Ứng dụng điều khiển thông minh xây dựng các thuật toán mppt cho hệ thống pv dùng năng lượng mặt trời

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

TRẦN VĂN PHỤNG

ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH
XÂY DỰNG CÁC THUẬT TOÁN MPPT CHO HỆ THỐNG PV
DÙNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, THÁNG 6 NĂM 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Cán bộ chấm nhận xét 1: ......................................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2: ......................................................................................

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:
1. ..............................................................
2. ..............................................................

3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ môn quản lý chuyên ngành


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

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

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
=============
Tp. HCM, ngày . . . tháng . . . năm . . .

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: Trần Văn Phụng

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1988

Nơi sinh: Sóc Trăng

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện
Khóa (năm trúng tuyển): 2011

1- TÊN ĐỀ TÀI: Ứng dụng điều khiển thông minh xây dựng các thuật toán
MPPT cho hệ thống PV dùng năng lượng mặt trời.
2- NHIỆM VỤ LUẬN VĂN:
- Giới thiệu sơ lược về hệ thống nguồn năng lượng Mặt Trời (bao gồm năng
lượng bức xạ Mặt Trời, Pin Mặt Trời), ưu và nhược điểm nguồn năng lượng mang
lại.
- Xây dựng các thuật toán MPPT cho hệ thống PV dùng năng lượng mặt trời
cũng như ưu điểm và nhược điểm của từng thuật tốn.
- Sử dụng phần mền Matlab mơ phỏng sự hoạt động của các thuật toán cho hệ
thống PV.
3- NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 21/01/2013.
4- NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 21/6/2013.
5- HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Hồ Phạm Huy Ánh
Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được Hội đồng Chuyên ngành
thông qua.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

TS. Hồ Phạm Huy Ánh

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
KHOA QL CHUYÊN NGÀNH
QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

LỜI CẢM ƠN

Hoàn thành luận văn cao học là vinh dự lớn lao, đồng thời đây cũng là nhiệm
vụ quan trọng của học viên trong suốt q trình học cao học.

Để hồn thành tốt luận văn, ngồi sự cố gắn khơng mệt mỏi của bản thân thì
sự nhiệt tình hướng dẫn của thầy, cơ là vơ cùng quan trọng. Trong q trình học tập,
em đã được học tập rất nhiều điều bổ ích từ các thầy, cô của trường, của khoa. Em
tin chắc rằng đây sẽ là hành trang quý giá giúp em trong cuộc sống sau này.
Em xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy Hồ Phạm Huy Ánh đã tận tình
hướng dẫn em trong quá trình làm luận văn, đồng thời em cũng gửi lời cảm ơn đến
các thầy, cô của khoa Điện – Điện Tử đã tạo điều kiện tốt để em hoàn thành luận
văn này. Ngoài ra, em cũng xin gửi lời cảm ơn gia đình và tất cả bạn bè đã ln
giúp đỡ, động viên em trong suốt khóa học đến khi hoàn thành luận văn.
Cuối lời, em xin kính chúc sức khỏe và thành cơng đến q thầy cơ, gia đình
và tất cả các bạn.
Tuy nhiên, do cịn hạn chế về kiến thức, kinh nghiệm thực tế, về tài liệu tham
khảo, thời gian thực hiện đề tài, nên khơng tránh khỏi những sai lầm, thiếu sót. Kính
mong thầy hướng dẫn, q thầy, cơ cùng các bạn góp ý để luận văn này được hoàn
thiện hơn.
Xin chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày…tháng…năm…
Học viên thực hiện

Trần Văn Phụng

HVTH: Trần Văn Phụng

1


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn thực hiện nhiệm vụ tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và công

nghệ pin mặt trời cũng như khả năng ứng dụng vào thực tế nguồn năng lượng này
trong tương lai.
Luận văn còn giới thiệu về các phương pháp được sử dụng rộng rãi và phổ
biến để xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại của pin mặt trời.
Sự so sánh các thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) và điện dẫn gia tăng
(InCond) trong điều kiện thời tiết khác nhau và sự dung hợp giữa nguồn PV và tải
được thực thi trong phần mền Matlab.
Cuối cùng, mơ phỏng ứng dụng thuật tốn P&O với phương pháp điều khiển
đo trực tiếp tín hiệu ra cho hệ thống bơm DC sử dụng năng lượng mặt trời dựa vào
phần mền Matlab.

HVTH: Trần Văn Phụng

2


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

MỤC LỤC
Lời cảm ơn .................................................................................................................. 1
Tóm tắt luận văn.......................................................................................................... 2
Mục lục ........................................................................................................................ 3
Mục lục hình ............................................................................................................... 7
Mục lục bảng ............................................................................................................. 11
Chương 1: GIỚI THIỆU ........................................................................................... 12
I. Mở đầu ................................................................................................................... 12
1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................................... 12
1.2. Mục tiêu của đề tài ............................................................................................. 15
1.3. Nhiệm vụ của đề tài............................................................................................ 15
1.4. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................................ 16

