triển. Đề xuất phương pháp INC với bước nhảy thay đổi để khắc phục một số
hạn chế của phương pháp INC truyền thống. Kiểm tra thực nghiệm một số phương
pháp được nghiên cứu, và phương pháp INC được để xuất. So sánh các phương pháp
MPPT.
Chương 1 Giới thiệu tổng quan, mục đích, đối tượng, giới hạn và phương pháp nghiên
cứu của đề tài. Chương 2 tập trung mô tả hệ thống điện mặt trời, khảo sát các thành
phần chính của hệ thống điện mặt trời độc lập. Đưa ra cái nhìn tổng quát những vấn đề
của hệ thống điện mặt trời gặp phải, và sự cần thiết của MPPT. Chương 3 khảo sát các
phương pháp MPPT được cơng bố trong những năm gần đây, phân tích những thuận lợi
cũng như hạn chế của từng phương pháp. Trình bày các kỹ thuật cực tiểu, điều khiển để
tối ưu các phương pháp MPPT. Lựa chọn phương pháp MPPT INC với nhiều ưu điểm,
tác giả cải tiến phương pháp này để giải quyết những giới hạn của phương pháp INC
truyền thống khi bức xạ, nhiệt độ thay đổi đột ngột và bị che khuất. Chương 4 trình bày
các kết quả thực nghiệm của một số giải thuật MPPT được khảo sát trên hệ thống điện
mặt trời độc lập công suất 320W. So sánh các kết quả giải thuật này. Kết luận và kiến
nghĩ những nghiên cứu tiếp theo.


Luận văn Thạc Sĩ

Trang i

MỤC LỤC

MỤC LỤC ................................................................................................................... i
DANH MỤC HÌNH .................................................................................................. iv
DANH MỤC BẢNG ................................................................................................. vi
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ..........................................................................................1
1.1

Tổng quan ......................................................................................................1

1.2

Mục đích nghiên cứu .....................................................................................2

1.3

Đối tượng nghiên cứu ....................................................................................3

1.4

Giới hạn đề tài ...............................................................................................4

1.5

Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................4

1.6

Tóm tắt đề tài .................................................................................................4

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................5
2.1

Giới thiệu .......................................................................................................5

2.1.1

Hệ thống nối lưới ....................................................................................5

2.1.2

Hệ thống độc lập .....................................................................................6

2.1.3

Những hệ thống khác ..............................................................................6

2.2

Các thành phần trong hệ thống điện mặt trời ................................................8

2.3

Pin quang điện ...............................................................................................9

2.3.1

Cấu trúc tế bào quang điện .....................................................................9

2.3.2

Tấm pin quang điện/ hệ pin quang điện................................................10

2.3.3

Mơ hình tế bào quang điện ...................................................................11

2.3.4

Đặc tuyến I – V với tải điện trở ............................................................14

2.3.5

Ảnh hưởng của bức xạ tới MPP............................................................17

2.3.6

Ảnh hưởng của nhiệt độ tới MPP .........................................................19

2.4

Accu .............................................................................................................21

2.5

Điều khiển sạc .............................................................................................22

2.6

MPPT ...........................................................................................................23

2.7

Bộ biến đổi PWM DC/DC Boost ................................................................23

2.8

Kết luận........................................................................................................28

CHƯƠNG 3

MAXIMUM POWER POINT TRACKING .................................29

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang ii

3.1

Giới thiệu .....................................................................................................29

3.2

Vì sao giải thuật MPPT quan trọng .............................................................29

3.3

MPPT là gì? .................................................................................................29

3.4

Các giải thuật MPPT ...................................................................................30

3.4.1

Hill - climbing .......................................................................................31

3.4.2

Tỷ lệ điện áp hở mạch...........................................................................38

3.4.3

Tỷ lệ dòng điện ngắn mạch ...................................................................39

3.4.4

Điều khiển mờ.......................................................................................40

3.4.5

Mạng nơron ...........................................................................................43

3.4.6

Lọc kalman ...........................................................................................44

3.4.7

Qt dịng điện ......................................................................................45

3.4.8

Tính tốn dịng điện và điện áp.............................................................46

3.4.9

Tìm kiếm với nhiều điểm cực đại .........................................................46

3.5

Kỹ thuật cực tiểu..........................................................................................47

