Cải tiến giải thuật mppt cho hệ thống pin quang điện trong điều kiện có bóng che

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

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

TRẦN HOÀNG HƯNG

CẢI TIẾN GIẢI THUẬT MPPT CHO
HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN TRONG
ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ

: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2017

i


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

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

TRẦN HOÀNG HƯNG

CẢI TIẾN GIẢI THUẬT MPPT CHO
HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN TRONG
ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ

: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2017

ii


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI:
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - ĐHQG - HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Huỳnh Quang Minh ..............................
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Trần Hoàng Lĩnh ........................................
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Ngô Cao Cường..................................
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:
1. PGS.TS. Hồ Văn Nhật Chương
2. TS. Trần Hồng Lĩnh
3. PGS.TS. Ngơ Cao Cường
4. PGS.TS. Vũ Phan Tú
5. TS. Nguyễn Nhật Nam

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 ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

iii


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: ……… Trần Hoàng Hưng .............................. MSHV:…7140972 .........
Ngày, tháng, năm sinh: ……13/06/1991 ................................... Nơi sinh: Quảng Trị ........
Chuyên ngành: …….Kỹ thuật Điện ........................................... Mã số : …60520202 .....
I. TÊN ĐỀ TÀI:
CẢI TIẾN GIẢI THUẬT MPPT CHO HỆ THỐNG PIN QUANG ĐIỆN TRONG
ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Tìm hiểu về Pin mặt trời, điện mặt trời.
Tìm hiểu về bộ biến đổi DC/DC (Boost, Buck, SEPIC,..).
Tìm hiểu các giải thuật MPPT cho điện mặt trời.
Tìm hiểu hiện tượng bóng che khi vận hành pin mặt trời và giải thuật khắc phục
Mơ phỏng kiểm chứng tính khả thi của giải thuật bằng MATLAB.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 11/01/2017
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03/12/2017
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: Tiến Sĩ. Huỳnh Quang Minh

Tp. HCM, ngày 03 tháng 12 năm 2017
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

iv


LỜI CẢM ƠN
Hoàn thành luận văn cao học là niềm vinh dự và hạnh phúc lớn lao.
Trước tiên xin gửi lời cám ơn chân thành đến Ba Mẹ, người đã sinh thành và dưỡng
dục để tơi có thành cơng ngày hôm nay.
Tiếp theo, một người đặc biệt luôn đồng hành bên tơi, chăm sóc tơi những khi ốm
đau, động viên tôi những khi tôi chán nản, là hậu phương vững chắc và hỗ trợ hết
mình cho tơi. Đặc biệt gửi lời cám ơn chân tình tới vợ tơi.
Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến Thầy Huỳnh Quang Minh, người
đã hết lòng giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi hồn thành đề tài này. Xin
cám ơn thầy đã dành công sức, thời gian để hướng dẫn và dìu dắt để tơi có được kết
quả như ngày hơm nay. Khơng lời nào có thể diễn tả hết, trân trọng cám ơn Thầy rất
nhiều.
Xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn đến tồn thể q Thầy Cô trong khoa Điện-Điện
Tử Trường Đại Học Bách Khoa TP.HCM đã tận tình truyền đạt những kiến thức
quý báu cũng như tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho tơi trong suốt q trình học
tập nghiên cứu và cho đến khi tơi thực hiện đề tài này.

Ngồi ra, tơi cũng xin gửi lời cám ơn đến tất cả bạn bè đã giúp đỡ tơi trong q
trình thực hiện luận văn cao học này.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 03 tháng 12 năm 2017