1.5. Phương pháp nghiên cứu.................................................................................... 16
1.6. Kết quả dự kiến đạt được ................................................................................... 16
II. Nội dung luận văn ................................................................................................ 16
Chương 2: GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG PIN
MẶT TRỜI................................................................................................................ 18
2.1. Năng lượng mặt trời ........................................................................................... 18
2.1.1. Khái niệm.................................................................................................... 18
2.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời. ............................................. 19
2.1.3. Tổng quan về các ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời ......................... 19
2.1.3.1. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời ............................... 20
2.1.3.2. Thiết bị nung nước nóng dùng năng lượng mặt trời ........................... 23
2.1.3.3. Động cơ stirling sử dụng năng lượng mặt trời .................................... 24
2.1.3.4. Thiết bị làm lạnh và điều hịa khơng khí dùng năng lượng mặt trời ... 25
2.1.4. Những ưu điểm và nhược điểm của năng lượng mặt trời .......................... 26
2.1.4.1. Ưu điểm .............................................................................................. 26
2.1.4.2. Nhược điểm ........................................................................................ 26

HVTH: Trần Văn Phụng

3


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

2.2. Giới thiệu về pin mặt trời ................................................................................... 27
2.2.1. Khái niệm ................................................................................................... 27
2.2.2. Cấu tạo ....................................................................................................... 27
2.2.3. Nguyên tắc hoạt động ................................................................................ 30
2.2.4. Tấm quang điện mặt trời ............................................................................ 31
2.2.5. Đặc tính pin mặt trời .................................................................................. 33

2.2.6. Các mơ hình hệ thống pin mặt trời ............................................................ 39
2.2.7. Cấu trúc chính của lưới điện mặt trời ........................................................ 42
2.2.8. Các phương pháp nâng cao chất lượng và hiệu suất nguồn điện mặt trời . 43
2.2.8.1. Phương pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại ........................ 43
2.2.8.2. Xây dựng các bộ biến đổi có hiệu suất cao ......................................... 44
2.2.9. Những ưu điểm và nhược điểm của pin mặt trời ....................................... 46
2.2.9.1. Ưu điểm ............................................................................................... 46
2.2.9.2. Nhược điểm ......................................................................................... 46
2.3. Bộ biến đổi nguồn chuyển mạch ........................................................................ 47
2.3.1. Giới thiệu bộ biến đổi nguồn chuyển mạch ............................................... 47
2.3.2. Bộ biến đổi Cúk ......................................................................................... 48
2.4. Kết luận .............................................................................................................. 50
Chương 3: CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ĐIỂM LÀM VIỆC CÓ CÔNG
SUẤT CỰC ĐẠI CỦA PIN MẶT TRỜI.................................................................. 51
3.1. Giới thiệu chung ................................................................................................. 51
3.2. Nguyên lý dung hợp tải ...................................................................................... 52
3.3. Thuật tốn xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại MPPT ....................... 53
3.4. Các thuật toán leo đồi (Hill Climbing)............................................................... 55
3.4.1. Phương pháp nhiễu loạn và quan sát (Perturb & Observe) ........................ 56
3.4.2. Điều khiển liên hệ ngược

dP
.................................................................... 58
dV

3.4.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (InCond) ....................................................... 58
3.4.4. Cách làm thuật tốn có khả năng thích nghi ............................................... 60

HVTH: Trần Văn Phụng

4


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

3.5. Điều khiển logic mờ (Fuzzy Logic) ................................................................... 62
3.6. Mạng Nơron ....................................................................................................... 64
3.7. Phương pháp điện áp hở mạch ........................................................................... 65
3.8. Phương pháp dòng điện ngắn mạch ................................................................... 66
3.9. Phương pháp quét dòng...................................................................................... 67
3.10. Mạng nơron mờ (Fuzzy Neural Network) ....................................................... 68
3.10.1. Sơ đồ khối bộ điều khiển ......................................................................... 68
3.10.2. Thảo luận độ bền của MPPT.................................................................... 70
3.10.3. Thuật toán học trực tuyến của mạng nơron mờ ....................................... 73
3.11. Phương pháp điều khiển MPPT ....................................................................... 77
3.11.1. Phương pháp điều khiển PI ...................................................................... 77
3.11.2. Phương pháp điều khiển trực tiếp ............................................................ 78
3.11.3. Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tính hiệu ra .................................... 79
3.12. Giới hạn của MPPT .......................................................................................... 81
3.13. Kết luận ............................................................................................................ 81
Chương 4: SỬ DỤNG PHẦN MỀN MATLAB MƠ PHỎNG SỰ HOẠT ĐỘNG
CÁC THUẬT TỐN MPPT .................................................................................... 83
4.1. Thiết kế bộ biến đổi Cúk .................................................................................... 83
4.1.1. Chọn các linh kiện ..................................................................................... 83
4.1.2. Mô phỏng Pspice ....................................................................................... 85
4.2. So sánh giữa thuật toán P&O và InCond ........................................................... 87
4.3. MPPT với tải trở................................................................................................. 94
4.4. Hệ thống bơm nước sử dụng nguồn năng lượng mặt trời ................................ 105
4.4.1. Một số cấu hình hệ thống bơm PV .......................................................... 106
4.4.2. Hệ bơm PV có động cơ DC ..................................................................... 108

4.4.2.1. Đặc tính I-V của động cơ DC ............................................................ 108
4.4.2.2. Bơm nước .......................................................................................... 110
4.4.3. Kết quả mô phỏng Matlab ....................................................................... 113
4.5. Kết luận ............................................................................................................ 120

