Khảo sát các thuật toán mppt nâng cao cho bộ nguồn pin mặt trời pv

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN TIẾN THƯ

KHẢO SÁT CÁC THUẬT TOÁN MPPT NÂNG CAO CHO
BỘ NGUỒN PIN MẶT TRỜI PV

Chuyên ngành : Kỹ Thuật Điện
Mã số: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, năm 2018


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PSG.TS Hồ Phạm Huy Ánh

Cán bộ chấm nhận xét 1: TS.Trịnh Hoàng Hơn

Cán bộ chấm nhận xét 2: PSG.TS Lê Chí Kiên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 06 tháng 01 năm 2018
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. PSG.TS Phan Quốc Dũng
2. TS. Nguyễn Đình Tun

3. TS.Trịnh Hồng Hơn
4. PSG.TS Lê Chí Kiên
5. PGS.TS Trương Việt Anh
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA


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 tên học viên: Nguyễn Tiến Thư ........................................... MSHV: 7140984
Ngày, tháng, năm sinh: 10/06/1990 ........................................... Nơi sinh: Lâm Đồng
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện .................................................. Mã số : 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT CÁC THUẬT TOÁN MPPT NÂNG CAO CHO BỘ
NGUỒN PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
- Giới thiệu tổng quan về panel năng lượng mặt trời
- Khảo sát các thuật tốn MPPT
- Xây dựng mơ hình quang điện cho nguồn Pin năng lượng mặt trời
- Đề xuất các thuật toán MPPT nâng cao
- Thiết kế hệ thống Pin năng lượng mặt trời mô phỏng trên Matlab/Simulink

- Khảo sát thực nghiệm các giải thuật MPPT trên mơ hình thực tế
- Kết luận và hướng phát triển
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 04/09/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS Hồ Phạm Huy Ánh

Tp. HCM, ngày 07 tháng 12 năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Chúng em xin chân thành cảm ơn Khoa Điện Điện Tử, trường Đại Học Bách Khoa
Tp.HCM đã tạo điều kiện tốt nhất cho em thực hiện đề tài này.
Chúng em xin chân thành cảm ơn Thầy Hồ Phạm Huy Ánh, những người Thầy đã
tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong suốt thời gian thực hiện đề tài.
Chúng em cũng xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến q Thầy Cơ trong Khoa đã tận tình
giảng dạy, trang bị cho chúng em những kiến thức quý báu trong những năm học vừa
qua.
Em xin gửi lòng biết ơn sâu sắc đến Ba, Mẹ, các anh chị và bạn bè đã ủng hộ, giúp
đỡ và động viên em trong những lúc khó khăn cũng như trong suốt thời gian học tập,
nghiên cứu.

Mặc dù em đã cố gắng hoàn thành luận văn trong phạm vi và khả năng cho phép,
nhưng chắc chắn sẽ khơng tránh khỏi những thiếu sót, kính mong sự cảm thơng và tận
tình chỉ bảo của q Thầy Cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn q Thầy Cơ và
các bạn rất nhiều.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 07 tháng 01 năm 2017
Học viên

Nguyễn Tiến Thư


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Năng lượng mặt trời (quang điện - PV) là nguồn năng lượng tái tạo và thân thiện với
môi trường. Tuy nhiên, điện do năng lượng mặt trời cung cấp biến động theo độ bức
xạ và nhiệt độ. Hơn nữa, khi kết nối trực tiếp pin năng lượng mặt trời với tải, thì năng
lượng được truyền cho tải khơng phải là tối ưu nhất. Do đó việc bám theo điểm công
suất cực đại (MPP tracker) là một việc cần thiết để pin mặt trời cho hiệu quả tối đa.
Một hệ thống PV hồn chỉnh có bộ phận bám theo công suất cực đại bao gồm: Pin
năng lượng, thuật tốn MPPT, và bộ chuyển đổi DC-DC.
Xây dựng mơ hình PV dựa trên phương trình diode Schockley, để thể hiện các đặc
tính điện của tế bào quang điện, thể hiện mối tương quan của tế bào quang điện với
các tham số khí quyển như bức xạ và nhiệt độ.
Trong luận văn, bốn thuật toán MPPT được viết trong m-file và mơ phỏng trong
Matlab. Thuật tốn cơ bản rẽ nhánh và quan sát (Perturb and Observe – PO) cùng với
phiên bản cải tiến của nó và thuật tốn điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance –
IC), cùng với phiên bản cải tiến của nó, sẽ được đánh giá trong những điều kiện thời
tiết khác nhau. Thuật toán cho thấy sự hiệu quả tốt nhất khi bám theo công suất cực
đại trong bốn thuật toán là thuật toán kết hợp giữa thuật toán IC-CV, cho kết quả bám
theo tốt nhất trong điều kiện trời nắng và trời mây.
Phân tích trạng thái ổn định và trạng thái động của bộ chuyển đổi boost. Thực hiện mô
phỏng bộ boost trên nền Matlab và áp dụng bộ boost vào hệ thống PV.

