Điều khiển hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới trên cơ sở trí tuệ nhân tạo

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

HOÀNG TRỌNG PHÚC

ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI TRÊN CƠ SỞ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO
Chuyên ngành : THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 6 năm 2012


1

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 LÊ MINH PHƯƠNG
( Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1: ..............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2: ...............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày…..tháng……. năm 2012
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

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

Bộ mơn quản lý chun ngành

HVTH: HỒNG TRỌNG PHÚC


2

TRƯỜNG ÐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG ĐÀO TẠO SĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

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

---oOo--Tp.HCM, ngày 25 tháng 06 năm 2012

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: HOÀNG TRỌNG PHÚC
Ngày, tháng, năm sinh: 24-08-1985

Phái: Nam
Nơi sinh: Tp Vũng Tàu.

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN.
MSHV: 10180095
TÊN ĐỀ TÀI: “ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI
LƯỚI TRÊN CƠ SỞ TRÍ TUỆ NHÂN TẠO ”
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN :
1. Nghiên cứu lý thuyết năng lượng mặt trời
2. Nghiên cứu các giải thuật MPPT và Fuzzy Logic
3. Ứng dụng mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới trên Matlab
NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày…… tháng …… năm 2012.
NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ : Ngày 25 tháng 06 năm 2012.
HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

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

PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

3

LỜI CẢM ƠN
Để hồn thành chương trình cao học và viết luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng
dẫn, giúp đỡ và góp ý nhiệt tình của q thầy cơ trường Đại học Bách Khoa Thành phố
Hồ ChíMinh.
Tơi xin gửi lời biết ơn sâu sắc đến thầy Phó giáo sư – Tiến sĩ LÊ MINH PHƯƠNG đã
dành rất nhiều thời gian và tâm huyết hướng dẫn nghiên cứu và giúp tơi hồn thành luận
văn tốt nghiệp.
Nhân đây, tơi xin chân thành cảm ơn gia đình, bạn bè đã đơng viên, giúp đỡ và tạo rất
nhiều điều kiện để tôi học tập và hồn thành tốt khóa học.
Mặc dù tơi đã có nhiều cố gắng hồn thiện luận văn bằng tất cả sự nhiệt tình và năng
lực của mình, tuy nhiên khơng thể tránh khỏi những thiếu sót, rất mong nhận được những
đóng góp q báu của q thầy cơ và các bạn.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2012
Học viên
Hồng Trọng Phúc

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HỒNG TRỌNG PHÚC


4

Tóm tắt luận văn
-

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là

trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay. Năng
lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn
năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử
dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới.
-

Luận văn này góp phần nghiên cứu việc xây dựng mơ hình điều khiển hệ thống

năng lượng mặt trời kết nối lưới một cách ổn định. Một trong những hướng nghiên cứu
chính của luận văn là thuật toán MPPT ( Maximum Power Point Tracking ) ứng dụng trí
tuệ nhân tạo vào việc kết nối lưới để xây dựng mơ hình mơ phỏng Matlab về hệ thống Pin
mặt trời kết nối lưới thông qua các mơ hình tốn cụ thể.
-

Luận văn được chia thành 5 chương với nội dung nghiên cứu lần lượt như sau:
Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời.
Chương 2: Mơ hình hệ thống PV kết nối lưới.
Chương 3: Các giải thuật MPPT và MPPT kết hợp Fuzzy Logic.
Chương 4: Mơ hình mơ phỏng Matlab.
Chương 5: Kết quả đáp ứng của mơ hình.
Chương 6: Tổng kết và hướng phát triển
Cuối cùng là phụ lục và tài liệu tham khảo.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


5

Mục Lục
Nhiệm vụ của luận văn.
Lời Cảm ơn.
Tóm tắt luận văn.
Mục lục.
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI.................................................... 7
1.1.

Giới thiệu chung ........................................................................................................... 7

1.1.1.

Giới thiệu về năng lượng mặt trời ................................................................................ 7

1.1.2.

Các hệ thống PV ứng dụng........................................................................................... 9

1.2.