HVTH: Trần Văn Phụng

5


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Chương 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ XUẤT.................................................................. 121
5.1. Kết luận ............................................................................................................ 121
5.2. Đề xuất ............................................................................................................. 121
Tài liệu tham khảo ................................................................................................... 122
Lý lịch trích ngang .................................................................................................. 124

HVTH: Trần Văn Phụng

6


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

MỤC LỤC HÌNH

Hình 2.1: Nhà máy điện mặt trời ...................................................................... 20
Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy nhiệt điện mặt trời ................... 21
Hình 2.3: Hệ thống cung cấp nhiệt dùng gương phản xạ parabol trụ .............. 21

Hình 2.4: Nhà máy nhiệt điện mặt trời dùng hệ gương phản xạ ...................... 22
Hình 2.5: Hệ thống cấp hơi nước dùng gương parabol tròn xoay.................... 22
Hình 2.6: Tháp năng lượng mặt trời ................................................................. 23
Hình 2.7: Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời ................ 24
Hình 2.8: Động cơ Stirling chạy bằng năng lượng mặt trời ............................. 25
Hình 2.9: Hệ thống lạnh hấp thụ dùng năng lượng mặt trời ............................ 25
Hình 2.10: Pin mặt trời ..................................................................................... 27
Hình 2.11: Các loại cấu trúc tinh thể của PV ................................................... 28
Hình 2.12: Các loại vật liệu PV........................................................................ 29
Hình 2.13: Sơ đồ hoạt động của pin mặt trời Silíc ........................................... 30
Hình 2.14: Các tấm quang điện mặt trời .......................................................... 31
Hình 2.15: Tấm pin mặt trời loại KC130GT .................................................... 31
Hình 2.16: Đường cong điện áp và cơng suất của mơđun PV ......................... 33
Hình 2.17: Mạch tương đương của mảng PV .................................................. 34
Hình 2.18: Đường đặc tính mơđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi
và nhiệt độ mơi trường khơng đổi (250C) ........................................................ 37
Hình 2.19: Đường đặc tính mơđun PV khi cường độ ánh sáng mặt trời không
đổi và nhiệt độ môi trường thay đổi ................................................................. 39
Hình 2.20: Sơ đồ khối hệ thống hịa lưới điện ................................................. 40
Hình 2.21: Sơ đồ khối hệ thống làm việc độc lập ............................................ 41
Hình 2.22: Sơ đồ khối hệ thống hịa lưới điện có dự trữ .................................. 41
Hình 2.23: Sơ đồ nguồn điện mặt trời nối với lưới quốc gia ........................... 42
Hình 2.24: Bộ ngắt mạch DC song song khơng cách ly .................................. 42
Hình 2.25: Mạch PV khơng có biến áp chứa các tụ kí sinh ............................. 45
Hình 2.26: Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cúk ................................................... 48

HVTH: Trần Văn Phụng

7

GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Hình 2.27: Bộ biến đổi Cúk khi khóa (van) đóng ............................................ 49
Hình 2.28: Bộ biến đổi Cúk khi khóa (van) ngắt ............................................. 49
Hình 3.1: Tấm PV được mắc trực tiếp với một tải thuần trở có thể thay đổi giá
trị....................................................................................................................... 51
Hình 3.2: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị điện
trở thay đổi được .............................................................................................. 52
Hình 3.3: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D ........................................ 53
Hình 3.4: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở
cùng một mức nhiệt độ (250C) ......................................................................... 54
Hình 3.5: Đường đặc tính làm việc của pin khi cường độ bức xạ thay đổi ở
cùng một mức nhiệt độ (500C) ......................................................................... 54
Hình 3.6: Phương pháp tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại P&O............ 56
Hình 3.7: Lưu đồ thuật tốn P&O .................................................................... 57
Hình 3.8: Phương pháp điện dẫn gia tăng. ....................................................... 58
Hình 3.9: Lưu đồ thuật tốn InCond ................................................................ 60
Hình 3.10: Các hàm thành viên ........................................................................ 62
Hình 3.11: Cấu trúc mạng nơron ...................................................................... 64
Hình 3.12: Sơ đồ khối cấu trúc điều khiển hệ PV ............................................ 68
Hình 3.13: Cấu trúc mạng nơron mờ................................................................ 69
Hình 3.14: Đặc tính V–P của mảng PV ........................................................... 71
Hình 3.15: Các trạng thái của phương trình

dPPV dV PV
.................................. 72
dV PV dt

Hình 3.16: Sơ đồ điều khiển FNN .................................................................... 73

Hình 3.17: Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI....... 77
Hình 3.18: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT .............. 78
Hình 3.19: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của bộ Cúk và hệ số làm việc D ... 79
Hình 3.20: Lưu đồ thuật tốn P&O dùng trong phương pháp điều khiển
đo trực tiếp tín hiệu ra ...................................................................................... 80
Hình 4.1: Sơ đồ mạch nguyên lý bộ biến đổi Cúk với tải động cơ PMDC...... 86
Hình 4.2: Kết quả mơ phỏng dịng và áp vào/ra bằng PSpice.......................... 86