Học viên

Trần Hoàng Hưng

v


TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ

Trong bối cảnh các vấn đề về môi trường ngày càng được quan tâm hơn nữa, các
hiệp hội giảm phát thải khí nhà kính trên thế giới càng hoạt động mạnh mẽ, thì xu
hướng giảm khí thải từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ để phát
điện ngày càng được quan tâm. Và nguồn năng lượng thay thế được nhắc đến đó là
năng lượng tái tạo, một trong những ứng viên có tìm năng lớn nhất đó là năng lượng
mặt trời. Tuy nhiên, để chuyển dịch dần mạng lưới phân phối điện từ nguồn năng
lượng hóa thạch truyền thống sang năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt
trời nói riêng khơng phải là việc dễ dàng. Bởi vì bản chất phụ thuộc vào điều kiện
thời tiết, kỹ thuật điều khiển, vốn đầu tư lớn dẫn lớn việc đầu tư phát điện từ năng
lượng mặt trời chưa thực sự phát triển mạnh mẽ ở nước ta. Ngoài ra, điều kiện vận
hành để thu được công suất cực đại trong khi tấm pin mặt trời bị che khuất cũng là
một thách thức cho các dự án điện mặt trời độc lập ở quy mô hộ tiêu thụ, trường
học, chiếu sáng đường phố,..đây cũng là vấn đề được tiếp cận ở luận văn này.
Trên cơ sở các nội dung nghiên cứu được đặt ra, luận văn được chia thành 6
chương:
Chương 1: Giới thiệu về mục tiêu và hướng tiếp cận của đề tài
Chương 2: Giới thiệu tổng quan về hệ thống điện mặt trời cũng như các cấu hình

ghép các dãy pin mặt trời.
Chương 3: Trình bày các phương pháp MPPT trên hệ thống điện mặt trời
Chương 4: Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất MPPT của giải thuật P&O và đưa ra
giải thuật khắc phục ảnh hưởng của hiện tượng bóng che.
Chương 5: Mơ phỏng và đánh giá kết quả.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài.

vi


ABSTRACT
In the context of environmental issues are becoming more and more attention, the
associations position on greenhouse gas emission reductions drummed up support
for more active in achieving this objective, so the trend toward reducing emissions
from fossil fuels such as coal and oil for electricity generation is increasingly
concerned. And the promising option of alternative source is renewable energy, one
of the most attractive and potential energy source is solar energy.
However, it is not easy to move the power distribution network supplied from
traditional supply fossil energy sources to renewable energy in general and solar
energy in particular. Because of the dependencies on weather conditions, control
techniques, large capital investment that leading to the large investment on solar
energy has not really developed strongly in our country.
In addtition, operation conditions to get maximum power while solar panels are in
partial shading condition are also a challenge for stand-alone solar systems at
househole, school, public lighting…this is a problem is approached in this thesis.
Based on the content of the research, the thesis is organized as follows:
Chapter 1: Introduction to objectives and approaches of the thesis.
Chapter 2: An overview of solar power system as well as configuration of solar
module.
Chapter 3: Presentation of Maximum Power Point Tracking (MPPT) method on

solar power system
Chapter 4: Factor affecting on MPPT efficiency of Purtubation & Observation
(P&O) algorithm and proposed method for tracking Global MPPT in Partial
Shading Condition (PSC).
Chapter 5: Simulation and evaluation.
Chapter 6: Conclusion and future research.

vii


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn thạc sĩ với đề tài “Cải tiến giải thuật MPPT cho hệ
thống pin quang điện trong điều kiện có bóng che” là cơng trình nghiên cứu của
chính bản thân tơi, dưới sự hướng dẫn của Tiến Sĩ. Huỳnh Quang Minh, các số liệu
và kết quả thực nghiệm hồn tồn trung thực. Tơi cam đoan khơng sao chép bất kỳ
cơng trình khoa học nào của người khác, mọi sự tham khảo đều có trích dẫn rõ ràng.