Tổng quan về Pin quang điện ....................................................................................... 9

1.2.1.

Cấu trúc vật lý của Pin quang điện ............................................................................. 13

1.2.2.

Nguyên lý hoạt động của Pin mặt trời ........................................................................ 15

1.2.3.

PV array ...................................................................................................................... 16

CHƯƠNG 2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PV KẾT NỐI LƯỚI ........................................................ 21
2.1.

Cấu trúc thành phần của hệ thống PV ........................................................................ 21

2.2.

Cấu trúc DC/DC – DC/AC ......................................................................................... 22

2.3.

PLL ............................................................................................................................. 26

2.3.1

Phase detector ............................................................................................................. 27

2.3.2

VCO............................................................................................................................ 27

2.3.3

Bộ nghịch lưu 6 khóa và giải thuật space vector ........................................................ 32

2.3.3.1 Bộ nghịch lưu 6 khóa ................................................................................................. 32

2.3.3.2 Điều chế vecter không gian ( space vecter ) ............................................................... 34
CHƯƠNG 3. CÁC GIẢI THUẬT MPPT VÀ MPPT KẾT HỢP FUZZY LOGIC ...................... 35
3.1.

Giải thuật MPPT (maximum power point tracking) .................................................. 35

3.1.1

Giải thuật P&O ( Perturb and Observation ) .............................................................. 36

3.1.2

Giải thuật tăng tổng dẫn - Incremental Conductance (InCond) ................................. 38

3.1.3

Giải thuật EPP (Estimate, Purturb And Purturb) ........................................................ 40

3.2.

Fuzzy Logic và MPPT ứng dụng Fuzzy Logic .......................................................... 41

3.2.1

Điều khiển mờ - Fuzzy Logic ..................................................................................... 41

3.2.2

Ứng dụng Fuzzy Logic ............................................................................................... 46

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


6

CHƯƠNG 4. MƠ HÌNH MƠ PHỎNG MATLAB ....................................................................... 51
4.1.

Mơ hình PV 3 pha nối lưới trên Matlab Simulink...................................................... 51

4.2

Khối PV system .......................................................................................................... 52

4.3

Khối DC/DC MPPT ................................................................................................... 53

4.4

Khối 3 PHASES PLL và biến đổi DQ ....................................................................... 62

4.5

Khối điều khiển dòng (PI controller). ........................................................................ 64

4.6

Khối điều chế vectơ không gian (SVPWM & Driver) ............................................... 65

CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ ĐÁP ỨNG MƠ HÌNH .......................................................................... 66
CHƯƠNG 6. TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN .............................................................. 86
PHỤ LỤC ...................................................................................................................................... 87
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................................. 96

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


7

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI
1.1.

Giới thiệu chung:

1.1.1. Giới thiệu về năng lượng mặt trời:
-

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch nhất và vô hạn nhất trong các nguồn

năng lượng mà chúng ta được biết. Bức xạ mặt trời là sức nóng, ánh sáng dưới dạng các
chùm tia do mặt trời phát ra trong quá trình tự đốt cháy mình. Bức xạ mặt trời chứa đựng
một nguồn năng lượng khổng lồ và là nguồn gốc của mọi quá trình tự nhiên trên trái đất.
Năng lượng của mặt trời dù rất dồi dào nhưng việc khai thác hiệu quả nguồn năng lượng
này thì vẫn cịn là một câu chuyện dài.