HVTH: Trần Văn Phụng

8


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Hình 4.3: Quá trình bám điểm MPP (1KW/m2, 250C) ..................................... 87
Hình 4.4: Tập dữ liệu bức xạ cho một ngày nắng ở Bechar, Algeria............... 88
Hình 4.5: Tập dữ liệu bức xạ cho một ngày nhiều mây ở Barcelona, Spain ... 89
Hình 4.6: Quá trình bám điểm MPP trong một ngày nắng (250C) ................... 90
Hình 4.7: Quá trình bám điểm MPP trong một ngày nhiều mây (250C) .......... 92
Hình 4.8: Cơng suất ngõ ra của bộ biến đổi Cúk với hệ số làm việc D
(1KW/m2, 250C) ............................................................................................... 94
Hình 4.9: Đường cong I-V cho thuật tốn P&O tại cường độ ánh sáng mặt trời
khác nhau (250C) .............................................................................................. 96
Hình 4.10: Đường cong P-V cho thuật tốn P&O tại cường độ ánh sáng mặt
trời khác nhau (250C) ....................................................................................... 96
Hình 4.11: Lưu đồ mơ phỏng MPPT ............................................................... 99
Hình 4.12: MPPT với tải trở R=6Ω................................................................ 101
Hình 4.13: Mối quan hệ giữa công suất ngõ ra và hệ số làm việc bộ biến đổi
Cúk với tải R=6Ω ........................................................................................... 101

Hình 4.14: Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ biến đổi Cúk
với tải R=6Ω ................................................................................................... 102
Hình 4.15: MPPT với tải trở R=12Ω.............................................................. 103
Hình 4.16: Mối quan hệ giữa công suất ngõ ra và hệ số làm việc bộ biến đổi
Cúk với tải R=12Ω ......................................................................................... 104
Hình 4.17: Mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện ra bộ biến đổi Cúk với tải
R=12Ω ............................................................................................................ 104
Hình 4.18: Mơ hình hệ thống bơm nước PV .................................................. 106
Hình 4.19: Sơ đồ khối hệ thống bơm nước PV được đề xuất ........................ 107
Hình 4.20: Mơ hình hệ thống bơm nước PV được đề xuất ............................ 107
Hình 4.21: Mơ hình và mạch tương đương động cơ DC ............................... 108
Hình 4.22: Đường cong I-V của PV với cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi
và đường cong I-V động cơ DC ..................................................................... 109

HVTH: Trần Văn Phụng

9


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Hình 4.23: Đường cong I-V của PV, đường cong công suất không đổi (isopower) và đường cong I-V động cơ DC ......................................................... 110
Hình 4.24: Bơm thể tích Kyocera SD 12-30 .................................................. 111
Hình 4.25: Biểu đồ hoạt động bơm Kyocera SD 12-30 ................................. 112
Hình 4.26: Độ dốc 1/Rload được vẽ trong Simulink ........................................ 113
Hình 4.27: Mối quan hệ giữa điện áp, dịng điện và cơng suất mơđun PV với
tải bơm DC ..................................................................................................... 114
Hình 4.28: Mối quan hệ giữa công suất ra và hệ số làm việc D của bộ biến đổi
Cúk ................................................................................................................. 115
Hình 4.29: Mối quan hệ dòng và áp ra của bộ biến đổi Cúk.......................... 115

Hình 4.30: Lưu lượng của bơm PV trong 12 giờ ........................................... 116
Hình 4.31: Mối quan hệ giữa điện áp, dịng điện và công suất của môđun PV
với hệ mắc trực tiếp ........................................................................................ 117
Hình 4.32: Mối quan hệ dịng và áp ra của bộ biến đổi Cúk với hệ mắc trực
tiếp .................................................................................................................. 117
Hình 4.33: Lưu lượng của bơm PV trong 12 giờ với hệ mắc trực tiếp .......... 118
Hình 4.34: Lưu lượng của bơm PV trong 12 giờ đã được mô phỏng với dữ liệu
bức xạ trong một ngày nắng ........................................................................... 119

HVTH: Trần Văn Phụng

10


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

MỤC LỤC BẢNG

Bảng 2.1: Hiệu suất các loại vật liệu pin mặt trời ............................................ 29
Bảng 2.2: Thông số kỹ thuật của tấm PV loại KC130GT ................................ 32
Bảng 3.1: Cơ sở quy tắc ................................................................................... 68
Bảng 4.1: Đặc điểm thiết kế bộ biến đổi Cúk .................................................. 83
Bảng 4.2: Thiết kế bộ biến đổi Cúk: So sánh kết quả mơ phỏng và tính tốn . 87
Bảng 4.3: Hiệu suất thuật toán P&O và InCond trong một ngày nhiều mây ... 92
Bảng 4.4: Tổng kết so sánh các thuật tốn MPPT ........................................... 93
Bảng 4.5: Các thơng số kỹ thuật của môđun PV.............................................. 95
Bảng 4.6: Sự dung hợp giữa nguồn PV với tải trở (6Ω) dưới cường độ ánh
sáng mặt trời khác nhau.................................................................................... 97
Bảng 4.7: Sự dung hợp giữa nguồn PV với tải trở (12Ω) dưới cường độ ánh
sáng mặt trời khác nhau.................................................................................... 97

Bảng 4.8: Hiệu suất và năng lượng điện sản sinh ra từ môđun PV với MPPT
và không có MPPT ......................................................................................... 105
Bảng 4.9: Thơng số kỹ thuật của các loại bơm thể tích ................................. 111
Bảng 4.10: Hiệu suất và năng lượng điện sản sinh từ môđun PV với MPPT và
khơng có MPPT .............................................................................................. 118
Bảng 4.11: Tổng lượng nước đã bơm trong khoảng thời gian 12 giờ với dữ
liệu bức xạ trong một ngày nắng .................................................................... 120