Kết quả mô phỏng của một hệ thống PV hoàn chỉnh cho sử dụng thuật toán CV-IC
MPPT là tốt hơn ở trạng thái ổn định và đáp ứng nhanh với trạng thái quá độ khi so
sánh với phương pháp IC. Nó khơng chỉ giảm thời gian hội tụ khi bám theo các điểm
công suất cực đại, mà còn giảm đáng kể dao động quanh điểm MPP khi bức xạ mặt
trời thay đổi chậm hay thay đổi nhanh chóng.
Xây dựng mơ hình thực nghiệm áp dụng các thuật toán MPPT để so sánh hiệu suất của
từng thuật toán. Kết quả thực nghiệm của một hệ thống PV trong thực tế cho thấy hiệu
suất khi áp dụng thuật toán MPPT cao hơn nhiều so với kết nối trực tiếp giữa tải và
panel. Thuật toán CV-IC cũng cho hiệu suất tốt hơn hết trong các thuật toán MPPT.
Phù hợp với kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink.


ABSTRACT
Solar photovoltaic (PV) systems are energy sources that are an environmentally
friendly and renewable source of energy. However, solar PV power fluctuates due to
variations in radiation and temperature levels. Furthermore, when the solar panel is
directly connected to the load, the power that is delivered is not optimal. A maximum
peak power point tracker is therefore necessary for maximum efficiency.
A complete PV system equipped maximum power point tracking (MPPT) system
includes a solar panel, MPPT algorithm, and a DC-DC converter topology.
A PV panel model based on the Shockley diode equation is used to predict the
electrical characteristics of the cell with regard to changes irradiance and temperature.
In this dissertation, four MPPT algorithms are written in Matlab m-files and
investigated via simulations. The standard Perturb and Observe (PO) algorithm along
with its improved versions and the conventional Incremental Conductance (IC)
algorithm, also with its two-stage improved version, are assessed under different
atmospheric operating conditions. An efficient two-mode MPPT algorithm is selected
from the four ones as the best model,it provides the highest tracking efficiencies in
both sunny and cloudy weather conditions when compared to other MPPT algorithms.
The steady state and dynamic of the boost converter is analyzed. The boost converter

is simulated in Matlab environment and implemented in the present PV system.
The simulated results of the complete PV system show that the performances of the
PV panel using the improved two-stage MPPT algorithm provides better steady state
and fast transient characteristics when compared with the conventional incremental
conductance method. It yields not only a reduction in convergence time to track the
maximum power point MPP, but also a significant reduction in power fluctuations
around the MPP when subjected to slow and rapid solar irradiance changes.
Implement a real PV model to compare the performances of the PV panel using the
MPPT algorithms. Results of real PV model when using the MPPT algorithms get
better performances than dircetly connect solar pannel and load. The two-stage MPPT
algorithm provides the best in four MPPT algorithm. Its same simulated results.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của tôi. Các số liệu
sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định.
Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tơi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung
thực, khách quan và phù hợp. Các kết quả này chưa từng được công bố trong bất kỳ
nghiên cứu nào khác.
Học viên

Nguyễn Tiến Thư


i

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................................................ I
DANH MỤC HÌNH ...........................................................................................................................IV
DANH MỤC BẢNG ..........................................................................................................................VI

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU T ỔNG QUAN VỀ PANEL NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI .......... 2

1.1

Hệ thống quang điện ................................................................................................................. 2

1.2

Nền tảng và động lực................................................................................................................. 4

1.3

Khảo sát hệ mô phỏng nguồn quang năng PV độc lập .............................................................. 5

1.4

Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu ........................................................................ 6

1.5

Tóm tắt nội dung luận văn......................................................................................................... 8

CHƯƠNG 2:

KHẢO SÁT CÁC THUẬT TOÁN MPPT .......................................................... 10

2.1

Giới thiệu................................................................................................................................. 10

2.2

Tiêu chí thực hiện các thuật tốn điều khiển MPPT................................................................ 13

2.2.1

Tốc độ đáp ứng .................................................................................................................... 14

2.2.2

Sai số ở trạng thái ổn định ................................................................................................... 14

2.2.3

Bám theo hiệu quả ............................................................................................................... 14

2.3

Phân loại thuật toán điều khiển MPPT .................................................................................... 14

2.4

Kết nối đơn giản giữa tải-panel ............................................................................................... 15

2.5

Bán năng động phù hợp với tải ............................................................................................... 15

2.6

Phương pháp hồi tiếp điện áp .................................................................................................. 16

2.6.1

Hồi tiếp điện áp với điện áp tham chiếu cố định ................................................................. 16

2.6.2

Hồi tiếp điện áp với điện áp tham chiếu khác nhau bằng cách đo Voc ............................... 17

2.6.3

Pilot cell hay module tham khảo ......................................................................................... 19

2.7

Phương pháp hồi tiếp công suất để điều khiển ........................................................................ 20

2.7.1

Thuật toán rẽ và quan sát..................................................................................................... 21

2.7.1.1

Nguyên lý hoạt động cơ bản................................................................................................ 21

2.7.1.2

Phân tích các thuật toán PO................................................................................................. 24

2.7.2

Phương pháp tăng độ dẫn điện (IC) .................................................................................... 25

2.7.2.1

Ngun tắc làm việc ............................................................................................................ 25

2.7.2.2

Phân tích thuật tốn IC ........................................................................................................ 27

2.7.3

Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển MPPT ......................................................................... 28

2.8

Giải pháp tối ưu của phương pháp điều khiển MPPT ............................................................. 30

2.9

Kết quả .................................................................................................................................... 34

CHƯƠNG 3:

MƠ HÌNH QUANG ĐIỆN.................................................................................... 36

3.1

Giới thiệu................................................................................................................................. 36

3.2

Mơ hình tốn học của tế bào PV ............................................................................................. 36


ii
3.2.1

Mơ hình tế bào panel năng lượng mặt trời lý tưởng ............................................................ 37