3.6

Kỹ thuật điều khiển .....................................................................................47

3.6.1

Điều khiển PI ........................................................................................47

3.6.2

Điều khiển trực tiếp ..............................................................................48

3.6.3

Điều khiển ngõ ra ..................................................................................48

3.7

So sánh các giải thuật MPPT .......................................................................48

3.7.1

Độ phức tạp thực hiện ...........................................................................48

3.7.2

Số lượng cảm biến yêu cầu ...................................................................48

3.7.3

Khả năng dò nhiều điểm cực đại cục bộ ...............................................49

3.7.4

Giá thành ...............................................................................................49

3.7.5

Ứng dụng ..............................................................................................49

3.7.6

Kết luận .................................................................................................50

3.8

Một số giải thuật MPPT cải tiến ..................................................................51

3.8.1

Giải thuật dP-P&O ................................................................................51

3.8.2

Giải thuật INC bước nhảy thay đổi .......................................................54

3.9

Kết luận........................................................................................................56

CHƯƠNG 4

KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM .........................................................57

4.1

Hệ thống điện mặt trời khảo sát...................................................................57

4.2

Xác định điểm công suất cực đại .................................................................59

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang iii

4.2.1

Phương pháp sử dụng điện trở: .............................................................59

4.2.2

Phương pháp đo cường độ bức xạ mặt trời: .........................................59

4.2.3

Phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch: ....................................................60

4.2.4

Phương pháp quét dòng điện: ...............................................................60

4.2.5

Kết luận .................................................................................................61

4.3

Thực hiện thu thập dữ liệu bằng dao động ký .............................................62

4.3.1
4.4

Phương pháp tiến hành .........................................................................62

Kết quả thực hiện giải thuật MPPT .............................................................62

4.4.1

Thí nghiệm 1 .........................................................................................63

4.4.2

Thí nghiệm 2 .........................................................................................68

4.4.3

Thí nghiệm 3 .........................................................................................72

4.5

Kết luận........................................................................................................78

4.6

Hướng phát triển đề tài ................................................................................79

4.7

Lời kết ..........................................................................................................79

DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ....................................................80
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................81
PHỤ LỤC ..................................................................................................................84
Phương pháp P&O ................................................................................................84
Phương pháp INC..................................................................................................85
Phương pháp INC bước nhảy thay đổi ..................................................................87
Phương pháp INC khâu PI ....................................................................................88
Phương pháp INC với thuật tốn Fuzzy................................................................91

HVTH: Ngơ Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang iv

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1 Biểu đồ phát triển năng lượng mặt trời .......................................................1
Hình 1.2 Đặc tuyến P -V của pin quang điện.............................................................2
Hình 1.3 Hệ thống năng lượng mặt trời .....................................................................3
Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời nối lưới ...................................................................6
Hình 2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập ....................................................................6
Hình 2.3 Hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ ...................................................7
Hình 2.4 Hệ thống điện mặt trời độc lập khơng dự trữ ..............................................7
Hình 2.5 Hệ thống điện mặt trời độc lập hỗn hợp .....................................................8
Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập ..................................................8

