Mô phỏng và tìm điểm công suất cực đại cho pv array dưới điều kiện bóng che (shading) bằng mạng nơron

Đại Học Quốc Gia Tp. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


TRẦN ĐÌNH PHƯƠNG

MƠ PHỎNG VÀ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤT CỰC
ĐẠI CHO PV ARRAY DƯỚI ĐIỀU KIỆN BÓNG
CHE (SHADING) BẰNG MẠNG NƠRON
Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2010


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:

PGS. TS. NGUYỄN HỮU PHÚC

................................ ................................ ................................ .................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ................................ ................................ ..........
................................ ................................ ................................ .................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ................................ ................................ ..........
................................ ................................ ................................ .................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa , ĐHQG Tp.
HCM ngày ……. tháng 12 năm 2010.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm :
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ )
1. …………………………………………………
2. …………………………………………………
3. …………………………………………………
4. …………………………………………………
5. …………………………………………………
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Bộ môn quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sữa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

Bộ mơn quản lý chuyên ngành


TRƯỜNG ĐH BÁCH KHOA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH
--------------------------------

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
----------------------------------

Tp. HCM, ngày

tháng

năm 2010

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:

TRẦN ĐÌNH PHƯƠNG ............... Phái: Nam .......................

Ngày, tháng, năm sinh:

03/11/1982 .............................. Nơi sinh: Tỉnh Đồng Nai

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và nhà máy điện.............. MSHV:

01808314

Khóa (năm trúng tuyển): 2008 – 2010 ................................ ................................ .......
I – TÊN ĐỀ TÀI: MƠ PHỎNG VÀ TÌM ĐIỂM CƠNG SUẤ T CỰC ĐẠI CHO
PV ARRAY DƯỚI ĐIỀU KIỆN BÓNG CHE (SHADING) BẰNG MẠNG
NƠRON.
II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
-

Ý nghĩa và vai trò của điểm cơng suất cực đại (MPP).

-

Các phương pháp tìm điểm cơ ng suất cực đại cho PV array
Phân tích và mơ phỏng ảnh hưởng của hiện tượng b óng che (Shading) lên PV
array.
Tìm điểm cơng suất cực đại của PV array dưới điều kiện bóng che bằng kỹ

-

thuật mạng nơron.
III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ (Ngày bắt đầu thực hiện LV ghi trong QĐ giao đề
tài): Tháng …… năm 2010 ................................ ................................ ........................
IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHI ỆM VỤ: Ngày 30 tháng 11 năm 2010................
V – CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):...............................
Phó Giáo Sư, Tiến Sĩ NGUYỄN HỮU PHÚC ................................ ...........................
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Học hàm, học vị, họ tên và chữ ký)

PGS. TS. NGUYỄN HỮU PHÚC

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
QL CHUYÊN NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CÁM ƠN

Đề tài này được thực hiện theo chương trình đào tạo thạc sĩ tại Trường Đại học
Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp.HCM, phòng Qu ản lý và Đào tạo SĐH, chuyên
ngành Thiết bị, mạng và nhà máy điện. Xin cám ơn q thầy cơ đã tạo điều kiện
thuận lợi để em thực hiện luận văn này.
Xin chân thành cám ơn thầy trực tiếp hướng dẫn, PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc đã
tận tình giúp đỡ, đóng góp những ý kiến q báu và hướng dẫn em hồn thiện đề tài
này. Em cũng xin gởi lời cám ơn đến thầy Chủ nhiệm phụ trách lớp CH Thiết bị,
mạng và nhà máy điện K2008, TS. Vũ Phan Tú đã khích lệ, đơn đốc và giám sát
tiến độ trong suốt q trình thực hiện luận văn.

Rất cảm kích trước sự cộng tác nhiệt tình của các anh chị và các bạn học viên lớp
CH Thiết bị, mạng và nhà máy điện K2008, cám ơn vì sự đóng góp ý kiến hữu ích
cùng những thảo luận thú vị.
Lời tri ân đến gia đình và những người thân vì đã ln ủng hộ và động viên trong
suốt quá trình học, đặc biệt trong thời gian thực hiện đề tài này.

Kính chúc sức khỏe q thầy cơ và các bạn.