3.2.2

Mơ hình hai diode ............................................................................................................... 39

3.2.3

Mơ hình một Diode ............................................................................................................. 40

3.2.3.1

Mơ hình Matlab của một tế bào quang điện ........................................................................ 41

3.2.3.2

Mơ phỏng mơ hình PV ........................................................................................................ 43

3.3

Kết quả mô phỏng ................................................................................................................... 46

3.4

Kết luận và thảo luận ............................................................................................................... 49

CHƯƠNG 4:

CÁC MƠ HÌNH THUẬT TỐN MPPT ............................................................. 51

4.1

Giới thiệu................................................................................................................................. 51

4.2

Thuật toán PO.......................................................................................................................... 53

4.3

Thuật toán PO được cải tiến (MPO)........................................................................................ 55

4.4

Thuật toán IC (Incrementtal Conductance) ............................................................................. 57

4.5

Thuật toán kết hợp CV và IC .................................................................................................. 59

4.6

Công suất ngõ ra và hiệu suất của thuật tốn MPPT ............................................................... 61

4.7

Thảo luận và Phân tích ............................................................................................................ 62

CHƯƠNG 5:

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI TRÊN

MATLAB/SIMULINK...................................................................................................................... 63
5.1

Giới thiệu bộ chuyển đổi DC-DC và bộ boost ........................................................................ 63

5.1.1

Bộ chuyển đổi DC-DC ........................................................................................................ 63

5.1.2

Giới thiệu bộ Boost ............................................................................................................. 65

5.1.2.1

Phân tích trạng thái ổn định của bộ boost ........................................................................... 65

5.1.2.2

Phân tích trạng thái động của bộ boost................................................................................ 69

5.2

Thiết kế và mô phỏng bộ Boost trên Matlab/Simulink ........................................................... 70

5.2.1

Thiết kế bộ boost kết nỗi giữa panel và tải.......................................................................... 70

5.2.2

Mô phỏng bộ boost trên Matlab/Simulink .......................................................................... 74

5.3

Thực hiện mô phỏng hệ thống PV........................................................................................... 75

5.4

Kết luận ................................................................................................................................... 79

CHƯƠNG 6:

KHẢO SÁT THUẬT TỐN MPPT TRÊN MƠ HÌNH PANEL PV THỰC TẾ
80

6.1

Giới thiệu chung ...................................................................................................................... 80

6.2

Phần cứng sử dụng .................................................................................................................. 80

6.2.1

Panel năng lượng mặt trời ................................................................................................... 80

6.2.2

Vi điều khiển ....................................................................................................................... 81

6.2.3

Bộ boost .............................................................................................................................. 82

6.2.4

Cảm Biến ............................................................................................................................. 82

6.3
6.3.1

Kết quả .................................................................................................................................... 83
Kết quả thử nghiệm vòng hở ............................................................................................... 83

iii
6.3.2
6.4

Khảo sát thực nghiệm .......................................................................................................... 84
Kết luận ................................................................................................................................... 88

CHƯƠNG 7:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ........................................................... 91

7.1

Kết luận ................................................................................................................................... 91

7.2

Hướng nghiên cứu và phát triển .............................................................................................. 93

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................................ 96
PHỤ LỤC A ..................................................................................................................................... 101
PHỤ LỤC B ..................................................................................................................................... 105
PHỤ LỤC C ..................................................................................................................................... 114
PHỤ LỤC D ..................................................................................................................................... 115
PHỤ LỤC E ..................................................................................................................................... 118


iv

DANH MỤC HÌNH
Hình 1.1: Ứng dụng của hệ thống PV[2] ........................................................................................... 3
Hình 1.2: Sơ đồ khối của một hệ thống PV độc lập phổ biến hiện nay ............................................. 6
Hình 2.1: Giao điểm của đường cong I-V với các giá trị tải khác nhau [5] ..................................... 10
Hình 2.2: Đường cong I-V ............................................................................................................... 11
Hình 2.3: Đường cong P-V .............................................................................................................. 12
Hình 2.4: Sơ đồ khối của phương pháp MPPT [7]........................................................................... 13
Hình 2.5: Sơ đồ khối của mơ hình bán năng động phù hợp tải ........................................................ 16
Hình 2.6: Phương pháp hồi tiếp điện áp MPPT với điện áp tham chiếu hằng số ............................ 17
Hình 2.7: Sơ đồ khối hồi tiếp điện áp với điện áp tham chiếu điều chỉnh được .............................. 18
Hình 2.8: Sơ đồ giải thuật của thuật toán Hằng số điện áp .............................................................. 19
Hình 2.9: Sơ đồ khối tham khảo cho hoạt động của MPPT ............................................................. 19
Hình 2.10: Đặc tính đường cong cơng suất của panel PV................................................................ 22
Hình 2.11: Lưu đồ giải thuật của thuật tốn PO [10, 12] ................................................................. 23
Hình 2.12: Sơ đồ khối của thuật toán IC [10, 12] ............................................................................ 26
Hình 2.13: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển MPPT trực tiếp .............................................. 29
Hình 2.14: Sơ đồ khối MPPT với bổ chính PI ................................................................................. 29
Hình 3.1: Mơ hình tương đương đơn giản của một tế bào quang điện ............................................ 37
Hình 3.2: Dịng ngắn mạch và điện áp hở mạch .............................................................................. 38
Hình 3.3: Mạch điện tương đương với mơ hình hai diode của tế bào quang điện ........................... 39
Hình 3.4: Mạch tương đương mơ hình một diode cho tế bào quang điện........................................ 41
Hình 3.5: Sơ đồ khối của mơ hình panel PV .................................................................................... 46
Hình 3.6: Đường cong I-V ............................................................................................................... 47
Hình 3.7: Đường cong P-V .............................................................................................................. 47
Hình 3.8: Đường cong I-V biên thiên theo G................................................................................... 48
Hình 3.9: Đường cong I-V biên thiên theo T ................................................................................... 48
Hình 3.10: Đường cong P-V biên thiên theo G................................................................................ 48
Hình 3.11: Đường cong P-V biên thiên theoT ................................................................................. 48
Hình 3.12: Đường cong I-V biến thiên Res ..................................................................................... 49
Hình 4.1: Cường độ bức xạ đo được trong ngày nắng và ngày mây ................................................ 52