-

Năng lượng mặt trời có thể chia làm 2 loại cơ bản: Nhiệt năng và Quang năng. Các

tế bào quang điện (Photovoltaic cells - PV) sử dụng cơng nghệ bán dẫn để chuyển hóa
trực tiếp năng lượng quang học thành dịng điện, hoặc tích trữ vào pin, ắc quy để sử dụng
sau đó. Các tấm tế bào quang điện hay còn gọi là pin mặt trời hiện đang được sử dụng
rộng rãi vì chúng rất dễ chuyển đổi và dễ dàng lắp đặt trên các tòa nhà và các cấu trúc
khác. Pin mặt trời có thể cung cấp nguồn năng lượng sạch và tái tạo, do vậy là một nguồn
bổ sung cho nguồn cung cấp điện chính thơng thường. Tại các vùng chưa có điện lưới
như các cộng đồng dân cư ở xa, nông thôn, hải đảo, các trường hợp khẩn cấp,... pin mặt
trời có thể cung cấp một nguồn điện đáng tin cậy. Điều bất cập duy nhất là giá thành của
Pin mặt trời đến nay còn cao và tỷ lệ chuyển đổi năng lượng chưa thật sự cao (13-15%).
Trái lại sức nóng của mặt trời có hiệu suất chuyển đổi lớn gấp 4-5 lần hiệu suất của
quang điện, và do vậy đơn giá của một đơn vị năng lượng được tạo ra rẻ hơn rất nhiều.
-

Nhiệt năng có thể được sử dụng để sưởi nóng các tịa nhà một cách thụ động thơng

qua việc sử dụng một số vật liệu hoặc thiết kế kiến trúc, hoặc được sử dụng trực tiếp để
đun nóng nước phục vụ cho sinh hoạt. Ở rất nhiều khu vực khác nhau trên thế giới thiết
bị đun nước nóng dùng năng lượng mặt trời (bình nước nóng năng lượng mặt trời) hiện
đang là một sự bổ sung quan trọng hay một sự lựa chọn thay thế cho các thiết bị cung cấp
nước nóng thơng thường dùng điện hoặc gaz.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

8

-

Nhu cầu về năng lượng của con người trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển

ngày càng tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ như than đá, dầu mỏ, khí thiên
nhiên và ngay cả thủy điện đều có hạn, khiến cho nhân loại đứng trước nguy cơ thiếu hụt
năng lượng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lượng mới như năng lượng hạt
nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió và năng lượng mặt trời ... là hướng quan
trọng trong kế hoạch phát triển năng lượng.
-

Việc nghiên cứu sử dụng năng lượng mặt trời ngày càng được quan tâm, nhất là

trong tình trạng thiếu hụt năng lượng và vấn đề cấp bách về môi trường hiện nay. Năng
lượng mặt trời được xem như là dạng năng lượng ưu việt trong tương lai, đó là nguồn
năng lượng sẵn có, siêu sạch và miễn phí. Do vậy năng lượng mặt trời ngày càng được sử
dụng rộng rãi ở các nước trên thế giới.
-

Việt Nam là nước có tiềm năng về năng lượng mặt trời, trải dài từ vĩ độ 8” Bắc đến

23” Bắc, nằm trong khu vực có cường độ bức xạ mặt trời tương đối cao, với số giờ nắng
trung bình 2200 giờ/năm và cường độ bức xạ cao nhất có thể đến 980W/m2. Do đó việc
sử dụng năng lượng mặt trời ở nước ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn. Thiết bị sử dụng
năng lượng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung cấp điện dùng pin mặt
trời, hệ thống nấu cơm có gương phản xạ, hệ thống cung cấp nước nóng, chưng cất nước
dùng năng lượng mặt trời, dùng năng lượng mặt trời chạy các động cơ nhiệt ( động cơ
Stirling ), và ứng dụng năng lượng mặt trời để làm lạnh là đề tài hấp dẫn có tính thời sự

và đang được nhiều nhà khoa học trong và ngồi nước nghiên cứu.

Hình 1.1 : Bức xạ mặt trời ngồi khí quyển

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


9

1.1.2 Các hệ thống PV ứng dụng:
o

Hệ thống PV kết nối lưới:

-

Hệ thống kết lưới PV góp phần gia tăng công suất cho hệ thống lưới điện quốc gia

và tiết kiệm chi phí dùng điện cho các hộ sử dụng cũng như các công ty ở các nước phát
triển. Hơn nữa hệ thống PV kết lưới khơng cần phải có các thiết bị lưu trữ vì cơng suất
khơng dùng hết có thể cấp hết lên lưới. Trong những năm gần đây, hệ thống kết lưới gia
tăng đáng kể trên toàn thế giới. Trong năm 2004, ở Đức gần 1 tỷ watt hệ thống PV kết
lưới được lắp đặt. Các hệ thống kết lưới để sử dụng ở một đất nước, cần phải có sự hỗ trợ
và tiêu chuẩn từ chính phủ. Chất lượng điện năng rất quan trọng trong các hệ thống này.