Học viên cao học

Trần Hồng Hưng

viii


MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN

........................................................................................................ v

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ ........................................................................ vi
LỜI CAM ĐOAN .................................................................................................. viii
MỤC LỤC

....................................................................................................... ix

DANH MỤC HÌNH MINH HỌA ........................................................................... xi
DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU ............................................................................. xiii
DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT................................................................................. xiv
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ...................................................................................... 1
1.1. Lý do chọn đề tài ...........................................................................................1
1.2. Mục tiêu của đề tài.........................................................................................3
1.3. Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu ........................................4
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI. 5
2.1. Tổng quan ......................................................................................................5
2.2. Cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời .....................................12
2.3. Cấu trúc ghép nối tiếp các tấm pin mặt trời ................................................15
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................................................. 18
3.1. Khái niệm MPPT .........................................................................................18
3.2. Các giải thuật điều khiển MPPT ..................................................................21
3.2.1

Fractional Open-Circuit Voltage (FOC): ..............................................22

3.2.2

Fractional Short-Circuit Current (FSC): ...............................................23

3.2.3

Perturb and Observe (P&O)/ Hill Climbing (HC) ................................ 24

3.2.4

Ripple Correlation Control (RCC) ........................................................26

3.2.5

Incremental Conductance (InC) ............................................................ 27

3.2.6

Fuzzy Logic Control (FLC) ..................................................................29

3.2.7

Neural Network (NN) ...........................................................................32

ix


CHƯƠNG 4:

GIẢI THUẬT P&O VÀ HIỆN TƯỢNG BÓNG CHE............ 34

4.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của giải thuật MPPT P&O ................34
4.1.1.

Thời gian nhiễu loạn và bước nhiễu loạn: .........................................34

4.1.2.

Sự dao động quanh điểm MPP ..........................................................37

4.1.3.

Sự phân kỳ (Divergence) khi bức xạ thay đổi nhanh ........................38

4.2. Hiện tượng bóng che ...................................................................................40
4.3. Cải tiến giải thuật P&O vận hành khi bị che khuất .....................................50
CHƯƠNG 5:

XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ..................................... 61

5.1. Tổng quan ....................................................................................................61
5.2. Mô phỏng trên MATLAB ...........................................................................61
5.3. Kết quả mô phỏng........................................................................................65
CHƯƠNG 6:

KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI .................. 81

6.1. Kết luận: ......................................................................................................81
6.2. Hướng phát triển đề tài: ...............................................................................81
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 82

x


DANH MỤC HÌNH MINH HỌA

Hình 1.1.

Cấu hình cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập ...................... 2

Hình 1.2.

Sơ đồ các khối trong hệ thống điện mặt trời có điều khiển MPPT 3

Hình 2.1.

Tổng quan hệ thống điện mặt trời độc lập ...................................... 5

Hình 2.2.

Tấm pin mặt trời ............................................................................. 6

Hình 2.3.

Đặc tuyến P-V, I-V ......................................................................... 7

Hình 2.4.

Sơ đồ tương đương chính xác tấm pin mặt trời .............................. 7

Hình 2.5.

Ảnh hưởng bức xạ lên đặc tuyến tấm pin mặt trời ....................... 10

Hình 2.6.

Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tuyến tấm pin mặt trời ..................... 11

Hình 2.7.

Cánh đồng pin mặt trời ................................................................. 12

Hình 2.8.

Cấu trúc hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời ...................... 14

Hình 2.9.

Cấu ghép nối tấm pin mặt trời ...................................................... 16

Hình 3.1.

Đặc tuyến I-V, P-V ....................................................................... 18

Hình 3.2.

Điểm vận hành khi bức xạ thay đổi .............................................. 19

Hình 3.3.

Cấu hình pin mặt trời sử dụng với bộ DC/DC .............................. 20

Hình 3.4.

Điểm vận hành di chuyển trên đường đặc tuyến .......................... 21

Hình 3.5.

Giải thuật MPPT P&O .................................................................. 26

Hình 3.6.

Giải thuật MPPT InC .................................................................... 28

Hình 3.7.

Hàm Thành viên ........................................................................... 30

Hình 3.8.

Các lớp mạng Neural .................................................................... 33

Hình 4.1.

Minh họa việc lựa chọn giá trị bước nhảy .................................... 36

Hình 4.2.

Dao động khi xác lập ở giải thuật P&O ........................................ 37

Hình 4.3.

Hiệu ứng trơi ................................................................................. 38

Hình 4.4.