TÓM TẮT LUẬN VĂN
Trong những năm gần đây, những mối nguy hiểm đe dọa môi trường ngày càng gia
tăng từ nhà máy sản xuất điện năng từ các nguồn năng lượng hóa thạch và năng lượng hạt
nhân, vì vậy việc sử dụng năng lượng mặt trời trở nên ngày càng thông dụng. Ưu điểm dễ
thấy nhất của năng lượng mặt trời là năng lượng sạch và có nguồn cung cấp vô hạn từ
năng lượng ánh sáng ban ngày. Khuyết điểm lớn nhất của nó là vấn đề chi phí cịn khá
cao. Trong các hệ thống pin quang điện (PV) hiện nay, các vật liệu bán dẫn biến đổi ánh
sáng mặt trời thành năng lượng điện. Đặc tuyến V-A của các tế bào PV khơng tuyến tính,
vì vậy dẫn đến vấn đề điều khiển vận hành gặp rất nhiều khó khăn. Đầu tiên đó là sự xấp
sĩ cơng suất đầu ra của một tấm pin mặt trời tuyến tính với sự bức xạ của ánh sáng mặt
trời. Tuy nhiên, trong nhiên ứng dụng ngày nay, như các nhà máy đi ện mặt trời, các mái
nhà, mai che bằng tấm PV tích hợp, các tấm PV mặt trời thường bị chiếu sáng không
đồng đều. Nguyên nhân của sự chiếu sáng không đồng đều là do hiện tượng bóng che
(shadow) của các đám mấy, các cây xanh, các hàng rào, v ật chắn, các ngơi nhà hàng xóm,
hoặc bóng che của một tấm mặt trời khác, … Điều này dẫn đến sự không tuyến tính trong
các đặc tuyến của tấm mặt trời.
Bởi vì bản chất đặc tính của các tế bào PV, sự suy giảm cơng suất khơng tuyến tính
với bóng che (shadow). Hơn n ữa, hiện tượng bóng che của PV array có thể gây ra những
tác động khơng mong muốn khác như:
- Công suất thực tế phát ra từ các PV array thường nhỏ hơn so với thiết kế. Một số
hệ thống , tổn thất hằng năm do ảnh hưởng bóng che có thể lên đến 10%. Vì

vậy, xác suất ‘tổn hao phụ tải’ tăng lên.
- Các vị trí điểm nóng trong phần bị bóng che của PV array có thể nguy hiểm đến
các tế bào PV. Các tế bào PV bị bóng che sẽ làm việc ở vùng điện áp âm và trở
thành một phụ tải điện trở và tiêu thụ công suất. Các bypass-diode thường được
nối song song với các tế bào PV để bảo vệ chúng không bị nguy hiểm. Tuy
nhiên, hầu hết chỉ có một diode được nối song song với một nhóm tế bào PV.


Mục đích của luận văn này là:
-

Đầu tiên, tạo ra một mơ hình và giải thuật, có thể mơ phỏng và phân tích

ảnh hưởng của hiện tượng chiếu sáng khơng đồng đều tác động lên công suất
đầu ra của các tấm PV.
-

Thứ hai, xây dựng một phương pháp mới, có thể dư báo và tìm điểm cơng

suất cực đại cho PV array dưới các các điều kiện bóng che bằng kỹ thuật mạng
nơron.


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: PHẦN MỞ ĐẦU

1

1.1 Tổng quan ................................................................................................................ 1
1.2 Giải thích tên đề tài và các thuật ngữ ..................................................................... 6
CHƯƠNG II: CÁC CƠNG TRÌNH NGHIÊN C ỨU CỦA CÁC TÁC GIẢ

CHƯƠNG III: CÁC CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN

8

14

3.1 Tình hình phát triển của năng lượng mặt trời .................................................... 14
3.2 Năng lượng mặt trời ........................................................................................... 14
3.3 Pin quang điện PV .............................................................................................. 15
3.3.1 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV ............................................................... 16
3.3.2 Sơ đồ mạch PV khi có tính đến tổn hao ..................................................... 17
3.3.3 Môdun PV .................................................................................................. 18
3.3.4 PV array và các ảnh hưởng tác động .......................................................... 20
3.4 Điểm công suất cực đại (MPP)........................................................................... 26
3.4.1 u cầu tìm điểm cơng suất cực đại MPP ................................................. 26
3.4.2 Làm thế nào để thu được đ iểm công suất cực đại MPP ............................. 27
3.5 Các kỹ thuật tìm MPP......................................................................................... 28
3.5.1 Giải thuật Perturb & Observe ................................................................... 30
3.5.2 Giải thuật Incremental Conductance ........................................................ 33
3.5.3 Kỹ thuật Parasitic capacitance ................................................................. 35
3.5.4 Voltage control maximum point tracker ................................................... 36
3.5.5 Current control maximum point tracker .................................................. 36
CHƯƠNG IV: TÌM HIỂU VỀ MẠNG NƠRON

37

4.1 Tổng quan .......................................................................................................... 37
4.2 Khái niệm về mạng nơron nhân tạo. ................................................................. 37
HVTH: Trần Đình Phương – MSHV: 01808314