Hình 2.7 Cấu trúc tế bào quang điện ........................................................................10
Hình 2.8 a: Tế bào quang điện; b: Tấm pin quang điện; c: hệ pin quang điện ........11
Hình 2.9 Mạch điện tương đương tế bào quang điện...............................................11
Hình 2.10 a: Dịng điện ngắn mạch; b: Điện áp hở mạch ........................................12
Hình 2.11 Đặc tuyến I - V ........................................................................................13
Hình 2.12 Đặc tuyến P - V .......................................................................................14
Hình 2.13 Pin quang điện ghép trực tiếp với biến trở ..............................................14
Hình 2.14 Đường cong I - V với các tải điện trở khác nhau ....................................15
Hình 2.15 Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập ......................................................16
Hình 2.16 Đường cong I - V với các mức bức xạ khác nhau ..................................18
Hình 2.17 Đường cong P - V với các mức bức xạ khác nhau .................................19
Hình 2.18 Đường cong I - V với các mức nhiệt độ khác nhau ................................20
Hình 2.19 Đường cong P - V với các mức nhiệt độ khác nhau ...............................21
Hình 2.20 Một số bộ biến đổi PWM DC/DC [1] .....................................................24
Hình 2.21 Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost .........................................................24
Hình 2.22 Khi khóa S dẫn ........................................................................................25
Hình 2.23 Khi khóa S tắt ..........................................................................................25
Hình 2.24 Dạng dịng điện và điện áp qua các linh kiện của mach Boost ở chế độ
dẫn liên tục [1] ..........................................................................................................26
Hình 2.25Dạng dịng điện và điện áp qua các linh kiện của mach Boost ở chế độ
dẫn khơng liên tục [1] ...............................................................................................27
Hình 3.1 Đặc tuyến P - V của pin quang điện.........................................................30
Hình 3.2 Đặc tuyến P - V của pin quang điện..........................................................32
Hình 3.3 Sơ đồ giải thuật P&O ................................................................................33
Hình 3.4 P&O dị thất bại khi bức xạ thay đổi đột ngọt ..........................................34
Hình 3.5 Độ dốc của pin quang điện ........................................................................35
Hình 3.6 Sơ đồ giải thuật INC .................................................................................36
Hình 3.7 Sơ đồ khối điều khiển mờ .........................................................................41
Hình 3.8 Các hàm thành viên ngõ vào và ra của điều khiển mờ .............................42
Hình 3.9 Ví dụ bảng quy tắc mờ ..............................................................................42

Hình 3.10 Mạng nơron .............................................................................................43
HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang v

Hình 3.11 Sơ đồ giải lọc Kalman [17] .....................................................................44
Hình 3.12 a: Đường cong P - V khi bức xạ thay đổi chậm; b Đường cong P - V
khi bức xạ thay đổi nhanh ........................................................................................52
Hình 3.13 Giá trị công suất thay đổi trong hai lần lấy mẫu liên tiếp .......................52
Hình 3.14 Sơ đồ giải thuật dP-P&O.........................................................................53
Hình 3.15 Sơ đồ giải thuật tối ưu dP-P&O ..............................................................54
Hình 3.16 INC bước nhảy thay đổi, INC bước nhảy thay đổi .................................55
Hình 3.17 Sơ đồ giải thuật INC bước nhảy thay đổi................................................56
Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời khảo sát ..............................................57
Hình 4.2 Thơng số tấm pin quang điện được sử dụng .............................................57
Hình 4.3 Đặc tuyến của tấm pin quang điện được sủ dụng .....................................58
Hình 4.4 Bộ biến đổi PWM DC/DC Boost 320W ...................................................58
Hình 4.5 Quá trình thực nghiệm giải thuật MPPT ...................................................58
Hình 4.6 Đo cường độ bức xạ ánh sáng mặt trời .....................................................60
Hình 4.7 Phương pháp qt dịng điện để tìm ra điểm cơng suất cực đại ...............61
Hình 4.9 Giải thuật P&O , ánh sáng tiếp xúc 100% ................................................63
Hình 4.10 Giải thuật INC, ánh sáng tiếp xúc 100% .................................................64
Hình 4.11 Giải thuật INC bước nhảy thay đổi, ánh sáng tiếp xúc 100% .................65
Hình 4.12 Giải thuật INC với khâu PI, ánh sáng tiếp xúc 100% .............................66
Hình 4.13 Thuật tốn Fuzzy trên giải thuật INC, ánh sáng tiếp xúc 100% .............67

Hình 4.14 Giải thuật P&O, ánh sáng tiếp xúc 50% .................................................68
Hình 4.15Giải thuật INC ánh sáng tiếp xúc 50% .....................................................69
Hình 4.16Giải thuật INC bước nhảy thay đổi, ánh sáng tiếp xúc 50% ....................70
Hình 4.17Giải thuật INC khâu PI, ánh sáng tiếp xúc 50% ......................................71
Hình 4.18Giải thuật INC với thuật tốn Fuzzy, ánh sáng tiếp xúc 50% ..................72
Hình 4.19 Giải thuật P&O , ánh sáng tiếp xúc 100% ..............................................73
Hình 4.20 Giải thuật INC, ánh sáng tiếp xúc 100% .................................................74
Hình 4.21 Giải thuật INC bước nhảy thay đổi, ánh sáng tiếp xúc 100% .................75
Hình 4.22 Giải thuật INC với khâu PI, ánh sáng tiếp xúc 100% ............................76
Hình 4.23 Thuật tốn Fuzzy trên giải thuật INC, ánh sáng tiếp xúc 100% .............77