Bức xạ tăng nhanh ........................................................................ 39

Hình 4.5.

Vận hành bị bóng che trong thực tế .............................................. 40

Hình 4.6.

Ảnh hưởng bóng che lên 1 PV Cell .............................................. 41

Hình 4.7.

Ảnh hưởng bóng che lên 1 PV Cell .............................................. 42

Hình 4.8.

Diode bypass in PV module ......................................................... 43

Hình 4.9.

Diode Blocking in PV Shading..................................................... 44
xi


Hình 4.10.

Diode blocking and diode bypass ................................................. 45

Hình 4.11.

Điện áp và dòng điện dãy PV module khi thử nghiệm Partial
Shading ......................................................................................... 46

Hình 4.12.

Đặc tuyến I-V của dãy pin mặt trời khi bị che 1 tấm ................... 47

Hình 4.13.

Đặc tuyến P-V của dãy pin khi bị bóng che ................................. 49

Hình 4.14.

Thơng số các tấm pin được sử dụng trong mô phỏng .................. 50

Hình 4.15.

Dãy PV được khảo sát trong đề tài ............................................... 51

Hình 4.16.

Bức xạ 1000-1000-1000 (W/m2) .................................................. 52

Hình 4.17.

Bức xạ 500-1000-1000 (W/m2) .................................................... 53

Hình 4.18.

Bức xạ 500-500-1000 (W/m2) ...................................................... 54

Hình 4.19.

Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến ..................................................... 58

Hình 5.1.

Sơ đồ khối mơ phỏng hệ thống ..................................................... 61

Hình 5.2.

Sơ đồ mơ phỏng ............................................................................ 62

Hình 5.3.

Khối 3 PV Module mắc nối tiếp. .................................................. 63

Hình 5.4.

Khối biến đổi cơng suất SEPIC .................................................... 64

Hình 5.5.

Khối điều khiển MPPT ................................................................. 64

Hình 5.6.

Đặc tuyến I-V và P-V của 1 tấm pin dùng trong mô phỏng ......... 65

Hình 5.7.

Đáp ứng P và D của giải thuật P&O trong điều kiện bình thường ...
...................................................................................................... 67

Hình 5.8.

Đáp ứng điện áp và dịng điện với PandO_nomal ........................ 69

Hình 5.9.

Đáp ứng công suất của giải thuật P&O trong điều kiện bóng che 70

Hình 5.10.

Đáp ứng điện áp và dịng điện với PandO_shading ..................... 72

Hình 5.11.

So sánh đáp ứng cơng suất của giải thuật đề xuất và giải thuật
truyền thống .................................................................................. 74

Hình 5.12.

Đáp ứng cơng suất khi thực hiện PandO_GMPP (giây 0,2) ......... 76

Hình 5.13.

Đáp ứng cơng suất khi thực hiện PandO_GMPP (giây 1,3) ......... 77

Hình 5.14.

So sánh đáp ứng D-I-V của 2 giải thuật ....................................... 79

xii


DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 3.1.

Bảng luật mờ ................................................................................. 50

Bảng 5.1.

Bảng giá trị công suất của 3 PV Module tại các trường hợp bức xạ
...................................................................................................... 66

Bảng 5.2.

Bảng so sánh đáp ứng cơng suất khi xác lập theo Hình 5.11b ..... 74

Bảng 5.3

So sánh đáp ứng thời gian và công suất của 2 giải thuật .............. 80

xiii


DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
PV

Photovoltaic

PSC

Partial Shading Condiong

P&O

Perturbation and Observation

HC

Hill Climbing

INC

Incremental Conductance

RCC

Ripple Correlation Control

FLC

Fuzzy Logic Control

DSP

Digital Signal Processing

MPPT

Maximum Power Point Tracking

MPP

Maximum Power Point

GMPP

Global Maximum Power Point

GMPPT

Global Maximum Power Point Tracking

LMPP

Local Maximum Power Point

LMPPT

Local Maximum Power Point Tracking

xiv


CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1.