HVTH: Trần Văn Phụng

11


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Chương 1 GIỚI THIỆU

I. Mở đầu
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay với tình hình dân số và nền công nghiệp phát triển không ngừng,
năng lượng càng thể hiện rõ vai trò quan trọng và trở thành yếu tố không thể thiếu
trong cuộc sống. Tuy nhiên, trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng
gia tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày
đang dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Một số nguồn năng lượng đang được sử
dụng hiện nay là nguồn năng lượng hóa thạch (như dầu mỏ, khí đốt và than đá,...)
đang giảm nhanh và là nguồn năng lượng không thể tái tạo, đang cho thấy những
tác động xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà
kính, thủng tầng ozơn, là một trong những ngun nhân chính làm trái đất ấm dần
lên. Các khí thải ra từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axít, gây hại cho
mơi trường sống của con người. Vì vậy việc tìm nguồn năng lượng thay thế cho

nguồn năng lượng hóa thạch đang dần cạn kiệt càng trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều
sự quan tâm.
Một số nguồn năng lượng tái tạo hiện nay bao gồm năng lượng pin mặt trời,
năng lượng gió, pin nhiên liệu, năng lượng địa nhiệt,... Trong đó, năng lượng pin
mặt trời là một trong những nguồn năng lượng quan trọng nhất, nó được coi là một
nguồn năng lượng rẻ, vô tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi
trường xung quanh đang thu hút sự quan tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà
nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt nhất trong tương lai. Do đó, trong
những năm gần đây, nhiều quốc gia đã quan tâm đến để nghiên cứu và ứng dụng
năng lượng pin mặt trời (photovoltaic - PV).
Nhằm để tăng hiệu suất truyền công suất pin mặt trời (PV), bộ kết nối giữa
mảng PV và điện trở tải của mảng PV đóng một vai trị quan trọng. Nhiều hệ số như
bức xạ, nhiệt độ và góc sẽ ảnh hưởng đến điểm có cơng suất cực đại (Maximum
Power Point - MPP) của mảng PV. Trong chương 2 sẽ trình bày chi tiết về đường
cong đặc tính của mảng PV. Theo các đường cong đặc tính của mảng PV thì nó có
HVTH: Trần Văn Phụng

12


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

đặc tính phi tuyến trong môi trường khác nhau. Tuy nhiên, làm thế nào để xác định
được điểm có cơng suất cực đại (MPP) của mảng PV sẽ được trình bày trong luận
văn này.
Một mảng PV phổ biến thường yêu cầu một giao diện biến đổi để đạt được
MPP, nó bao gồm sự kết nối mạng lưới một bậc hoặc bộ biến đổi tăng áp. Bộ biến
đổi tăng áp và thuật tốn sẽ được trình bày trong luận văn này. Trong khía cạnh bộ
biến đổi, nó có thể được phân chia làm hai loại chính: Bộ nguồn tuyến tính và bộ
nguồn chuyển mạch. Nhằm để cải thiện hiệu suất biến đổi của mảng PV thì bộ

nguồn chuyển mạch là sự lựa chọn tốt nhất. Theo đặc tính khác nhau của mảng PV,
điện dung, điện cảm, diode, tranzito và tần số chuyển mạch sẽ được quyết định.
Trong những năm gần đây, nhiều sự nghiên cứu được tập trung vào các thuật
toán MPP khác nhau của mảng PV, những phương pháp của các thuật toán này bao
gồm phương pháp thử nghiệm và sai số (trial and error), thuật toán leo đồi (hillclimbing - HC), phương pháp nhiễu loạn và quan sát (perturbation and observation P&O), điện dẫn gia tăng (incremental conductance - InCond), mạng nơron (neural
network) và thuật tốn mờ (fuzzy),... Trong đó, các thuật tốn leo đồi (HC) là những
thuật toán điều khiển cơ bản nhất. Thuật tốn nhiễu loạn và quan sát điều khiển với
tín hiệu điện áp và thuật toán leo đồi điều khiển với phép lấy vi phân của điện áp và
công suất,

dPPV
. Do đó, khi điểm hoạt động ở phía bên trái của MPP, điện áp sẽ
dVPV

tăng, khi đó cơng suất cũng tăng. Tuy nhiên, những phương pháp này có những hạn
chế lớn, đó là tỉ lệ tìm kiếm điểm MPP được quyết định bởi kích cỡ thơng số.
Phương pháp điện dẫn gia tăng là phương pháp khắc phục những nhược điểm
của phương pháp nhiễu loạn và quan sát trong trường hợp điều kiện thời tiết thay
đổi đột ngột. Theo đường cong đặc tính điện áp và cơng suất của mảng PV, chúng
ta biết rằng

dPPV
bằng 0 tại điểm MPP, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm
dVPV

MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP.