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

4.3 Cấu trúc mạng nơron nhân tạo. ......................................................................... 38
4.4 Mơ hình mạng nơron. ........................................................................................ 43
4.5 Ứng dụng của mạng n ơron ................................................................................ 48
4.6 Quá trình huấn luyện của mạng nơron .............................................................. 48
CHƯƠNG V: TÌM MPP CHO TẤM PV BẰNG KỸ THUẬT MẠNG NƠRON

50

5.1 Cấu trúc mạng nơron .......................................................................................... 50
5.2 Huấn luyện mạng nơron ..................................................................................... 52
CHƯƠNG VI: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG

54

6.1 Mơ phỏng và phân tích ảnh hưởng của hiện tượng bóng che lên PV array ....... 54
6.1.1 Ảnh hưởng của nhiệt độ, cường độ chiếu sáng lên các đặc tuyến của môdun
PV ................................................................................................................... 54
6.1.2 Ảnh hướng của bóng che (shading) lên các đặc tuyến của môdun PV .......... 56

a. Ảnh hưởng của điện trở shunt của PV cell ................................................. 56
b. Ảnh hưởng của phần trăm bó ng che ............................................................ 59
c. Ảnh hưởng của số cell bị bóng che .............................................................. 61
d. Ảnh hưởng của số cell bị bóng che lên PV array ........................................ 67
6.1.3 Sử dụng Bypass-diode ................................................................................... 69
a. Sử dụng bypass-diode trong môdun PV ...................................................... 69
b. Sử dụng bypass diode trong PV array ......................................................... 72
6.1.4 Ảnh hưởng của cường độ chiếu sáng không đều lên PV array ...................... 76
6.2 Mô phỏng giải thuật P &O
a. Trường hợp cường độ chiếu sáng thay đổi chậm ......................................... 79
b. Trường hợp cường độ chiếu sáng thay đổi nhanh ....................................... 79
c. Trường hợp khi array bị bóng che ............................................................... 80
6.3 Mô phỏng giải thuật In cCond
a. Trường hợp cường độ chiếu sáng thay đổi chậm ......................................... 79
b. Trường hợp cường độ chiếu sáng thay đổi nhanh ....................................... 79
c. Trường hợp khi array bị bóng che ............................................................... 80
6.4 Kỹ thuật tìm MPP bằng mạng nơron .................................................................. 86
HVTH: Trần Đình Phương – MSHV: 01808314


Luận văn Thạc sĩ

GVHD: PGS.TS. Nguyễn Hữu Phúc

a. Mô phỏng trong trường hợp khi cường độ c hiếu sáng thay đổi nhanh .......... 86
b. Mô phỏng dự báo MPP trong trường hợp khi có bóng che ........................... 87
6.5 So sánh kỹ thuật P&O và mạng nơron ............................................................... 93
6.6 Kết luận và kiến nghị ........................................................................................ 100
6.6.1 Kết luận ................................................................................................... 100
6.6.2 Kiến nghị................................................................................................. 100

Tài liệu tham khảo .................................................................................................. 101
Phụ lục...................................................................................................................... 102
A.1 Hàm MATLAB mô phỏng môdun PV .............................................................. 102
A.2 Hàm MATLAB để tìm điểm MPP cho mơdun PV ............................................ 103
A.3 Chương trình MATLAB : Giải thuật P&O......................................................... 104
A.4 Chương trình MATLAB : Giải thuật IncCond ................................................... 106
A.5 Chương trình MATLAB : Kỹ thuật mạng nơron ................................................ 109

HVTH: Trần Đình Phương – MSHV: 01808314


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƯƠNG I: PHẦN MỞ ĐẦU
1.1 Tổng quan
Trong những năm gần đây, các nguồn năng l ượng truyền thống như than đá, dầu
mỏ đang dần cạn kiệt, giá th ành cao, nguồn cung không ổn định, nhiều nguồn năng
lượng thay thế đang được các nhà khoa học quan tâm, đặc biệt là nguồn năng lượng
mặt trời. Bởi vì năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng rất phong phú và ít ơ
nhiễm mơi trường.
Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đ ã tăng nhanh tốc độ
xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời. Tại Thái Lan, Malaysi a, Trung Quốc,
Hàn Quốc từ nhiều năm nay đã coi hướng phát triển năng lượng tái tạo như một
quốc sách vì thế năng lượng mặt trời ở đây có sự tăng tr ưởng rất mạnh và chiếm một
tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ điện năng. Nếu so với một số n ước ở châu Phi
hay Nam Á có cùng hồn c ảnh, Việt Nam vẫn cịn đi sau họ. Tuy nhiên, Việt Nam
là một trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong
năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, rất thuận lợi cho việc tạo năng l ượng