Lý do chọn đề tài

Mạng lưới phân phối điện năng trên toàn thế giới đang dần chuyển qua sử dụng
nguồn năng lượng tái tạo [1]. Điều này là tất yếu vì sự gia tăng liên tục nhu cầu sử
dụng năng lượng toàn cầu và sự suy giảm khả năng cung cấp năng lượng thông
thường, bằng chứng là cuộc khủng hoảng dầu mỏ, cùng với vấn đề bảo vệ môi
trường ngày càng đáng lo ngại.
Trong số các nguồn năng lượng tái tạo, năng lượng mặt trời đang tạo ra một sản
lượng điện lớn và đang gia tăng trên toàn thế giới. Ngoài việc xây dựng các trang
trại mặt trời rộng lớn, các hệ thống năng lượng mặt trời gắng trên mái nhà cũng
được chấp nhận ở nhiều khu vực [1]. Đối với điện mặt trời, cả ở ứng dụng hịa lưới
hay quy mơ dân dụng, chi phí và hiệu suất là những yếu tố quan trọng để tối đa hóa
chi phí mỗi watts điện phát ra, đó là mối quan tâm chính cho các nhà hộ tiêu thụ và
nhà đầu tư hệ thống điện mặt trời [2-3]. Ngoài ra, dễ dàng lắp đặt với số ít các thiết
bị điện tử cũng là một yếu tố được xem xét. Tăng hiệu suất, giảm chi phí hệ thống
và kích thước của bộ biến đổi nguồn là tất cả các yếu tố quan trọng trong việc phát
triển hệ thống điện mặt trời trong tương lai.
Hình 1.1 mơ tả cấu hình một hệ thống năng lượng mặt trời độc lập, bao gồm các
thành phần chính là: Pin quang điện, bộ biến đổi nguồn (DC/DC và DC/AC), acquy
và tải tiêu thụ. Năng lượng mặt trời được tấm pin quang điện chuyển đổi thành điện
năng, thông qua các bộ biến đổi nguồn, năng lượng điện này có thể được sử dụng
trực tiếp cho tải DC, lữu trữ acquy hay nghịch lưu để sử dụng cho tải AC (hoặc hòa
vào lưới điện quốc gia). Tuy nhiên, công suất điện thu được từ pin mặt trời phụ
thuộc vào nhiều yếu tố như tải, bức xạ, nhiệt độ, điều kiện che khuất... vì vậy việc
điều khiển và giám sát liên tục các thông số hệ thống để thu được công suất lớn nhất
từ mặt trời là yêu cầu bắt buộc để tăng hiệu quả chuyển đổi năng lượng, nhất là
trong thời buổi giá thành lắp đặt hệ thống điện mặt trời vẫn còn cao. Kỹ thuật điều
1

khiển này gọi là “Dị tìm điểm cơng suất cực đại” (MPPT- Maximum Power Point
Tracking).
Trong nghiên cứu này, đề tài tập trung vào việc cải thiện hiệu suất của hệ thống
điện mặt trời bằng việc cải tiến giải thuật MPPT để thu được cơng suất tối đa từ pin
mặt trời.

Hình 1.1. Cấu hình cơ bản của hệ thống điện mặt trời độc lập

2


1.2.

Mục tiêu của đề tài

Cấu hình các khối của hệ thống điện mặt trời có điều khiển MPPT được minh họa ở
Hình 1.2. Trong đó, bộ điều khiển có chức năng đo các giá trị dịng điện, điện áp,
cơng suất… và thực hiện thuật toán MPPT cho ra giá trị độ rộng xung tương ứng để
điều khiển các khóa cơng suất trong bộ biến đồi công suất cung cấp một giá trị điện
áp hoặc dịng điện để cơng suất nhận được lớn nhất.