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 3.1 So sánh một số đặc trưng của các phương pháp MPPT ............................50
Bảng 4.1 Kết quả đặc tuyến pin quang điện thay đổi theo điện trở ..........................59
Bảng 4.2 Kiểm chứng một số giải thuật MPPT bằng thực nghiệm ..........................78

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam

Luận văn Thạc Sĩ

Trang 1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU

1.1 Tổng quan
Trong khi các nguồn năng lượng truyền thống như than đá, dầu mỏ đang dần cạn kiệt,
giá thành cao, nguồn cung khơng ổn định và ơ nhiễm mơi trường. Vì vậy nguồn năng
lượng tái tạo đang được các nhà khoa học trên thế giới quan tâm, đặc biệt là nguồn
năng lượng mặt trời. Ở Việt Nam ngành năng lượng mặt trời cịn đang là một ngành
mới nên chưa có sự quan tâm đúng mực. Nhưng với những thuận lợi về khí hậu và
địa lý Việt Nam là nơi có điều kiện phát triển mặt trời tốt trong tương lai gần 10 – 20
năm sau.

Hình 1.1 Biểu đồ phát triển năng lượng mặt trời

Điện mặt trời với nhiều lợi ích như: năng lượng sạch, không gây ô nhiểm môi trường,
điện tạo ra tới trực tiếp người sử dụng, chi phí bảo trì thấp gần như bằng không. Bởi

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 2

vì những thuận lợi trên, ngành điện mặt trời hiện nay có tốc độ tăng trưởng cao nhất

trên thế giới.Tốc độ tăng trưởng năng lượng mặt trời hàng năm khoảng 40% trong
thập kỷ qua. Tăng 35% trong năm 2013 tương đương 37MW. Mặc dù kỹ thuật phát
triển tương đối đầy đủ và chính sách khuyến khích từ chính phủ nhưng giá thành của
điện mặt trời vẫn cịn ở mức cao, chưa thể thay thế hồn tồn năng lượng truyền
thống. Vấn đề giảm giá thành hệ thống điện mặt trời là đề tài đang được các nhà khoa
học nghiên cứu.

1.2 Mục đích nghiên cứu
Các tấm pin quang điện được tạo thành từ các chất bán dẫn thực hiện quá trình chuyển
đổi bức xạ mặt trời thành điện DC nhờ hiệu ứng quang điện. Với mỗi tấm pin quang
điện đều có một đặc tuyến P-V, trên đó tồn tại duy nhất một điểm cho cơng suất cực
đại tồn cục. Nghĩa là khi pin quang điện hoạt động ở nhiều điểm khác nhau thì ta sẽ
thu được cơng suất ngõ ra khác nhau. Công suất cực đại thu được khi pin quang điện
hoạt động tại điện áp nơi mà có cơng suất cực đại trên đặc tuyến P-V. Do đó, chỉ tồn
tại duy nhất một điểm có thể thu được công suất cực đại của pin quang điện. Điểm
hoạt động này trên đặc tuyến P-V được gọi là điểm công suất cực đại (Maximum
Power Point – MPP). MPP thay đổi khi bức xạ và nhiệt độ thay đổi hoặc khi pin
quang điện bị che khuất.