điện từ năng lượng mặt trời, đặc biệt là thông qua hệ thống Pin mặt trời (PV).
Việc áp dụng rộng rãi hệ thống PV phụ thuộc chủ yếu v ào vấn đề làm cách nào
để cải thiện được hiệu suất làm việc của các tấm Pin PV v à vấn đề giảm thiểu các
chi phí lắp đặt hệ thống PV. Một trong những kỹ thuật được biết tới để cải thiện
hiệu suất được gọi là kỹ thuật tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) (Hussein et al.
1995; Merwe và Merwe, 1998). V ề cơ bản, phương pháp điều khiển ngõ ra của hệ
thống PV để đạt được sự tương thích của nguồn và điện kháng phụ tải cho mọi điều
kiện thời tiết, vì vậy hệ thống PV sẽ cung cấp cơng suất lớn nhất cho phụ tải.

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 1


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 1.1.1: Bản đồ phân bố chiếu sáng ở các n ước Đông Nam Á.

Các kỹ thuật tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) hiện nay đ ược nghiên cứu và
áp dụng thực tế rất nhiều nhưng vẫn còn gặp phải một số khó khăn về vấn đề đáp
ứng nhanh với những thay đổi của điều kiện thời tiết (nhiệt độ, độ chiếu sáng) v à
trong trường hợp tấm PV bị bóng che. Cụ thể nh ư sau:
a. Kỹ thuật P&O:
Kỹ thuật P&O dựa trên sự thay đổi ΔP theo ΔV để đưa ra sự đóng cắt thích hợp
sao cho cơng suất thu được là cực đại. Kỹ thuật P & O l à một phương pháp “leo
đồi” như hình 1.1.2.

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 2


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 1.1.2: Phương pháp tìm MPPT bằng kỹ thuật P&O.
Kỹ thuật P&O phụ thuộc rất lớn v ào thời gian lấy mẫu so sánh. Trong trường
hợp cường độ chiếu sáng không đổi giải thuật P&O hoạt động rất tốt khi truy t ìm
điểm cực đại, tuy nhiên khi cường độ chiếu sáng thay đổi giải thuật n ày sẽ sai, ví dụ:
Khi cường độ chiếu tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 san g P2

Hình 1.1.3: Việc tìm MPP bị sai lệch khi sử dụng giải thuật P&O.

Giả sử ở thời điểm k hệ MPPT đang điều khiển PV hoạt động ở điểm A, thời
điểm k+1 cường độ chiếu sáng tăng nhanh. Theo giải thuật P&O : P[k+1] > P[k],
giả sử điện áp ở thời điểm V[k+1 ] >V[k], theo giải thuật P&O, hệ MPPT sẽ tăng
điện áp lên và điểm làm việc sẽ là điểm C (điểm không phải cực đại).

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 3


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Nếu hệ MPPT dùng giải thuật P&O thiết kế cho dao động xung quanh điểm cân
bằng, thì sau một vài chu kỳ hoạt động sai, hệ sẽ đưa điểm làm việc về điểm MPP
mới.
Nếu cường độ chiếu sáng tăng dần (hoặc giảm dần), giải thuật P&O vẫn có thể
sai nếu chu kỳ lấy mẫu không ph ù hợp. Do hệ MPPT không hiểu đ ược công suất
tăng do thay đổi cường độ chứ không phải do sự dao động điện áp khi l àm việc. Kết
quả là giải thuật sẽ giảm điện áp li ên tục hoặc tăng điện áp liên tục, do nhận thấy
công suất đo lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu.
Ta nhận thấy nguyên nhân dẫn đến sự hoạt động sai của giải thuật P&O l à
không phân biệt được “sự thay đổi nhanh của điều kiện thời tiế t”.
b. Kỹ thuật Incremental Conductance (Hiyama et al., 1995)

Hình 1.1.4: Đường đặc tính cơng suất của tấm PV.
Kỹ thuật Incremental Conductance (IncCond) dựa v ào độ dốc của đường đặc
tính cơng suất của tấm PV (hình 3), độ dốc bằng zero tại điểm MPP, d ương ở phía
bên trái điểm MPP, và âm ở phía bên phải:
dP/dV = 0,

tại điểm MPP

dP/dV > 0,

ở bên trái điểm MPP

dP/dV < 0,

ở bên phải điểm MPP.

(1)

Khi đó:
dP d ( IV )
dI
I

 I V
 I V
dV
dV
dV
V

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 4


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Có thể viết lại như sau:
ΔI/ΔV = −I/V, tại điểm MPP
ΔI/ΔV > − I/V, ở bên trái điểm MPP
ΔI/ΔV < − I/V, ở bên phải điểm MPP.