HVTH: Trần Văn Phụng

13

GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Dựa trên

dPPV
dI
hàm số có thể được viết lại là I PV + VPV + PV và MPP thu
dVPV
dVPV

được là I PV + VPV +

dI PV
= 0 . Điện dẫn gia tăng khác với thuật toán nhiễu loạn và
dVPV

quan sát vì điện dẫn gia tăng sử dụng sai số, e =

I PV dI PV
+
, để dò tìm MPP cùa
VPV dVPV

mảng PV.
Một thuật tốn MPPT khác là điều khiển tương quan gợn sóng (RCC). Sự gợn
sóng được tạo ra bởi sự chuyển mạch của bộ biến đổi tăng áp. Theo sự gợn sóng của
điện áp và dịng điện, hệ số làm việc có thể điều khiển điện áp chuyển đổi của bộ
biến đổi tăng áp. Khi đó đạo hàm của mảng PV là p =

•

•

•

dPPV
dV
dI
, v = PV , i = PV .
dt
dt
dt
•

Tương tự phương pháp điện dẫn gia tăng, p× v hoặc p× i bằng 0 tại điểm MPP,
dương khi ở bên trái điểm MPP và âm khi ở bên phải điểm MPP. Do đó, tín hiệu
điều khiển ngõ vào của hệ số làm việc là d (t ) = k ∫
d (t ) = k ∫

dPPV dI PV
dt
dt dt

hoặc

dPPV dVPV
dt , trong đó K là hằng số dương cố định. Tuy nhiên, mảng PV
dt
dt

là hệ không chắc chắn và phi tuyến theo tác động của môi trường. Sự ảnh hưởng là
tương tự như những phương pháp trước.
Bộ điều khiển tích phân tỉ lệ (Proportional Integral – PI) là một bộ điều khiển
có cấu trúc rất đơn giản, nó đã được phát triển trong một thời gian dài và được sử
dụng thường xuyên trong công nghiệp. Những thuận lợi của bộ điều khiển PI là sự
ổn định và độ tin cậy cao khi bộ điều khiển được điều chỉnh một cách thích hợp.
Tuy nhiên, các thơng số của bộ điều khiển PI không thay đổi được theo tác động
của môi trường, đặc biệt là mảng PV có đặc tính phi tuyến trong những điều kiện
hoạt động khác nhau. Nhằm để giải quyết những khó khăn này, bộ điều khiển động
với các thơng số có thể điều chỉnh được và các thuật toán học trực tuyến sẽ được
trình bày tới các hệ thống động chưa biết và không chắc chắn.

HVTH: Trần Văn Phụng

14


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Trong những năm qua, đã có rất nhiều sự nghiên cứu trên các ứng dụng mạng
nơron (Neural Netwoks - NNs) phù hợp với hệ thống điều khiển phi tuyến và không
chắc chắn. Một mạng nơron là một bộ xử lí phân phối song song có khả năng ghi
giữ các kết quả thí nghiệm và có sẵn cho việc sử dụng. Điều này là giống với bộ não
con người trong hai khía cạnh, đó là khả năng học hỏi và lưu trữ hộp đen (lưu giữ
kiến thức). Hơn nữa, khả năng học có thể được hiểu như một q trình tối ưu, nó có
thể xảy ra rõ ràng bằng cách thay đổi cường độ nơron và sự lặp lại công thức như
hàm xấp xỉ.
Theo những cấu trúc của mạng nơron thì có thể được phân chia làm mạng
nơron truyền thẳng và mạng nơron lặp lại. Hơn nữa, những tính tốn của các trọng

số cho sự cập nhật nhanh và hàm xấp xỉ tới dữ liệu huấn luyện là được tập trung
trong luận văn này.
Ngoài ra, nơron ẩn cũng sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Nếu số
nơron ẩn là quá nhiều, khi đó tải ước tính là nhiều, vì vậy khơng phù hợp cho sự
ứng dụng thực tế trực tuyến. Ngược lại, nếu số nơron ẩn là q ít, q trính học có
thể khơng đủ tốt để đạt được yêu cầu thực thi điều khiển.
Xuất phát từ các lý do trên em chọn đề tài “Ứng dụng điều khiển thông minh
xây dựng các thuật toán MPPT cho hệ thống PV dùng năng lượng mặt trời”
làm đối tượng nghiên cứu cho luận văn này.
1.2. Mục tiêu của đề tài
Luận văn này được thực hiện với mục đích tìm hiểu và phát triển các phương
pháp xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPPT) của mảng pin mặt trời
(PV). Khi cường độ ánh sáng mặt trời thay đổi hoặc do ảnh hưởng nhiễu loạn, thì
các phương pháp này có thể xác định điểm MPP của mảng PV một cách nhanh
chóng và chính xác.
1.3. Nhiệm vụ của đề tài
Giới thiệu cơ bản về hệ thống nguồn năng lượng Mặt Trời (bao gồm năng
lượng bức xạ Mặt Trời, Pin Mặt Trời), ưu và nhược điểm mà nguồn năng lượng
mang lại.