Hình 4.2: Lưu đồ giải thuật của thuật tốn PO................................................................................. 53
Hình 4.3: MPPT sử dụng thuật toán PO trong điều kiện trời nắng .................................................. 54
Hình 4.4: MPPT sử dụng thuật tốn PO trong điều kiện trời mây ................................................... 54


v

Hình 4.5: Sơ đồ giải thuật PO sửa đổi.............................................................................................. 55
Hình 4.6: MPPT sử dụng thuật toán MPO trong điều kiện trời nắng .............................................. 56
Hình 4.7: MPPT sử dụng thuật tốn MPO trong điều kiện trời mây ............................................... 56
Hình 4.8: Sơ đồ khối của thuật tốn IC ............................................................................................ 57
Hình 4.9: MPPT sử dụng thuật toán IC dưới điều kiện trời nắng .................................................... 58
Hình 4.10: MPPT sử dụng thuật tốn IC dưới điều kiện trời mây ................................................... 58
Hình 4.11: Sơ đồ khối của thuật tốn IC-CV ................................................................................... 59
Hình 4.12: MPPT sử dụng thuật tốn CV-IC dưới điều kiện trời nắng ........................................... 60
Hình 4.13: MPPT sử dụng thuật toán IC dưới điều kiện trời mây ................................................... 61
Hình 5.1: Dạng xung kích cho Mostfet (trạng thái đóng và mở) ..................................................... 64
Hình 5.2: Mạch của bộ chuyển đổi Boost lý tưởng.......................................................................... 65
Hình 5.3: Mạch tương đương của bộ chuyển đổi Boost tại mode mở ............................................. 66
Hình 5.4: Mạch tương đương của bộ chuyển đổi Boost tại mode đóng........................................... 66
Hình 5.5: Bộ chuyển đổi Boost khơng lý tưởng với thất thốt trên cuộn kháng .............................. 68
Hình 5.6: Mạch tương đương của bộ chuyển đổi Boost kết nối giữa panel và tải ........................... 71
Hình 5.7: Sơ đồ khối của bộ chuyển đổi Boost ................................................................................ 74
Hình 5.8: Dạng điện áp ngõ ra và dòng điện trên quận cảm ............................................................ 74
Hình 5.9: Sơ đồ khối của bộ Boost với khối PWM.......................................................................... 75
Hình 5.10: Mơ hình hệ thống PV với hai thuật tốn MPPT là IC và CV-IC ................................... 76
Hình 5.11: Điện áp ngõ ra của hệ thống PV khi bức xạ thay đổi chậm ........................................... 77
Hình 5.12: Cơng suất ngõ ra của hệ thống PV khi bức xạ thay đổi chậm........................................ 77
Hình 5.13: Điện áp ngõ ra hệ thống PV khi bức xạ thay đổi nhanh................................................. 78
Hình 5.14: Cơng suất ngõ ra của hệ thống PV khi bức xạ thay đổi nhanh....................................... 78

Hình 6.1: Panel năng lượng mặt trời ................................................................................................ 80
Hình 6.2: Board STM32F4DISCOVERY........................................................................................ 81
Hình 6.3: Bộ đệm PWM .................................................................................................................. 82
Hình 6.4: Mạch Boost thiết kế thực tế ............................................................................................. 82
Hình 6.5: Năng lượng nhận được khi sử dụng các thuật tốn MPPT .............................................. 88
Hình 6.6: Hiệu suất khi sử dụng các thuật toán MPPT khác nhau ................................................... 88


vi

DANH MỤC BẢNG
Bảng 2.1: Tổng hợp hoạt động của thuật tốn PO ........................................................................... 22
Bảng 4.1: Cơng suất ngõ ra trung bình và hiệu suất của từng thuật tốn ........ Error! Bookmark not
defined.
Bảng 5.1: Thông số kỹ thuật ............................................................................................................ 70
Bảng 5.2: Các ký hiệu trong mạch ................................................................................................... 71
Bảng 5.3: Các giá trị tính tốn được ................................................................................................ 73
Bảng 6.1: Các GPIO và chức năng .................................................................................................. 81
Bảng 6.2: Kết quả thí nghiệm vịng hở cho mạch boost .................................................................. 83
Bảng 6.3: Công suất ngõ ra của panel khi kết nối trực tiếp với tải .................................................. 84
Bảng 6.4: Công suất ngõ ra của panel khi dùng thuật tốn PO ........................................................ 85
Bảng 6.5: Cơng suất ngõ ra của panel khi dùng thuật toán MPO .................................................... 85
Bảng 6.6: Công suất ngõ ra của panel khi dùng thuật tốn IC ......................................................... 86
Bảng 6.7: Cơng suất ngõ ra của panel khi dùng thuật toán CV-IC .................................................. 87