Vì vậy MPP được tìm bằng cách so sánh điện dẫn (I/V) với (ΔI/ΔV). Vref là
điện áp tham chiếu. Tại điểm MPP th ì Vref bằng VMPP. Khi MPP đạt được, tấm PV sẽ
làm việc ở điểm này trừ khi có sự thay đổi của ΔI đáng kể, (do sự thay đổi điều kiện
thời tiết). Giải thuật tăng giảm Vref để tìm MPP mới.

Tuy nhiên, để tìm nhanh MPP ta sẽ cho độ gia tăng lớn h ơn và kết quả là làm
cho hệ thống làm việc khơng cịn chính xác tại MPP và bị dao động. Giải thuật
Incremental Conductance c ũng cải thiện hiệu quả điểm cơng suất cực đại, nh ưng
cịn một số hạn chế như là trong trường hợp tấm PV bị bóng che. Khi đó, đ ường
cong đặc tính cơng suất P-V sẽ xuất hiện nhiều điểm MPP khác nhau nh ư trong hình
1.1.5. Dẫn đến việc tìm điểm MPP dựa và dP/dV = 0 sẽ khơng tìm được điểm cơng
suất cực đại thực sự.

Hình 1.1.5: Đặc tính P-V của tấm PV khi bị bóng che.
Vì vậy, câu hỏi đặt ra là cần tìm một kỹ thuật mới đủ mạnh để t ìm điểm công
suất cực đại (MPPT) cho hệ thống điện PV t hích ứng nhanh với tất cả các điều kiện
HVTH: Trần Đình Phương

Trang 5


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

thời tiết thay đổi và ảnh hưởng của hiện tượng bóng che (shading). Trong những
năm gần đây, kỹ thuật mơ hình hóa dựa vào mạng nơron vừa được ứng dụng rộng
rãi trong ngành điện. Ưu điểm chính của phương pháp này rất thích hợp để huấn
luyện mơ hình phi tuyến (hệ PV) thích ứng nhanh với những thay đổi của điều kiện
thời tiết và ảnh hưởng của hiện tượng bóng che (shading).
Luận văn này xây dựng một mơ hình và giải thuật, có thể mơ phỏng và phân
tích ảnh hưởng của hiện tượng chiếu sáng khơng đồng đều (bóng che) ảnh h ưởng
lên công suát đầu ra của các tâm PV. V à xây dựng một phương pháp mới tìm MPP
bằng kỹ thuật Mạng Nơron nhân tạo cho hệ thống PV. Đồng thời mơ phỏng đặc tính
của PV array dưới tác động của hiện tượng shading và so sánh tính hiệu quả của kỹ

thuật mạng nơron so với các kỹ thuật P&O và kỹ thuật Incremental Conductance.
1.2 Giải thích tên đề tài và các thuật ngữ
Tên đề tài: “Kỹ thuật tìm điểm cơng suất cực đại (MPP) cho tấm PV bằng lý
thuyết mạng nơron”
Giải thích các định nghĩa:
-

PV : photovoltaic: pin quang đi ện, biến quang năng thành điện năng

-

MPP : maximum power point: đi ểm làm việc mà tại đó cơng suất thu được
cực đại

-

MPPT : maximum power point tracking: đi ều khiển tại vị trí thu đ ược cơng
suất cực đại

-

Hệ MPPT ứng dụng điều khiển cho pin quang điện photovoltaic (PV)

-

P&O : Perturb & Observe, còn g ọi là phương pháp “hill climbing”: quan sát
và biến đổi để đạt đến điểm cực đại .

-

IncCond: Incremental Conductance

-

RBFNN: Radial basis function neural network

Tóm tắt đề tài:
Bài luận văn này cho ta thấy vai trị và tầm quan trọng của điểm cơng suất cực
đại (MPP) và các kỹ thuật tìm kiếm điểm cơng suất cực đại cho tấm PV. Đối với hệ

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 6


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

MPPT có rất nhiều giải thuật khác nhau (P&O, INC, CV , …), mỗi giải thuật có ưu
điểm và khuyết điểm riêng.
Giải thuật P&O là giải thuật cơ bản, đơn giản và được áp dụng tương đối rộng
rãi đối với hệ MPPT. Giải thuật P&O truyền thống có đáp ứng kém khi c ường độ
chiếu sáng của mặt trời thay đổi nhanh. Do đó luận văn này đề nghị một phương
pháp mới dựa vào lý thuyết về Mạng Nơron để xây dựng mô hình và giải thuật tìm
điểm cơng suất cực đại (MPPT) cho Bảng PV thích ứng với sự thay đổi nhanh của
điều kiện thời tiết (độ chiếu sáng, nhiệt độ) v à hiện tượng bóng che (shading). Và so
sánh kết quả mơ phỏng bằng các kỹ thuật tìm MPPT bằng kỹ thuật P&O;
Incremental Conductance; và M ạng RBFNN cho Bảng Pin PV.