Hình 1.2. Sơ đồ các khối trong hệ thống điện mặt trời có điều khiển MPPT
Nhiều thuật tốn theo dõi MPPT đã được thực hiện trong hệ thống điện mặt trời,
một số thuật tốn thơng thường và phổ biến như “Perturbation and Observation/
Hill - Climbing Search” (P&O/HCS) [4, 12, 28], “Incremental conductance”
(InCond) [5, 26], “Constant or fractional voltage/current” [6, 7], các thuật toán tối
ưu “Particle swarm optimization” (PSO) [8], một số thuật tốn dựa trên trí thơng
minh nhân tạo như “Fuzzy Logic” [9, 13, 27], “Artificial Neural Network” [10] và
một số kỹ thuật khác.

3


Trong số các giải thuật MPPT, giải thuật P&O và HC được sử dụng phổ biến nhất
[11]. Ưu điểm của giải thuật này là đơn giản hơn so với các giải thuật nhân tạo, có
thể thực hiện trong ứng dụng thực tế vì giải thuật có thể áp dụng tốt cho vi điều
khiển hoặc hệ thống sử lý số tín hiệu (Digital Signal Processing System), có thể
thực hiện được giải thuật mà khơng cần biết trước đặc tính của tấm pin năng lượng
mặt trời. Tuy nhiên, giải thuật này tồn tại nhiều hạn chế như đáp ứng chậm, giao
động khi đạt công suất cực đại, hiện tượng trôi khi điều kiện bức xạ thay đổi nhanh
chống… tổn thất công suất khi các tấm pin vận hành bị che khuất.
Đề tài sẽ phân tích những hạn chế của giải thuật MPPT P&O và đề xuất giải thuật
cải tiến để thu được công suất tối đa từ pin mặt trời.
1.3.

Phương pháp nghiên cứu và nội dung nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu: Nghiên cứu lý thuyết, đề xuất giải thuật và kiểm chứng
bằng mô phỏng.
Nội dung nghiên cứu:
-

Nguyên cứu lý thuyết: Cấu tạo pin mặt trời, mạch biến đổi công suất (nghịch
lưu, conveter), giải thuật MPPT.

-

Mô phỏng: sử dụng phần mềm Matlab xây dụng giải thuật và kiểm chứng hiệu
quả của giải thuật MPPT.

4


CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI

2.1. Tổng quan

Hình 2.1.

Tổng quan hệ thống điện mặt trời độc lập

Một hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản: pin
mặt trời, bộ biến đổi nguồn, bộ điều khiển và tải. Năng lượng mặt trời được tấm pin
mặt trời chuyển thành điện DC sau đó được bộ biến đổi nguồn chuyển đổi ra dạng
điện áp phù hợp với tải DC, tải AC hay hòa vào lưới điện quốc gia như Hình 2.1.
Bộ điều khiển có chức năng đo kiểm các thơng số ở đầu ra pin mặt trời và đầu ra tải
và xuất ra tín hiệu điều khiển các khóa cơng suất ở các bộ DC/DC hay DC/AC để
thu được công suất cao nhất từ pin mặt trời hay đạt hiệu suất chuyển đổi cao, hay có
thể bảo vệ hệ thống khi quá tải, ngắn mạch hoặc các sự cố khi khi hòa lưới (ví dụ sự
cố “ốc đảo – Islanding”).
Thành phần quan trọng không thể thiếu trong hệ thống điện mặt trời là các panel
pin mặt trời, tấm pin năng lượng mặt trời thực tế như Hình 2.2. Bao gồm nhiều
module pin quang điện được ghép nối với nhau, để đạt được điện áp hay công suất
theo yêu cầu sử dụng.
5


Hình 2.2. Tấm pin mặt trời

Đặc tuyến I-V, P-V (Hình 2.3) của tấm pin mặt trời thay đổi theo nhiệt độ, bức xạ
và điều kiện của tải. Tùy vào điều kiện vận hành, điểm vận hành sẽ di chuyển trên
các đường cong phi tuyến này, và bộ điều khiển có chức năng giám sát để điểm vận
hành đạt được công suất ngõ ra tối đa (MPP), gọi là tìm điểm công suất cực đại.