2

CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU T ỔNG QUAN VỀ PANEL NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI

1.1

Hệ thống quang điện

Nhu cầu năng lượng toàn cầu đang gia tăng với tốc độ nhanh. Điều này đã dẫn việc
tăng tiêu thụ các nhiên liệu hóa thạch, với những hậu quả tiêu cực về mơi trường,
bao gồm cả nóng lên tồn cầu, mưa axít và suy giảm của tầng ozone. Việc đa dạng
hóa các nguồn năng lượng là rất quan trọng để khắc phục những tác động tiêu cực
của nhiên liệu hóa thạch đối với ổn định sinh thái của trái đất. Hơn nữa, tăng giá
nhiên liệu và sự khan hiếm nhiên liệu hóa thạch có thể gây nên những hậu quả kinh
tế và chính trị tiêu cực trên nhiều quốc gia trong tương lai gần. Việc cải thiện hiệu
quả năng lượng và sử dụng hiệu quả các nguồn năng lượng tái tạo [1] là chìa khóa
để phát triển bền vững.
Một giải pháp cho cuộc khủng hoảng này là hệ thống năng lượng tái tạo. Các công
nghệ năng lượng tái tạo khác nhau đã và đang được phát triển, được tin tưởng là có
giá cạnh tranh so với các loại năng lượng thơng thường. Chi phí năng lượng tái tạo
hiện nay đang giảm, và giá được mong chờ sẽ giảm nữa với sự gia tăng nhu cầu sử
dụng và khả năng sản xuất.
Nhiều quốc gia đã áp dụng các chính sách năng lượng mới để khuyến khích đầu tư
vào các nguồn năng lượng thay thế như sinh khối, năng lượng mặt trời, gió, và thủy
điện mini. Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng mới và có sự phát triển
mạnh trong thời gian gần đây. Một nghiên cứu của Cơ quan năng lượng quốc tế
(IEA), trong đó kiểm tra mức tiêu thụ năng lượng trên thế giới, ước tính có khoảng
30 đến 60 terawatt điện mặt trời được tiêu thụ mỗi năm trong thập niên 50 của thế
kỷ 21.
Một trong những phương tiện thu năng lượng mặt trời là các bộ thu PV

(photovoltaic) được ghép lại từ các tế bào quang điện. Vấn đề với năng lượng mặt
trời là nó khơng có tại tất cả các thời gian trong ngày và thời gian khi nguồn năng


3

lượng này có thì hiếm khi trùng với nhu cầu năng lượng. Hơn nữa, các cánh đồng
quang điện đôi khi gặp những vấn đề về mây, ảnh hưởng tiêu cực đến hiệu quả của
các hệ thống quang điện (PV) làm giảm sản lượng điện của nó. Do đó cần lưu trữ
năng lượng khi PV được chiếu xạ cao, việc này khơng chỉ để duy trì nguồn điện
trong suốt thời gian chiếu xạ thấp hoặc thời gian nhiều mây, nhưng cũng để cung
cấp một lượng điện liên tục. Để phục vụ cho mục đích này, bộ thu năng lượng mặt
trời thường kết nối với Pin; để khi PV được chiếu xạ cao thì Pin sẽ là loại thiết bị
lưu trữ; khi chiếu xạ thấp thì Pin sẽ là nguồn cung cấp.
Nguồn năng lượng điện mặt trời có thể được sử dụng như là hệ thống độc lập và hệ
thống nối lưới (hình 1.1) và các ứng dụng của nó bao gồm bơm nước, sạc pin,
nguồn điện nhà, chiếu sáng đường phố, điện lạnh, hệ thống sưởi ấm bể bơi, xe
hybrid, viễn thông, không gian, quân sự và hệ thống điện truyền hình vệ tinh, và sản
xuất hydro.
Hệ thống quang điện

Hệ thống độc lập

Khơng dự trữ

Có dự trữ

Hệ thống nối lưới

Hệ thống hỗn hợp

Thiết bị

Với tuabin gió

AC độc lập

Với máy phát Diesel

DC độc lập

Với các máy phát

Kết nối trực tiếp với
lưới

Kết nối với lưới thơng
qua lưới điện hộ gia
đình

Hình 1.1: Ứng dụng của hệ thống PV[2]
Trong bài viết này, thệ thống PV được sử dụng như một hệ thống độc lập ứng dụng
cho việc cung cấp năng lượng cho hộ gia đình, thích hợp với vùng xa và nơng thơn.


4

Nền tảng và động lực

1.2

Một lợi thế quan trọng của các nguồn năng lượng phân tán như các hệ thống PV là
hệ thống có thể cung cấp năng lượng điện bền vững trong khu vực, nơi mà các lưới
điện thông thường khơng thể cung cấp. Hệ thống có thể được đặt gần tải, cung cấp
các lợi ích mà lưới điện lớn có thể khơng có. Người tiêu dùng đang sống ở vùng sâu
vùng xa, thị trấn xa lưới điện có thể sử dụng các thiết bị của họ bằng cách sử dụng
năng lượng mặt trời. Ngoài ra, năng lượng PV khơng gây ơ nhiễm, địi hỏi bảo trì ít,
và khơng tạo tiếng ồn. Nó có thể được thiết kế và lắp đặt trong một đoạn thời gian
ngắn. Nó có khả năng di chuyển giễ vì trọng lượng nhẹ. Nó cũng có khả năng cung
cấp cơng suất cao trên một đơn vị trọng lượng. Sản lượng điện của PV phù hợp rất
tốt với nhu cầu phụ tải đỉnh.
Những nhược điểm của pin mặt trời như sau:
-

Một chi phí ban đầu cao và hiệu quả chuyển đổi năng lượng khoảng 17% [2].