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 7


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƯƠNG II: CÁC CƠNG TR ÌNH NGHIÊN CỨU CỦA CÁC
TÁC GIẢ
2.1 Maximum power tracking for photovoltaic power systems, 2005, Joe -Air
Jiang, et.al, Department of Bio industrial Mechatronics Enginnering, National
Taiwan university
Tác giả đề xuất phương pháp so sánh 3 điểm. Phương pháp này tương tự như
phương pháp P&O có th ể xem như giải thuật P&O cải tiến, giải thuật P&O chỉ so
sánh 2 thời điểm. Giải thuật 3 điểm của tác giả so sánh 3 thời điểm từ đó mới ra
quyết định tăng giảm hay giữ nguy ên điện áp
Giải thuật của phương pháp 3 điểm:

Hình 2.1.1: Giải thuật phương pháp 3 điểm.

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 8


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Minh hoạ bằng hình ảnh

Hình 2.1.2
Hệ MPPT theo giải thuật này chỉ tăng điện áp hoạt động trong tr ường hợp (1),
(4) và giảm điện áp trong trường hợp (3), (6).
Ưu điểm: Do đọc 3 điểm nên có khả năng khắc phục được sự hoạt động sai của
giải thuật P&O khi có sự thay đổi nhanh của môi tr ường (cường độ chiếu sáng).
Nhược điểm: Khi cường độ sáng thay đổi mạnh v à kéo dài so với chu kỳ lấy
mẫu, giải thuật 3 điểm tr ên có thể sai do ln đọc thấy 3 điểm c ùng tăng (nếu cường
độ mặt trời tăng) hoặc 3 điểm c ùng giảm (nếu cường độ mặt trời giảm) do đó sẽ ra
quyết định sai làm thay đổi Vmpp

2.2 Improved MPPT algorithms for rapidly changing eviromental conditions,
2006, Dezso Sera et al
Khi môi trường thay đổi quá nhanh giải thuật P&O không theo kịp,
Tác giả đề xuất thêm một quá trình lấy mẫu trung gian tại thời điểm T/2 như
hình 2.2.1.
Thuật tốn:
HVTH: Trần Đình Phương

Trang 9


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Hình 2.2.1: Đo cơng suất giữa 2 lần lấy mẫu
Tính tốn dP:

Giải thuật:

Hình 2.2.2: Lưu đồ giải thuật dP-P&O
HVTH: Trần Đình Phương

Trang 10


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Thuyết minh giải thuật dP-P&O: Lấy mẫu trung gian ở thời điểm T/2. Khi môi
trường thay đổi dP = 0, sẽ không thay đổi V.
Ưu điểm: Giải thuật này giúp bộ MPPT không bị nhẫm lẫn khi c ường độ sáng
thay đổi tuyến tính
Nhược điểm: Khi cường độ chiếu sáng thay đổi khơng tuyến tính giải thuật n ày
có thể hoạt động sai
2.3. Control of DC/DC Converters for Solar Energy Sy stem with Maximum Power
Tracking, Chihchiang Hua and Chihming Shen:
Mục tiêu của bài báo này là phân tích và thi ết kế bộ biến đổi DC/DC của các loại
khác nhau trong hệ thông năng lượng mặt trời để tìm ra hành vi của converter. Một
phương pháp đơn giản kết hợp với bộ điều khiển thời gian gián đoạn v à một PI
compensator được sử dụng để tìm MPPs của tấm PV. Hệ thống được giữ làm việc
ngay tại MPPTs, vì vậy cơng suất cực đại (có thể) truyền từ tấm PV đ ược thu nhận.
Thực hiện hệ thống converter đề nghị dựa v ào DSP. Thí nghiệm được kiểm tra cho
các bộ biến đổi Buck, Boost, v à Buck-Boost sử dụng giải thuật MPPT đ ơn giản.
Hiệu suất của hệ thống với các bộ converter khác nhau đ ược so sánh. Bài báo đánh
giá đầy đủ các bước tăng, giảm của converter cho hệ thống MPPT. Bài báo đề nghị

Step down converter có ch ức năng tốt nhất dùng cho hệ thống MPPT, nó cho hiệu
suất cao hơn.