Hình 1.2 Đặc tuyến P -V của pin quang điện

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 3

HỆ PIN QUANG
ĐIỆN

BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC/
BIẾN TẦN
LƯỚI ĐIỆN

Hình 1.3 Hệ thống năng lượng mặt trời

Vì vậy, thiết bị dò MPP liên tục là thực sự cần thiết, gọi là dị điểm cơng suất cực đại
(Maximum Power Point Tracking – MPPT). MPPT bao gồm 2 phần chính, một vi
điều khiển để dò MPP và một bộ biến đổi công suất để tạo ra điện áp phù hợp với tải.
Cần một giải thuật hoạt động trên vi điều khiển để dị MPP. Hiện tại có rất nhiều giải
thuật để dò MPP, nhưng hầu như những giải thuật này hoạt động không tốt khi thay
đổi mức bức xạ, nhiệt độ hoặc khi pin quang điện bị che khuất. Đây là vấn đề chính
của chúng ta cần giải quyết, bởi vì các giải thuật truyền thống được xây dựng trước
đây hoạt động tốt và đảm bảo độ tin cậy với điều kiện môi trường ổn định.
Trong đề tài này, tác giả tập trung giới thiệu, phân tích các giải thuật và đưa ra nhiều
giải pháp để giải quyết các vấn đề gặp phải. Kết quả là một giải thuật hiệu quả nhất
có thể hoạt động khi bức xạ thay đổi nhanh và khi pin quan điện bị che khuất. Đặc
biệt hiệu suất của MPPT là rất quan trọng, giải thuật hồn thành khơng q phức tạp
và phải hoạt động tốt với bộ biến đổi công suất DC/DC.

1.3 Đối tượng nghiên cứu
Với sự quan tâm cần thu được công suất tối đa từ hệ thống điện mặt trời, đê tài tập
trung vào hai đối tượng chính:
Trình bày các giải thuật MPPT truyền thống, phân tích thuận lợi cũng như hạn chế,
những giải pháp khắc phục những hạn chế của giải thuật khi điều kiện môi trường
thay đổi hoặc hệ pin quang điện bị che khuất. Sau đó so sánh các giải thuật với nhau.

Phát triển giải thuật INC MPPT hiệu suất cao, khắc phục các hạn chế của giải thuật
INC truyền thống, thích nghi với điều kiện mơi trường thay đổi và hệ pin quang điện
bị che khuất.

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 4

1.4 Giới hạn đề tài
Mặc dù có rất nhiều bộ biến đổi cơng suất DC-DC phù hợp yêu cầu đề tài như: Buck,
Boost, Buck-Boost, SEPIC, Cuk … Nhưng trong đề tài chỉ sử dụng bộ biến đổi Boost
để tiến thành thực nghiệm. Giải thuật được phát triển có thể sử dụng cho nhiều bộ
biến đổi khác nhau.
Đề tài tập trung hiện thực cái giải thuật truyền thống, một số giải thuật cải tiến được
công bố trên các tạp chí và giải thuật INC được phát triển trên hệ thống điện mặt trời
cơng suất 320W tại phịng thí nghiệm GPL Trường Đại học Bách Khoa Tp.HCM.

1.5 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài thực hiện với phương pháp khảo sát các phương pháp MPPT phổ biến được
công bố, từ đó phân tích những thuận lợi cũng như hạn chế của từng phương pháp.
Đề tại lựa chọn phương pháp INC với nhiều ưu điểm để đề xuất phương pháp MPPT
INC cải tiến để khắc phục những giới hạn của phương pháp INC truyền thống này.
Sau đó, tác giả kiểm tra thực nghiệm phương pháp INC được phát triển với truyền
thống trên hệ thống điện mặt trời độc lập công suất 320W.

1.6 Tóm tắt đề tài
Đề tài bao gồm 4 chương: Chương 1 Giới thiệu tổng quan, mục đích, đối tượng,
giới hạn và phương pháp nghiên cứu của đề tài. Chương 2 tập trung mô tả hệ thống
điện mặt trời, khảo sát các thành phần chính của hệ thống điện mặt trời độc lập.
Đưa ra cái nhìn tổng quát những vấn đề của hệ thống điện mặt trời gặp phải, và sự
cần thiết của MPPT. Chương 3 khảo sát các phương pháp MPPT được công bố
trong những năm gần đây, phân tích những thuận lợi cũng như hạn chế của từng
phương pháp. Trình bày các kỹ thuật cực tiểu, điều khiển để tối ưu các phương pháp
MPPT. Lựa chọn phương pháp MPPT INC với nhiều ưu điểm, tác giả cải tiến
phương pháp này để giải quyết những giới hạn của phương pháp INC truyền thống
khi bức xạ, nhiệt độ thay đổi đột ngột và bị che khuất. Chương 4 trình bày các kết
quả thực nghiệm của một số giải thuật MPPT được khảo sát trên hệ thống điện mặt
trời độc lập công suất 320W. So sánh các kết quả giải thuật này. Kết luận và kiến
nghĩ những nghiên cứu tiếp theo.
HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 5

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Như được giới thiệu ở phần trước, Chương 2 tập trung mô tả hệ thống điện mặt trời,
khảo sát các thành phần chính của hệ thống điện mặt trời độc lập. Đưa ra cái nhìn
tổng quát những vấn đề của hệ thống điện mặt trời gặp phải, và sự cần thiết của
MPPT.