-

Đặc tuyến I-V biến thiên phi tuyến khi thay đổi nhiệt độ tế bào quang điện và
thay đổi cường độ ánh sáng mặt trời.

-

Trong một hệ thống PV mà tải được gắn trực tiếp, công suất từ các nguồn
phát điện PV truyền đến tải là hiếm khi tối ưu và điều này có ảnh hưởng tiêu
cực đến hiệu suất hệ thống.

-

Phải có nguồn pin dự trữ, do hệ thống PV chỉ vận hành vào ban ngày khi trời

có nắng.

Phát hiện điểm công suất cực đại được sử dụng để phát hiện đúng điểm điểm công
suất tối đa (MPP) của hệ thống tại thời điểm hiện tại. Một hệ thống năng lượng mặt
trời đầy đủ thì u cầu phải có Pin năng lượng, thuật toán MPPT và bộ chuyển đổi
DC-DC. Một số thuật toán MPPT đã được đề xuất trong luận văn để phát hiện công
suất tối đa của một hệ thống PV. Chúng gồm các phương pháp: quan sát và rẽ
nhánh (PO), thay đổi độ dẫn điện (IC), điện áp hằng (CV), kỹ thuật logic mờ (Fuzzy
logic - FL), etc.. Các thuật tốn MPPT có thể được nạp vào, hoặc trong một máy
tính cá nhân hoặc một kit vi điều khiển để thực hiện các chức năng phát hiện công
suất tối đa. Tuy nhiên, chúng khác nhau về tốc độ, phạm vi hiệu quả, chi phí, số


5

lượng các bộ cảm biến cần thiết, cũng như về độ phức tạp và tính phổ biến [3]. Các
tài liệu ghi nhận rằng các thuật tốn cổ điển hiện có, được sử dụng trong kỹ thuật
MPPT được yêu cầu phải:
-

Nhanh chóng đáp ứng do sự thay đổi thống qua; và / hoặc

-

Bám theo chính xác.

Nhưng thực tế các thuật tốn cổ điển không đạt được cả hai đặc điểm đồng thời,
phản ứng nhanh và theo dõi chính xác, cả hai yêu cầu thực hiện cùng một lúc là lý
tưởng, bởi vì nó có thể đóng góp đáng kể vào việc giảm tổn thất điện năng gây ra
bởi các dao động xảy ra khi điều kiện môi trường thay đổi nhanh chóng và qua đó

giúp tăng hiệu quả tổng thể (overall efficiency).
Các vấn đề đặt ra cho luận văn bao gồm:
-

Một thuật tốn MPPT có thể được ứng dụng cho một hệ thống PV có quy mơ
của một hộ dân.

-

Cách để giải quyết vấn đề như: tốc độ phản ứng của hệ thống khi có điều
kiện mơi trường thay đổi thống qua, dao động năng lượng ở trạng thái ổn
định.

-

Thiết kế hệ thống PV thực tế; lấy kết quả thực tế so sánh với kết quả tính
tốn từ mơ hình Simulink trong Matlab

-

Xây dựng mơ hình thực tế để kiểm chứng kết quả từ mô phỏng

Khảo sát hệ mô phỏng nguồn quang năng PV độc lập

1.3

Cấu hình tổng quát của hệ thống PV độc lập hiện nay bao gồm (hình 1.2):
-

Một panel năng lượng mặt trời độc lập.

-

Khối MPPT kết hợp bộ chuyển đổi DC-DC và thuật tốn MPPT. Có thêm bộ
biến tần được sử dụng khi dùng tải AC.

-

Một bộ Pin dùng lưu trữ điện cùng với bộ sạc có thể điều khiển được.


6

Bộ chuyển
đổi
DC-DC

Pin

Dịng PV
xung

Áp PV

Thuật tốn
MPPT

Duty cycle

PWM

Hình 1.2: Sơ đồ khối của một hệ thống PV độc lập phổ biến hiện nay
Như đã trình bày ở trên, cần phải thực hiện kỹ thuật MPPT để theo dõi những thay
đổi và phát hiện năng lượng tối đa từ panel năng lượng mặt trời và năng lượng này
bị ảnh hưởng đáng kể bởi bức xạ, nhiệt độ và điện áp của panel, các thông số đều là
giá trị phi tuyến. Một hệ thống MPPT là một thiết bị điện tử giúp lấy được được
nhiều năng lượng nhất từ hoạt động của panel năng lượng mặt trời. Sự khác biệt của
hệ thống này và hệ thống theo dõi cơ là hệ thống cơ dùng để điều chỉnh cho panel
vng góc với tia nắng mặt trời, cịn hệ thống MPPT là thơng qua bộ điều khiển
MPPT, thay đổi điểm làm việc của họ đặc tính điện của panel năng lượng mặt trời
sao cho phù hợp với các thay đổi của bức xạ hoặc nhiệt độ, qua đó bảo đảm panel
có thể cung cấp năng lượng tối đa [4]. MPPT hoạt động như một bộ chuyển đổi trở
kháng, tức là nó buộc trở kháng tại các thiết bị đầu cuối của panel năng lượng mặt
trời thay đổi để có được cơng suất tối đa từ panel năng lượng mặt trời. Năng lượng
điện có từ panel năng lượng mặt trời thường được lưu trữ trong một Pin axit chì để
sử dụng sau này, vào lúc thời gian chiếu xạ thấp hoặc khơng có.