2.4. Maximum Photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing
atmospheric conditions, K.H. Hussein,I. Muta, I. Hoshino & M. Osakada .
Các tác giả phát triển một giải thuật MPPT mới dựa v ào MPOP (maximum peak
operating point) của một PV generator có thể đ ược tìm một cách chính xác bằng so
sánh Điện dẫn gia tăng và điện dẫn tức thời của tấm PV. Công việc đ ược thực thi
bằng cả mô phỏng và thực nghiệm, với các kết quả cho thấy giải thuật IncCond cải
tiến tìm điểm MPOP rất thành công, ngay cả trong trường hợp thay đổi thời tiết

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 11


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

nhanh, và hiệu suất cao hơn so với các giải thuật thông th ường về tổng năng lượng
PV truyền cho phụ tải. Giải thuật cụ thể được giải thích trong chương 3.

2.5. High Efficiency maximum power tracker for solar arrays in a solar Powered
Race Vehicle., Charles.R.Sullivan and M.J.Powers.
Phương pháp robust oscilation đư ợc sử dụng để thực hiện t ìm MPPT cho tấm PV.
Phương pháp chỉ sử dụng một biến là dòng phụ tải (load current) để t ìm điểm cơng
suất cực đại. Phương pháp này có thể áp dụng để sạc ắcquy sử dụng MPPT. Giải
thuật được thực thi bằng một mạch đ ơn giản. Bài bào cho chúng ta những bàn luận
thiết kết một bộ step up co nverter, được sử dụng cho MPPT.

2.6 Microcomputer control of a residential photovoltaic power condictioning
system. B.K. Bose, P.M. Szczesny and R.L. Steigerwald.
Các tác giả thảo luận về một hệ thống điều khiển của một hệ thống PV gia đ ình. Bài
báo giải thích giải thuật P&O và nó thực thi như thế nào dùng một microprocessor.
Bài báo này là một trong những bài báo cơ sở giải thích về giải thuật P&O. Cũng
thiết kế bộ điều khiển sử dụng s ơ đồ PI.
2.7. An approved Perturbation and Observe Maximum Power Point Tracking
Algorithm for PV arrays. Xuejun Liu and A.C. Lopes,
Theo các tác giả đề nghị một loại mới giải thuật t ìm MPP dựa vào giải thuật P&O.
Giải thuật phản ứng nhanh v à khử need of a large capacitor th ường được sử dụng
trong giải thuật P&O để khử độ nhấ p nhô của điện áp. Điện áp và dòng điện được
lấy cho xử lý khơng phải l à giá trị trung bình nhưng là tức thời tốc độ này tiến đến
MPP. Bài báo cũng thực hiện một giải thuật mới tr ên thời gian thực. Phần mềm sử
dụng là dSPACE.
2.8. Comparative Study of Max imum Power Point Tracking Algorithms Using an
Experimental, Programmable, Maximum Power Point Tracking Test Bed. D.P.
Hohm, M.E. Ropp.

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 12


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Các tác giả so sánh tất cả các loại giải thuật khác nhau d ùng để tìm MPPT. Bài này
giúp việc chọn giải thuật hợp lý. Kết quả sơ bộ cho thấy giải thuật P&O rất tốt so
với Incremental Conductance and constant voltage. Mặc d ù giải thuật IncCond có

thể cho thực thi tốt hơn trong trường hợp thay đổi thời tiết nhanh, tính phức tạp của
giải thuật tăng lên yêu cầu về phần cứng q phức tạp, và vì vậy có ưu điểm hơn
giải thuật P&O là cho hệ thống PV lớn.
2.9. Theoretical and Experimental analyses of photovoltaic systems with Voltage and Current-based Maximum Power -Point Tracking. Mohammad A.S. Masoum,
Hooman Dehbonei and Ewald F. Fuc hs.
Phân tích lý thuyết và những kinh nghiệm chi tiết của 2 kỹ thuật MPPT đ ơn giản,
nhanh và tin cậy cho hệ thống PV. Ph ương pháp VMPPT dựa vào điện áp và
CMPPT dựa vào dòng điện. Một bộ tìm được điều khiển bằng microprocessor có
khả năng đo dòng điện và điện áp trực tiếp và chạy chương trình với giải thuật
VMPPT và CMPPT. Phụ tải của hệ thống cả máy b ơm nước và điện trở. Bài báo
cho mơ hình mơ phỏng của bộ converter DC/DC v à môdun SPV.
Xem xét các bài của cuộc khảo sát các bài báo từ các tham khảo khác nha u. Cho
những ý tưởng cơ bản về giải thuật MPPT v à cách tìm MPP như thế nào được đưa
ra. Chi tiết các giải thuật khác nhau đ ược sử dụng cho kỹ thuật MPPT đ ược thảo
luận trong bài báo. Thiết kế converter DC/DC v à phương pháp điều khiển converter
khác nhau được bàn luận. Loại converter DC/DC n ào cho hiệu suất tốt nhất và nó là
sự lựa chọn tốt nhất cho giải thuật đ ược thảo luận trong bài báo [2]. Như bàn luận
trong [2] bộ step down converter cho hiệu suất cao h ơn step up converter. M ột số
bài báo cũng có ý tưởng giao tiếp trực tuyến bằng PC với các phần cứng điều khiển.
[1], [6]. Giải thuật P&O cải tiến là một đề nghị trong [1]. Giải thuật n ày được chọn
trong bài báo này và một số thay đổi được đưa ra trong giải thuật và thực hiện sử
dụng giao diện thời gian thự c bằng dSPACE.