HVTH: Trần Văn Phụng

15


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Xây dựng các phương pháp xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại
của mảng PV.
Sử dụng phần mền Matlab mô phỏng sự hoạt động của các thuật toán

(P&O, InCond).
1.4. Phạm vi nghiên cứu
Trong luận văn này tập trung nghiên cứu về các thuật toán cơ bản (P&O,
InCond) để xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại (MPPT) cho mảng PV
dùng năng lượng mặt trời.
1.5. Phương pháp nghiên cứu
Vận dụng những kiến thức về pin mặt trời, kỹ năng lập trình Matlab. Tập hợp
những tài liệu liên quan để hoàn thành đề tài.
1.6. Kết quả dự kiến đạt được
Xây dựng được các thuật toán P&O và InCond để xác định điểm làm việc
có cơng suất cực đại (MPPT) cho PV dùng năng lượng mặt trời.
Xây dựng được mơ hình ứng dụng hệ thống bơm DC dùng năng lượng mặt
trời sử dụng thuật toán P&O với phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra dựa
vào phần mền Matlab.
II. Nội dung luận văn
Chương 1: Giới thiệu
Chương này bao gồm các động cơ thúc đẩy dẫn đến nghiên cứu và cấu trúc
tổng thể của luận văn.
Chương 2: Giới thiệu về năng lượng mặt trời và hệ thống pin mặt trời
Chương này giới thiệu tổng quan về năng lượng mặt trời, mạch tương đương
của mảng PV và đường cong đặc tính điện áp, dịng điện và cơng suất của pin mặt
trời. Ngồi ra, ngun tắc hoạt động của bộ biến đổi DC-DC cũng sẽ được trình bày
trong chương này.
Chương 3: Các phương pháp xác định điểm làm việc có cơng suất cực đại của
pin mặt trời
Trong chương này giới thiệu về các thuật toán xác định điểm làm việc có cơng
suất cực đại của PV cũng như các ưu điểm và khuyết điểm của từng phương pháp.
HVTH: Trần Văn Phụng

16

GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Ngoài ra, phần này cũng trình bày về các phương pháp điều khiển MPPT, việc áp
dụng các thuật toán MPPT để điều khiển bộ biến đổi DC-DC trong hệ thống và giới
hạn của phương pháp MPPT.
Chương 4: Sử dụng phần mền Matlab mô phỏng sự hoạt động các thuật toán
MPPT
Các thuật toán MPPT (P&O và InCond) được so sánh với điều kiện thời tiết
khác nhau và ứng dụng thuật toán với phương pháp điều khiển cho hệ thống bơm
PV được mô phỏng trên phần mền Matlab sẽ được trình bày trong chương này.
Chương 5: Kết luận và đề xuất
Chương này bao gồm những kết luận và hướng đề xuất cho sự cải thiện luận
văn.
III. Tài liệu tham khảo

HVTH: Trần Văn Phụng

17


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Chương 2 GIỚI THIỆU VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI

Pin mặt trời là một loại thành phần bán dẫn quang điện, thành phần bán dẫn
này sử dụng ánh sáng mặt trời để tạo ra điện năng. Điện áp và dòng điện có thể
được sản sinh ra bởi sự chiếu sáng của ánh nắng mặt trời. Tuy nhiên, theo những

yêu cầu sử dụng khác nhau, mảng PV bao gồm nhiều pin mặt trời mắc nối tiếp hoặc
song song với nhau để sản sinh ra cơng suất mong muốn. Nhìn chung, hiệu suất của
hệ thống PV phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bên cạnh việc phụ thuộc vào mảng PV thì
bộ biến đổi cũng đóng một vai trị rất quan trọng. Trong chương này sẽ giới thiệu
tổng quan về nguồn năng lượng mặt trời (NLMT), về những vật liệu chế tạo PV,
mạch tương đương và mơ hình tốn học của PV.
2.1. Năng lượng mặt trời
2.1.1. Khái niệm
Năng lượng mặt trời (NLMT) là một trong những nguồn năng lượng sạch và
vô tận. Con người đã biết tận hưởng nguồn năng lượng quí giá này từ rất lâu, tuy
nhiên việc khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này một cách hiệu quả nhất thì vẫn
là vấn đề mà chúng ta đang quan tâm.
Hầu như tất cả các nguồn năng lượng mà con người hiện nay đang sử dụng xét
cho cùng đều xuất phát hay có liên quan đến NLMT (chỉ trừ một số nguồn năng
lượng như năng lượng nguyên tử, năng lượng địa nhiệt và các nhà máy điện hoạt
động bằng năng lượng thủy triều). Người ta chia các nguồn năng lượng thành hai
nhóm năng lượng chính:
- Năng lượng hóa thạch như dầu, than đá hay khí đốt.
- Năng lượng tái tạo từ những nguồn năng lượng như mặt trời, gió, hợp chất
hữu cơ,…
Các nguồn năng lượng được tạo ra từ q trình hóa thạch chính là NLMT được
biến đổi, lưu trữ trong các hợp chất hữu cơ. Ngược lại, ở các nguồn năng lượng mới
mang tính tái tạo thì NLMT được sử dụng dưới rất nhiều hình thức khác nhau.