Hình 1.2 : Hệ thống PV kết nối lưới
o

Hệ Thống PV Độc Lập:

-

PV đầu tiên được ứng dụng độc lập. Đối với những vùng nông thôn, vùng núi cao,

hay ở những vùng hẻo lánh của các nước đang phát triển, nơi mà lưới điện quốc gia chưa
cung cấp đến, thì việc sử dụng các hệ thống PV độc lập hoàn toàn cấp thiết. Nguồn điện
lấy xuống từ PV sẽ được cấp cho tải DC hoặc qua hệ thống nghịch lưu rồi cấp cho tải
AC. Phần lưu trữ cũng rất quan trọng, giúp lưu năng lượng và phát lại.

Hình 1.3 : Hệ thống PV độc lập

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


10

o

Hệ thống PV kết hợp:

-

Hầu hết các trường hợp ứng dụng trong các hệ thống lớn, hệ thống PV thường được

dùng thêm với máy phát diesel. Đối với trường hợp đó, hệ thống PV độc lập thường
khơng thể cung cấp đủ nguồn năng lượng yêu cầu cho tải. Hệ thống PV kết hợp máy phát

vừa đáp ứng đủ yêu cầu của tải vừa sử dụng được thêm nguồn năng lượng từ PV

Hình 1.4 : Hệ thống PV kết hợp.


Tình trạng, xu hướng phát triển tại Việt Nam:

-

Ứng dụng NLMT dưới dạng này được phát triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các

nước phát triển. Ngày nay ứng dụng NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lượng
truyền thống.
-

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của nhà nước (các bộ, ngành) và một số tổ chức quốc tế

đã thực hiện thành công việc xây dựng các trạm pin mặt trời có cơng suất khác nhau phục
vụ nhu cầu sinh hoạt và văn hóa của các địa phương vùng sâu, vùng xa, các cơng trình
nằm trong khu vực khơng có lưới điện. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang cịn là
món hàng xa xỉ đối với các nước nghèo như chúng ta.
-

Đi đầu trong việc phát triển ứng dụng này là ngành bưu chính viễn thơng. Các trạm

pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị thu phát sóng của các
bưu điện lớn, trạm thu phát truyền hình thơng qua vệ tinh. Ở ngành bảo đảm hàng hải,
các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng làm nguồn cấp điện cho các thiết bị chiếu sáng,
cột hải đăng, đèn báo sông. Trong ngành công nghiệp, các trạm pin mặt trời phát điện sử
dụng làm nguồn cấp điện dự phòng cho các thiết bị điều khiển trạm biến áp 500 kV, thiết

bị máy tính và sử dụng làm nguồn cấp điện nối với điện lưới quốc gia. Trong sinh hoạt

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


11

của các hộ gia đình vùng sâu, vùng xa, các trạm pin mặt trời phát điện sử dụng để thắp
sáng, nghe đài, xem vô tuyến. Trong ngành giao thông đường bộ, các trạm pin mặt trời
phát điện dần được sử dụng làm nguồn cấp điện cho các cột đèn đường chiếu sáng. Để
hiểu được hết tác dụng, hiệu quả và tầm quan trọng của hệ thống pin mặt trời phát điện,
chúng ta có thể tìm hiểu sơ đồ ngun lý hệ thống điện pin mặt trời nối lưới điển hình
dưới đây:
-