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 13


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

CHƯƠNG III: CƠ SỞ LÝ THUYẾT LIÊN QUAN
3.1 Tình hình phát triển của năng lượng mặt trời
Kể từ năm 2003, giá dầu thô tr ên thế giới bắt đầu tăng dần từ khoảng 25 Mỹ
kim/thùng đến 70 Mỹ kim/thùng vào tháng 6, 2006. Hi ện tại giá dầu đang giao động
khoảng 60 Mỹ kim (1/2007). T ình trạng hiện nay đã đánh dấu một thời đại vàng son
trong việc xử dụng nguồn năng l ượng dầu thô nầy. Các nh à khoa học trên thế giới từ
nhiều năm nay đã bắt đầu nghiên cứu những nguồn tạo ra năng l ượng khác trong đó
việc khai thác năng lượng mặt trời và gió đang được phát triển rộng ở nhiều quốc
gia trên thế giới. Đặc biệt là nguồn năng lượng mặt trời.
Tương tự như nguồn năng lượng đến từ gió, cơng nghệ từ ánh sáng (solar
technologies) xử dụng nguồn năng lượng mặt trời để biến cải thành nhiệt năng, điện
năng, và ngay cả việc cung cấp năng lượng cho hệ thống làm lạnh nữa. Hàng năm,
các tiểu bang ở miền Đông ở Hoa Kỳ đều có mở hội nghị Th ượng đỉnh về Năng
lượng Xanh (Green Power Summit) với mục đích giới thiệu các công nghệ mớ i về
thiết bị áp dụng năng lượng mặt trời dùng cho đơn vị gia cư, hay các cơ sở nhỏ.
Đây cũng thể hiện một quan niệm khác biệt giữa Hoa Kỳ v à Âu Châu trong
việc ứng dụng năng lượng mặt trời. Kể từ thập ni ên 60, người Pháp đặc biệt chú
trọng đến việc giải quyết sự thiếu hụt năng lượng cho các quốc gia đang phát triển.
Họ đã thành công trong việc thiết kế và lắp đặt các hệ thống biến năng l ượng mặt
trời thành điện năng cung ứng cho những l àng xã có độ 1000 đơn vị gia cư. Các
quốc gia vùng Trung Mỹ đã thừa hưởng thành tựu nầy nhiều nhất vì dễ lấp ráp và
chi phí tương đối rẻ.
Đối với các quốc gia có bờ biển d ài, hay thuộc vùng nhiệt đới trong đó có Việt
Nam, hệ thống thiết bị năng lượng nầy sẽ có tiềm năng lớn để giải quyết nhu cầu
thiếu hụt năng lượng cho tương lai.
3.2 Năng lượng mặt trời
Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia bức
xạ nào cũng có thể tạo ra hiện t ượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng với

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 14


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

bước sóng ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ từng
chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện t ượng quang điện.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động l ên pin quang
điện silicon:

Hình 3.2.1: Phổ năng lượng mặt trời.
Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt trời tổn
hao khơng có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap (hiểu như
mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các e ra khỏi trạng thái tĩnh của chúng) của
silicon (hv < Eg). 30,2 % khác c ũng bị mất đi ở các vùng năng lượng (hv > Eg). Chỉ
có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang điện” (Grilbert, 2004,
p. 454).
3.3 Pin quang điện (PV)
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi ánh sáng th ành điện năng. Kỹ
thuật tạo pin PV rất giống với kỹ thuật tạo ra cá c linh kiện bán dẫn như transistor,
diode … Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác
thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.
Có thể nói PV là sự ngược lại của diode quang. Diode quang nhận điện năng
tạo thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng
HVTH: Trần Đình Phương

Trang 15


Luận văn Thạc sỹ

GVHD: PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc

Mơ hình đơn giản của pin PV

Hình 3.3.1: Sự phát sinh dịng điện khi chiếu sáng vào mối nối p-n.

3.3.1 Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV

Hình 3.3.2: sơ đồ tương đương đơn giản của pin mặt trời.
Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch I sc và điện áp hở mạch V 0

HVTH: Trần Đình Phương

Trang 16