1.4

Mục tiêu, phương pháp và phạm vi nghiên cứu

Hai con đường có thể đi trong các nghiên cứu về năng lượng mặt trời PV: mô phỏng
và thực nghiệm số.
Mơ phỏng các thí nghiệm số có thể cung cấp các thông tin về hiệu suất nhiệt, thí
nghiệm mơ phỏng và là trọng tâm của bài nghiên cứu này. Các bước sử dụng trong
nghiên cứu này là tạo mẫu, lập trình, mơ phỏng, và đánh giá các kỹ thuật MPPT.
Mục tiêu của luận văn này như sau:


7

-

Để xác định một thuật toán MPPT hiệu quả, phù hợp với PV cho các hộ gia
đình, để lấy năng lượng tối đa từ panel.

-

Cung cấp một một thuật toán MPPT phát hiện điểm tối ưu cách nhanh chóng
và biến động công suất thấp với sự thay đổi của điều kiện môi trường.

-

Thực nghiệm với một hệt thống PV thực tế để kiểm nghiệm kết quả với giá
trị lý thuyết

Phương pháp luận như sau:
-

Tìm hiểu và biết được điểm mạnh và điểm yếu của một số thuật toán MPPT
cổ điển khi những điều kiện biến đổi, thông qua nghiên cứu tài liệu.

-

Phát triển mẫu PV và mẫu MPPT sử dụng Matlab Simulink để đánh giá hiệu
suất của các thuật toán MPPT đã có và giải quyết những hạn chế của các
phương pháp cũ bằng cách sử dụng một số phương pháp tối ưu khác phù hợp
với ứng dụng PV trong hộ gia đình.

-

Thực nghiệm thuật tốn MPPT trên hệ thống PV thự tế để so sánh với giá trị
lý thuyết

Mô phỏng một panel năng lượng mặt trời thương mại.Bốn thuật toán MPPT được
sử dụng trong luận văn này nhằm mục đích so sánh. Chúng ta đầu tiên là viết
Matlab m-file và tìm hiểu thơng qua mơ phỏng. Thuật tốn chuẩn PO, cùng với
phiên bản phát triển của thuật toán này và thuật tốn IC thơng thường, và cùng với
thuật tốn phát triển của nó được nghiên cứu dưới điều kiện đủ nắng và thiếu nắng
do nhiều mây. Kết quả từ việc so sánh giúp biết được thuật toán nào hiệu quả nhất
trong bốn thuật tốn trên, qua đó được lựa chọn, để thực hiện trên toàn bộ hệ thống.
Cuối cùng, thuật tốn có hiệu quả cao nhất sẽ được thực hiện trên hệ thống PV đầy
đủ kết hợp với các tải, được so sánh, đánh giá với các thuật toán tiêu chuẩn đã có
trong mơi trường Matlab/Simulink để chứng minh hiệu quả của nó trong điều kiện
thời tiết khác nhau. Trạng thái tĩnh và động của điểm ổn định được phân tích liện
quan đến thay đổi chậm và nhanh chóng của bức xạ.
Một hệ thống PV hoàn chỉnh với MPPT bao gồm panel năng lượng mặt trời, một
thuật toán MPPT, và một công cụ chuyển đổi điện áp DC-DC là tốn học mơ hình


8

hóa và mơ phỏng trong một mơi trường Matlab/Simulink. Sau khi tất cả các hệ
thống con đã được xác minh từng cái một để đảm bảo chức năng tốt và hiệu quả,
chúng được kết nối với nhau và kết hợp với tải pin để đánh giá hiệu suất tổng thể
của ứng dụng PV cho hộ gia đình.
Với hệ thống PV hoàn chỉnh trên lý thuyết chúng ta xây dựng một hệ thống PV nhỏ
thực tế. Sử dụng thuật toán MPPT và áp dụng cho mơ hình thực tế, để kiểm tra độ
hiệu quả và so sánh giá trị với tính toán lý thuyết. Đồng thời kết quả thực nghiệm
cũng đánh giá khả năng áp dụng hệ thống PV cho hộ gia đình.

1.5

Tóm tắt nội dung luận văn

Bảy chương của luận án được trình bày như sau:
Chương một phác thảo về nền tảng và động lực cho nghiên cứu và cung cấp một sơ
đồ của hệ thống MPPT. Mục tiêu, phương pháp và phạm vi của nghiên cứu.
Chương hai phân tích kỹ thuật MPPT cổ điển (các phương pháp CV, PO, và IC)
trong tài liệu hiện tại và nêu các vấn đề về biến động điện xung quanh điểm MPP và
hạn chế khi bám theo điểm MPP chậm, tìm hiểu những cải tiến tốt trong điều kiện
thời tiết biến động. Sau khi xem xét, một thuật toán MPPT hiệu quả hơn cả sẽ được
chọn để tiếp tục nghiên cứu trong một mơi trường lập trình Matlab.
Chương ba nói về mơ hình hóa và mơ phỏng của các panel năng lượng mặt trời trên
Matlab m-file và các khối Simulink. Mơ hình đơn giản, hai diode, và một diode,
giải thích mơ hình tế bào quang điện. Mô phỏng trên Matlab và Simulink là mơ
hình một diode, mơ hình dựa trên phương trình đặc trưng của tế bào quang điện và
dữ liệu của nhà sản xuất. Cuối cùng, chương này trình bày thảo luận về các kết quả
mơ phỏng.
Trong chương bốn, năm thuật tốn MPPT được viết bằng Matlab m-file và nghiên
cứu thông qua mơ phỏng. Thuật tốn PO, cùng với phiên bản phát triển của thuật
tốn này và thuật tốn IC thơng thường, cùng với thuật tốn phát triển của nó được
nghiên cứu dưới điều kiện môi trường thay đổi (nắng và nhiều mây). Tiến hành so
sánh các kết quả mô phỏng MPPT và rút ra kết luận.