Khu vực phía Nam ứng dụng các dàn PMT phục vụ thắp sáng và sinh hoạt văn hoá

tại một số vùng nông thôn xa lưới điện. Các trạm điện mặt trời có cơng suất từ 500 1.000 Wp được lắp đặt ở trung tâm xã, nạp điện vào ắc qui cho các hộ gia đình sử dụng.
Các dàn PMT có công suất từ 250 - 500 Wp phục vụ thắp sáng cho các bệnh viện, trạm
xá và các cụm văn hố xã. Đến nay có khoảng 800 - 1.000 dàn PMT đã được lắp đặt và
sử dụng cho các hộ gia đình, cơng suất mỗi dàn từ 22,5 - 70 Wp. Khu vực miền Trung có
bức xạ mặt trời khá tốt và số giờ nắng cao, rất thích hợp cho việc ứng dụng PMT. Hiện
tại ở khu vực miền Trung có hai dự án lai ghép với PMT có cơng suất lớn nhất Việt Nam,
đó là:
+ Dự án phát điện ghép giữa PMT và thuỷ điện nhỏ, công suất 125 kW được lắp đặt
tại xã Trang, huyện Mang Yang, tỉnh Gia Lai, trong đó cơng suất của hệ thống PMT là
100 kWp (kilowatt peak) và của thuỷ điện là 25 kW. Dự án được đưa vào vận hành từ
cuối năm 1999, cung cấp điện cho 5 làng. Hệ thống điện do Điện lực Mang Yang quản lý

và vận hành.

Hình 1.5 : Sơ đồ hệ thống điện gia đình

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


12

+ Dự án phát điện lai ghép giữa PMT và động cơ gió phát điện với cơng suất là 9 kW,
trong đó PMT là 7 kW. Dự án trên được lắp đặt tại làng Kongu 2, huyện Đak Hà, tỉnh
Kon Tum, do Viện Năng lượng thực hiện. Cơng trình đã được đưa vào sử dụng từ tháng
11/2000, cung cấp điện cho một bản người dân tộc thiểu số với 42 hộ gia đình. Hệ thống
điện do sở Cơng thương tỉnh quản lý và vận hành.
-

Các dàn pin đã lắp đặt ứng dụng tại các tỉnh Gia Lai, Quảng Nam, Bình Định,

Quảng Ngãi và Khánh Hồ, hộ gia đình cơng suất từ 40 - 50 Wp. Các dàn đã lắp đặt ứng
dụng cho các trung tâm cụm xã và các trạm y tế xã có cơng suất từ 200 - 800 Wp. Hệ
thống điện sử dụng chủ yếu để thắp và truyền thông; đối tượng phục vụ là người dân, do
dân quản lý và vận hành.
-

Ở khu vực phía Bắc, việc ứng dụng các dàn PMT phát triển với tốc độ khá nhanh,

phục vụ các hộ gia đình ở các vùng núi cao, hải đảo và cho các trạm biên phòng. Cơng
suất của dàn pin dùng cho hộ gia đình từ 40 - 75 Wp. Các dàn dùng cho các trạm biên

phịng, nơi hải đảo có cơng suất từ 165 - 300 Wp. Các dàn dùng cho trạm xá và các cụm
văn hố thơn, xã là 165 - 525 Wp.
-

Tại Quảng Ninh có hai dự án PMT do vốn trong nước (từ ngân sách) tài trợ:
+ Dự án PMT cho đơn vị bộ đội tại các đảo vùng Đông Bắc. Tổng công suất lắp đặt

khoảng 20 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng và Trung tâm Năng lượng mới Trường
đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện. Hệ thống điện sử dụng chủ yếu để thắp sáng và
truyền thông, đối tượng phục vụ là bộ đội, do đơn vị quản lý và vận hành.
+ Dự án PMT cho các cơ quan hành chính và một số hộ dân của huyện đảo Cô Tô.
Tổng công suất lắp đặt là 15 kWp. Dự án trên do Viện Năng lượng thực hiện. Công trình
đã vận hành từ tháng 12/2001.
+ Cơng ty BP Solar của Úc đã tài trợ một dự án PMT có công suất là 6.120 Wp phục
vụ cho trạm xá, trụ sở xã, trường học và khoảng 10 hộ gia đình. Dự án trên được lắp đặt
tại xã Sĩ Hai, huyện Hà Quảng, tỉnh Cao Bằng.
+ Dự án “Ứng dụng thí điểm điện mặt trời cho vùng sâu, vùng xa” tại xã Ái Quốc,
tỉnh Lạng Sơn đã hoàn thành vào tháng 11/2002. Tổng công suất dự án là 3.000 Wp,
cung cấp điện cho trung tâm xã và trạm truyền hình, chủ yếu để thắp sáng và truyền
thông, đối tượng phục vụ là người dân, do dân quản lý và vận hành.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