2.1 Giới thiệu

Hệ thống điện mặt trời là hệ thống dùng để thu thập, chuyển đổi và phân phối năng
lượng mặt trời được sử dụng thương mại hoặc hộ dân cư. Hệ thống điện mặt trời đa
dạng tùy theo yêu cầu thực tiễn, nhưng được chia thành hai dạng chính:
2.1.1 Hệ thống nối lưới
Hệ thống điện mặt trời nối lưới (grid-connected hoặc grid-tied) biến năng lượng mặt
trời thành điện xoay chiều sau đó hịa trực tiếp vào lưới điện quốc gia. Điện mặt trời
được sử dụng vào ban ngày. Ban đêm khi khơng có ánh sáng mặt trời, hệ thống
chuyển đổi sử dụng từ điện lưới. Lợi ích của hệ thống là không cần accu, và công
suất hệ thống lặp đặt có thể nhỏ hơn cơng suất tiêu thụ cực đại. Trong những trường
hợp năng lượng được tạo ra nhiều hơn tải tiêu thụ, hệ thống có thể cung cấp điện
ngược lại lưới điện, lúc này lưới điện đóng vài trò như một accu khổng lồ.
Hệ thống nối lưới phải đảm bảo các yêu cầu như: độ ồn của biến tần, biến tần không
gây nhiễu tới các thiết bị khác, ngồi ra biến tần phải ngắt khi việc hịa lưới thất bại.
Cuối cùng là chất lượng điện năng ngõ ra phải đảm bảo được mức họa tần chấp nhận
được, cũng như chất lượng điện áp và dạng sóng dịng điện.
Hệ thống nối lưới áp dụng tốt cho các nhà máy điện mặt trời với công suất lớn và hộ
dân cư.

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 6

DC
=
~

BIẾN TẦN HỊA LƯỚI

LƯỚI ĐIỆN

Hình 2.1 Hệ thống điện mặt trời nối lưới

2.1.2 Hệ thống độc lập
Hệ thống điện mặt trời độc lập (off-grid) khơng có kết nối với lưới điện, năng lượng
mặt trời được biến đổi và lưu trữ ở accu. Accu đảm bảo việc cung cấp điện tới tải tiêu
thụ liên tục ngày đêm. Lợi ích của hệ thống là ở những nơi lưới điện quốc gia không
tới được.
Hệ thống này áp dụng tốt tại những nơi khơng có lưới điện quốc gia như hải đảo,
rừng núi, … Đây là nguồn điện để vận hành cho các thiết bị điều khiển, thiết bị viễn
thông, TV, máy nghe nhạc, …
Ngõ ra hệ thống phụ thuộc vào loại tải yêu cầu sử dụng điện AC hay DC. Hệ thống
AC tốn nhiều chi phí hơn vì bao gồm chi phí của biến tần.
BỘ BIẾN ĐỔI
DC/DC

BIẾN TẦN

ACCU

TẢI DC

TẢI AC

Hình 2.2 Hệ thống điện mặt trời độc lập

2.1.3 Những hệ thống khác

Ngồi hai hệ thống chuẩn trên cịn có một số hệ thống khác tùy thuộc theo nhu cầu
như sau:
Hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ: tương tự như hệ thống điện mặt trời nối
lưới ngoại trừ có thêm accu để đảm bảo việc cung cấp điện liên tục ngay cả khi điện
HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 7

lưới bị mất vào ban đêm. Hệ thống thường được ứng dụng cho các hộ dân cư, điểm
thương mại, … yêu cầu nguồn điện cung cấp liên tục.