9

Bộ chuyển đổi DC-DC được thực hiện trong chương năm, phân tích để hiểu được
cách thức hoạt động của bộ chuyển đổi Boost tại trạng thái ổn đinh và trạng thái

động. Bộ boost sau đó được mơ phỏng bằng một hộp công cụ Simulink Power.
Cũng trong chương này ta kết hợp tất cả các hệ thống con của hệ thống năng lượng
mặt trời đã từng nghiên cứu và phân tích hiệu suất tổng thể của hệ thống panel năng
lượng mặt trời bằng cách sử dụng hai thuật toán MPPT cải thiện so với các phiên
bản cổ điển dưới những thay đổi bức xạ nhanh và chậm.
Trong chương sáu, thuật toán MPPT sẽ được nhúng trong một mơ hình thực tế và
được kiểm chứng lại kết quả. Từ kết quả phân tích hiệu suất của hệ thống thực tế
khi có áp dụng MPPT cổ điển và MPPT cải tiến.
Cuối cùng, trong chương bảy, kết luận đều có liên quan đến các kết quả mô phỏng
và thực nghiệm của nghiên cứu để chứng minh những lý do cho sự lựa chọn các
thuật toán MPPT được sử dụng trong các hệ thống năng lượng mặt trời đầy đủ.
Chương này cũng đặt ra các đề xuất cho nghiên cứu trong tương lai về kỹ thuật
MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời.


10

CHƯƠNG 2:
2.1

KHẢO SÁT CÁC THUẬT TOÁN MPPT

Giới thiệu

Các trở kháng của tải ảnh hưởng đến hoạt động của các panel năng lượng mặt trời.
Khi tải khác nhau, điểm hoạt động cũng di chuyển trên đường cong dòng-áp (I-V).
Sử dụng một tải điện trở, độ dốc là 1/Rload của đường thẳng được hiển thị trong hình
2.1. Giao điểm của đường dịng tải và đường cong dòng-áp lý tưởng sẽ cung cấp vị
trí điểm hoạt động của panel năng lượng mặt trời. Trong thực tế, khi panel năng
lương mặt trời sử dụng phương pháp ghép tải trực tiếp, điểm hoạt động ít khi trùng

với điểm công suất cực đại (MPP). Xảy ra trường hợp không phù hợp trong kết nối
giữa panel năng lượng mặt trời và tải. Đòi hỏi các module panel năng lượng mặt
trời lớn hơn để đáp ứng trong thời gian chiếu xạ thấp. Điều này làm tăng chi phí.

Hình 2.1: Giao điểm của đường cong I-V với các giá trị tải khác nhau [5]
(Dưới điều kiện 1Kw/m2, 250C)


11

Trong hình 2.1, có thể thấy rằng bằng cách làm giảm trở kháng tải, điểm làm việc di
chuyển về hướng bên trái và ngược lại. Theo cơ chế phối hợp trở kháng tải, công
suất tối đa khi điện trở của tải (Rload) bằng với điện trở tối ưu (Ropt), giá trị đó bằng
tỉ lệ điện áp và dịng điện tại điểm MPP (Ropt = VMPP/IMPP). Để theo dõi các điểm
MPP của panel một cách chặt chẽ nhất có thể, rất quan trọng khi lựa chọn các thông
số của panel năng lượng dựa trên các đặc điểm I-V của tải [6].
Hơn nữa, công suất đầu ra của panel PV thay đổi phù hợp với những thay đổi của
độ bức xạ mặt trời và nhiệt độ. Điều này làm cho nó khơng thể sử dụng phương
thức ghép cặp trực tiếp để tự động bám theo MPP. Những thay đổi trong điều kiện
thời tiết được thể hiện bởi các đường đặc tuyến I-V và đường cong P-V trong hình
2.2 và 2.3.

Hình 2.2: Đường cong I-V
(a) Biến thiên cường độ sáng

(b) Biến thiên nhiệt độ


12

Hình 2.3: Đường cong P-V
(a) Biến thiên cường độ sáng (b) Biến thiên nhiệt độ
Một hệ thống MPPT là cần thiết để lấy được năng lượng tối đa trong quá trình hoạt
động của panel năng lượng mặt trời và để có thể bám theo những thay đổi cơng suất
do sự thay đổi của các điều kiện khí quyển. Một hệ thống MPPT về cơ bản là các
thiết bị điện tử bao gồm hai thành phần thiết yếu, như trình bày trong hình 2.4: một
bộ chuyển đổi DC-DC cùng với thuật tốn điều khiển MPPT để hệ thống PV có thể
hoạt động ở điểm công suất tối đa. Các trở kháng tải Rload và trở kháng nhìn từ đầu
vào của bộ chuyển đổi của panel PV là Ropt hiếm khi phù hợp. Q trình theo dõi,
tìm cách phối hợp hai thơng số này bằng cách hiệu chỉnh chu kỳ nhiệm vụ một cách
thích hợp.