HVTH: Trần Văn Phụng

18


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

2.1.2. Các công nghệ sử dụng năng lượng mặt trời
Hiện nay chúng ta có hai cơng nghệ chính sử dụng nguồn NLMT. Đó là cơng
nghệ điện mặt trời dựa trên hiệu ứng quang điện và cơng nghệ nhiệt mặt trời dựa
trên hiệu ứng nhà kính (nhiệt độ thấp) và công nghệ nhiệt mặt trời hội tụ (nhiệt độ
cao).
Công nghệ nhiệt năng từ mặt trời: Từ lâu nhiệt năng từ bức xạ mặt trời đã
được dùng để phơi sấy, sưởi ấm,... một cách tự nhiên. Hiện nay nhờ các thiết bị mới
nên nhiệt mặt trời được sử dụng một cách hiệu quả hơn. Có 2 cơng nghệ thông dụng
khai thác nhiệt mặt trời dựa trên hiệu ứng nhà kính và hiệu ứng hội tụ bức xạ mặt
trời.
Công nghệ điện mặt trời quang điện: Khi chiếu sáng vào một lớp tiếp xúc
bán dẫn p-n thì năng lượng ánh sáng mặt trời có thể được bíến đổi thành năng lượng
của dịng điện một chiều. Hiện tượng đó được gọi là hiệu ứng quang - điện
(photovoltaic) và hiệu ứng này được ứng dụng để chuyển đổi nguồn NLMT thành
điện năng.
2.1.3. Tổng quan về các ứng dụng sử dụng năng lượng mặt trời
NLMT là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng từ rất sớm, nhưng ứng
dụng nguồn năng lượng này vào các công nghệ sản xuất và trên quy mơ rộng thì
mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ XVIII và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT,
những vùng sa mạc. Các nước công nghiệp phát triển đã đi tiên phong trong việc
nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biến hiện nay bao gồm các
lĩnh vực chủ yếu sau:
- Sử dụng NLMT dưới dạng nhiệt năng, ở đây chúng ta dùng các thiết bị thu
bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ nó dưới dạng nhiệt năng để dùng vào các mục đích
khác nhau.
- NLMT được biến đổi trực tiếp thành điện năng nhờ các tế bào quang điện
bán dẫn, hay còn gọi là pin mặt trời.
Thiết bị nhiệt mặt trời nhận bức xạ nhiệt mặt trời và tích trữ năng lượng dưới
dạng nhiệt năng. Thiết bị nhiệt mặt trời có rất nhiều loại khác nhau tùy thuộc vào

mục đích sử dụng của chúng.

HVTH: Trần Văn Phụng

19


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Để sản xuất nhiệt từ NLMT người ta sử dụng các hệ thống gương cầu hay
gương parabol để hội tụ các tia mặt trời vào các điểm hay trục hội tụ. Tại các điểm
hội tụ nhiệt độ có thể lên đến hàng trăm hay thậm trí hàng nghìn độ. Nếu cho chất
lỏng như nước, dầu,… qua vùng hội tụ thì chất lỏng bị bay hơi ngay cả dưới áp suất
cao. Cho hơi này qua các tuabin sẽ phát ra điện. Công nghệ này được gọi là công
nghệ nhiệt điện mặt trời.
2.1.3.1. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Điện năng có thể tạo ra từ NLMT dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ cao bằng
một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc truyền
động cho mảng PV, đối với những khu vực lạnh NLMT không đủ nhiệt độ để chạy
mảng PV, nhưng với kỹ thuật tập trung nhiệt thì điều đó có thể hồn tồn được thực
hiện.

Hình 2.1 Nhà máy điện mặt trời
Nhà máy nhiệt điện mặt trời có thể hoạt động theo sơ đồ nguyên lý như được
thể hiện ở hình 2.2. Với hệ thống này nguồn năng lượng mặt trời được hội tụ bởi hệ
thống gương phản xạ và nung nóng hỗn hợp muối nóng chảy đến nhiệt độ 7000C và
muối nóng này được chứa trong bình và dẫn đi nung nóng nước thành hơi trong lò
hơi.

HVTH: Trần Văn Phụng

20


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

Hình 2.2 Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy nhiệt điện mặt trời
Hiện nay trong các nhà máy nhiệt điện sử dụng NLMT có các loại hệ thống
bộ thu chủ yếu sau đây:
- Hệ thống dùng parabol trụ để tập trung tia bức xạ mặt trời vào một ống môi
chất đặt dọc theo đường hội tụ của bộ thu, nhiệt độ có thể đạt tới 4000C.

Hình 2.3 Hệ thống cung cấp nhiệt dùng gương phản xạ parabol trụ
- Hệ thống nhận nhiệt trung tâm bằng cách sử dụng các gương phản xạ có
định vị theo phương mặt trời để tập trung NLMT đến bộ thu đặt trên đỉnh tháp cao,
nhiệt độ có thể đạt tới trên 15000C. Tuy nhiên, độ tập trung của gương phản xạ

HVTH: Trần Văn Phụng

21


GVHD: TS. Hồ Phạm Huy Ánh

không cao nên cần phải sử dụng với số lượng lớn và diện tích lắp đặt rộng. Hình 2.4
giới thiệu tồn cảnh nhà máy điện mặt trời, trong đó dùng hệ thống gương phẳng,
được điều khiển bằng máy tính, tập trung năng lượng vào một lị hơi đặt trên cao,
trong một lồng kính, để cấp hơi cho một tuabin phát điện.

Hình 2.4 Nhà máy nhiệt điện mặt trời dùng hệ gương phản xạ

- Hệ thống sử dụng gương parabol tròn xoay định vị theo phương mặt trời để
tập trung NLMT vào một bộ thu đặt ở tiêu điểm của gương, nhiệt độ có thể đạt trên
15000C. Gương parabol trịn xoay có độ tập trung năng lượng bức xạ rất lớn nên
được sử dụng trong nhiều thiết bị khác nhau khi cần có nhiệt độ lớn. Tuy nhiên bề
mặt parabol chế tạo chính xác thì tương đối phức tạp nên giá thành cao.

Hinh 2.5 Hệ thống cấp hơi nước dùng gương parabol tròn xoay

HVTH: Trần Văn Phụng

22