BỘ BIẾN ĐỔI
DC/DC

BIẾN TẦN

ACCU

Hình 2.3 Hệ thống điện mặt trời nối lưới có dự trữ

Hệ thống điện mặt trời độc lập khơng accu: hệ thống hồn tồn phụ thuộc vào năng
lượng ánh sáng mặt trời. Càng nhiều ánh sáng thì cơng suất tạo ra càng lớn. Năng
lượng được tạo ra được sử dụng tức thời. Hệ thống thường được ứng dụng cho bơm
nước, hệ thống thơng gió, …

BỘ BIẾN ĐỔI
DC/DC

TẢI DC

Hình 2.4 Hệ thống điện mặt trời độc lập không dự trữ

Hệ thống điện mặt trời độc lập hỗn hợp: tương tự như hệ thống điện mặt trời độc lập
nhưng hệ thống được thêm vào một máy phát diesel cỡ nhỏ. Lợi ích của hệ thống
kiểu này là cơng suất điện mặt trời có thể nhỏ hơn cơng suất tính tốn ở điều kiện ánh
sáng yếu nhất trong năm. Hệ thống sẽ sử dụng máy phát dự phòng để bù vào lượng
cơng suất cịn thiếu khi điều kiện ánh sáng yếu để cung cấp cho tải.

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 8

BỘ BIẾN ĐỔI
DC/DC

BIẾN TẦN

ACCU

TẢI DC

TẢI AC

MÁY PHÁT
Hình 2.5 Hệ thống điện mặt trời độc lập hỗn hợp

2.2 Các thành phần trong hệ thống điện mặt trời
Với các yêu cầu thực tiễn khác nhau dẫn đến các thành phần của hệ thống điện mặt
trời cũng thay đổi theo. Nhưng phổ biến nhất hiện nay vẫn là hệ thống nối lưới và
độc lập. Vì đề tài tác giả chỉ tập trung giải thuật MPPT nên tác giả sử dụng hệ thống
điện mặt trời độc lập công suất 320W để thực nghiệm.

DC-DC

HỆ
PV

V

ACCU
I

V

I

Power
ĐIỀU KHIỂN SẠC
PWM

MPPT
Hình 2.6 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời độc lập

Hình 2.6 trên là sơ đồ khối chi tiết của hệ thông điện mặt trời độc lập được khảo sát.
Hệ thống này bao gồm các thành phần chính như: hệ pin quang điện, accu, bộ điều
khiển sạc, giải thuật MPPT, và bộ biến đổi Boost DC/DC.

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 9

2.3 Pin quang điện
Tế bào quang điện là thành phần quan trọng để tạo ra nguồn điện. Các tế bào quang
điện chuyển đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện năng dựa trên hiệu ứng quang
điện. Các tế bào quang điện này có tuổi thọ gần như vĩnh viễn và có chi phí duy trì
thấp, đặc biệt hồn tồn khơng gây ơ nhiễm mơi trường. Thơng thường một khối tế
bào quang điện có thể tạo ra lượng công suất dưới 3W tại điện áp xấp xỉ 0.5V DC,
do đó các khối này được kết nối song song và nối tiếp để tạo ra đủ công suất và điện
áp sử dụng. Các khối tế bào quang điện này được ghép thành tấm pin quang điên,
nhiều tấm pin quang điện được ghép lại với nhau thành hệ pin quang điện. Các tấm
pin quang điện có cơng suất đỉnh từ vài watts cho tới hơn 300W, phụ thuộc vào từng
ứng dụng. Có nhiều hệ pin quang điện được lắp đặt với công suất lên tới hàng MW.
Các tấm pin quang điện tạo ra điện áp DC thường được sử dụng trực tiếp cho các tải
điện với công suất nhỏ. Với những ứng dụng lớn, thương mại hoặc bán điện cho quốc
gia thì hệ thống cần sử dụng biến tần để chuyển thành điện AC.

2.3.1 Cấu trúc tế bào quang điện
Như đã biết các tế bào quang điện biến đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng dựa
trên hiệu ứng quang điện. Ánh sáng mặt trời chiếu tới tế bào quan điện có thể bị phản
xạ, hấp thụ hoặc xuyên thấu. Tuy nhiên, chỉ nhưng ánh sáng được tế bào quang điện
hấp thụ mới tạo thành điện năng. Năng lượng ánh sáng bị hấp thụ được chuyển cho
các electron trong các nguyên tử của tế bào quang điện. Các electron trong các nguyên
tử của tế bào quang điện được giải phóng và trở thành một phần của dịng electron
hoặc dòng điện trong mạch điện. Một tế bào quang điện có cấu trúc như hình dưới:

HVTH: Ngơ Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 10

Hình 2.7 Cấu trúc tế bào quang điện

2.3.2 Tấm pin quang điện/ hệ pin quang điện
Một tế bào quang điện là một khối cơ bản cấu thành trong hệ thống điện mặt trời.
Thường thì một tế bào quang điện có cơng suất từ 1 – 2W. Để tăng công suất tạo ra
người ta kết nối các tế bào quan điện song song – nối tiếp với nhau thành một đơn vị
lớn hơn gọi là tấm pin quang điện. Nhiều tấm pin quang điện được kết nối với nhau
được gọi là hệ pin quang điện, nó có thể tạo ra công suất lớn hơn để phù hợp với yêu
cầu mọi hệ thống. Để tăng điện áp ngõ ra ta ghép nối tiếp các tấm pin quang điện.
Tăng dịng điện thì ta ghép song song các tấm pin quang điện.

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 11

Hình 2.8 a: Tế bào quang điện; b: Tấm pin quang điện; c: hệ pin quang điện

Một hệ thống điện mặt trời thường chỉ nằm trong hai dạng sau: hệ thống thụ động và
hệ thống chủ động. Hệ thống thụ động không tác động tới pin quang điện hoặc điều
chỉnh cơ khí để thay đổi cơng suất nhận được. Hệ thống chủ động bao gồm các thành
phần thêm vào liên quan tới điện và cơ khí để có thể thu được ánh sáng mặt trời nhiều
nhất và biến đổi năng lượng thành dạng có thể sử dụng như sưởi ấm, chiếu sáng, và
cung cấp nguồn cho các thiết bị điện.
2.3.3 Mơ hình tế bào quang điện
Sử dụng mạch điện tương đương như hình 2.9, mơ hình thể hiện được các đặc tính
của tế bào quang điện. Mơ hình pin quang điện bao gồm một dịng điện nguồn Isc,
một diode D và một điện trở nối tiếp Rs. Ảnh hưởng của điện trở song song Rp đại
diện cho điện trở tổn hao của tế bào quang điện, nhưng rất là nhỏ trong một khối vì
vậy trong mơ hình khảo sát ta bỏ qua thành phần này. Dịng điện nguồn đại diện cho
dòng điện được tạo ra từ các photon, và dịng điện ngõ ra là khơng đổi khi nhiệt độ
không đổi và bức xạ ánh sáng không đổi.
RS

I

+

+
VD

-

v
-

Hình 2.9 Mạch điện tương đương tế bào quang điện

HVTH: Ngô Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam


Luận văn Thạc Sĩ

Trang 12

Đường cong I – V thu được bằng cách giữ nguyên cường độ ánh sáng trong khi đó
duy trì nhiệt độ của tế bào quang điện không đổi, thay đổi điện trở của tải, và đo dòng
điện được tạo ra. Đường cong I – V đặc trưng phải thể hiện được hai điểm sau:
Dòng điện ngắn mạch Isc: Isc là dòng điện đo được khi ta nối tắt cực âm và cực dương
lại với nhau, lúc này điện áp giữa chúng bằng 0, và khơng có điện trở giữa chúng.
Điện áp hở mạch Voc: Voc là điện áp đo được giữa 2 cực dương và âm khi hở mạch,
dòng điện bằng 0, điện trở giữa chúng bằng vơ cùng.

Hình 2.10 a: Dịng điện ngắn mạch; b: Điện áp hở mạch

Mối quan hệ điện áp – dòng điện của tế bào quang điện:

𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼𝐷
𝐼𝐷 = 𝐼𝑆 [

𝑞𝑉𝐷
𝑒 𝑛𝐾𝑇

𝐼 = 𝐼𝑆𝐶 − 𝐼𝑆 [

(2.1)

− 1]

𝑞𝑉𝐷
𝑒 𝑛𝐾𝑇

− 1]

(2.2)
(2.3)

Trong đó:
I (A): Dịng điện ngõ ra pin quang điện
ISC (A): Dòng điện ngắn mạch
IS (A): Dòng điện bão hòa của diode
VD (V): Điện áp rơi trên diode
q: Điện tích electron 1.6x10-19C
HVTH: Ngơ Ngọc Thạch

GVHD: Nguyễn Quang Nam