6


Hình 2.3. Đặc tuyến P-V, I-V
Để khảo sát và điều khiển năng lượng thu được từ pin mặt trời đạt hiệu quả cao,
sơ đồ tương đương và mơ hình tốn học là 2 thành phần không thể thiếu. Sơ đồ
tương đương được thể hiện như Hình 2.4

Hình 2.4. Sơ đồ tương đương chính xác tấm pin mặt trời

7


Trong đó tấm pin tương đương một nguồn dịng phát ra công suất ở đầu vào, điện
trở Rsh và Rs là điện trở nội song song và nối tiếp của tấm pin. Đầu ra của tấm pin
mặt trời có thể là tải DC, bộ DC/DC hay bộ DC/AC, tuy nhiên, dù ghép nối với bất
kỳ bộ biến đổi nguồn hay tải nào thì nhìn từ phía nguồn pin mặt trời, tải sẽ chỉ
tương đương một biến trở R.
Như minh họa ở Hình 2.3, pin mặt trời là một nguồn có đặc tuyến P-V, I-V là phi
tuyến, phương trình tốn học được biểu diễn như công thức (2.1) thể hiện mối quan
hệ phi tuyến này.
q(Vpv +Rs Ipv )
k.A.T.ns

Ipv = nP . Iph − np . Isat [e

− 1] +

Vpv + R s I
ns R sh

(2.1)

Trong đó:
Ipv: Dịng điện ra PV panel (A).

Iph: Dòng quang điện (A)

Isat: dòng bảo hòa (A)

Vpv: Điện áp ra PV panel (V)

ns: số lượng pin nối tiếp

np: số lượng pin mắc song song

Rs: điện trở nội nối tiếp

Rsh: điện trở nội song song

q: điện tích Electron

k: hằng số Boltzman

T: nhiệt độ tấm pin

A: hệ số lý tưởng.

Qua cơng mơ hình tốn học pin mặt trời ở (2.1), rõ ràng đặc tuyến pin mặt trời phụ
thuộc nhiều vào dòng quang điện Iph và nhiệt độ tấm pin T. Mà dòng quang điện
phụ thuộc vào bức xạ chiếu vào tấm pin, vì vậy, cơng suất phát ra từ pin mặt trời
phụ thuộc nhiều vào điều kiện môi trường là bức xạ và nhiệt độ, ngồi ra cịn phụ
thuộc vào các yếu tố như độ thay đổi nhanh hay chậm của bức xạ, điều kiện vận
hành bị bóng che,...

8


Ảnh hưởng của bức xạ lên đặc tuyến của pin mặt trời được minh họa ở Hình 2.5, vì
dịng quang điện tỉ lệ với bức xạ chiếu vào, nên ứng với sự gia tăng bức xạ thì dịng
điện phát ra từ pin mặt trời sẽ tăng. Hình 2.5 cho thấy sự thay đổi dòng điện lớn hơn
so với điện áp. Trong thực tế, sự phụ thuộc của điện áp lên mức bức xạ thường bị bỏ
quên. Khi sự thay đổi của dịng điện và điện áp đều dương, thì cơng suất tạo ra cũng
sẽ tăng theo.

a. Đặc tyến P-V, I-V khi bức xạ thay đổi

9


b. Đặc tyến 3D P-V, I-V khi bức xạ thay đổi
Hình 2.5. Ảnh hưởng bức xạ lên đặc tuyến tấm pin mặt trời
Nhiệt độ của môi trường cũng là một yếu tố ảnh hưởng lớn đến đặc tuyến của tấm
pin, nhiệt độ ảnh hưởng nhiều đến điện áp hở mạch, và điện áp này phụ thuộc tuyến
tính vào nhiệt độ. Sự ảnh hưởng này được thể hiện ở Hình 2.6

10


a. Đặc tuyến P-V, I-V khi nhiệt độ thay đổi

b. Đặc tuyến 3D P-V khi nhiệt độ thay đổi
Hình 2.6. Ảnh hưởng nhiệt độ lên đặc tuyến tấm pin mặt trời
11