13

Trung tâm Hội nghị Quốc gia sử dụng ĐMT: Tổng cơng suất pin mặt trời 154 kWp

-

là cơng trình ĐMT lớn nhất ở Việt Nam. Hệ thống pin mặt trời hòa vào mạng điện chung
của Trung tâm Hội nghị quốc gia.
-

Trạm pin mặt trời nối lưới Viện Năng lượng công suất 1.080 Wp bao gồm 8 môđun.

-

Trạm pin mặt trời nối lưới lắp đặt trên mái nhà làm việc Bộ Cơng thương, 54 Hai

Bà Trưng, Quận Hồn Kiếm, Hà Nội. Công suất lắp đặt 2.700 Wp.
Lắp đèn năng lượng mặt trời trên đường phố Đà Nẵng sử dụng nguồn năng lượng

-

mặt trời. Hệ thống thu góp điện năng được “dán” thẳng trên thân trụ đèn. Bên trong trụ có
tám bình ắc qui dùng để tích năng lượng.
-

Hai cột đèn năng lượng mặt trời kết hợp năng lượng gió đầu tiên được lắp đặt thành

công tại Ban quản lý dự án Cơng nghệ cao Hịa Lạc. Hai cột đèn trị giá 8.000 USD, do
Cơng ty cổ phần tập đồn quốc tế Kim Đỉnh lắp đặt. Hiện tại, hai cột đèn này có thể sử
dụng trong 10 h mỗi ngày, có thể thắp sáng bốn ngày liền nếu khơng có nắng và gió.

1.2.

Tổng quan về Pin quang điện:

1.2.1. Cấu trúc vật lý của Pin quang điện:
-

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán dẫn

chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng tạo ra
dịng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
-

Nhiều loại vật liệu khác nhau được thử nghiệm cho pin mặt trời. Và hai tiêu chuẩn,

hiệu suất và giá cả.
o

Hiệu suất là tỉ số của năng lượng điện từ ánh sáng mặt trời. Vào buổi trưa một ngày

trời trong, ánh mặt trời tỏa nhiệt khoảng 1000 W/m², trong đó 10% hiệu suất của 1
module 1m² cung cấp năng lượng khoảng 100 W. Hiệu suất của pin mặt trời thay đổi từ
6% từ pin mặt trời làm từ silic khơng hình thù và có thể lên đến 30% hay cao hơn nữa,
sử dụng pin có nhiều mối nối nghiên cứu trong phịng thí nghiệm.
o

Có nhiều cách để nói đến giá cả của hệ thống tạo điện, là tính tốn cụ thể trên từng

kilo Watt giờ (kWh). Hiệu suất của pin mặt trời kết hợp với sự bức xạ là 1 yếu tố quyết
định trong giá thành. Nói chung hiệu suất của toàn hệ thống là tầm quan trọng của nó. Để
tạo nên ứng dụng thực sự của pin tích hợp năng lượng, điện năng tạo nên nối với mạng

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


14

lưới điện sử dụng inverter, trong các phương tiện di chuyển, hệ thống ắc quy sử dụng để
lưu trữ nguồn năng lượng không sử dụng hiện tại. Các pin năng lượng thương mại và hệ
thống cơng nghệ có hiệu suất từ 5% đến 15%. Giá của điện từ 50 Eurocent/kWh (Trung
Âu) xuống tới 25 eurocent/kWh trong vùng có ánh mặt trời nhiều.
-

Cho tới hiện nay, vật liệu chủ yếu cho pin mặt trời (và cho các thiết bị bán dẫn) là

các silic tinh thể. Pin mặt trời từ tinh thể silic chia ra thành 3 loại:
o

Một tinh thể hay đơn tinh thể module sản xuất dựa trên quá trình Czochralski. Đơn

tinh thể loại này có hiệu suất tới 16%. Chúng thường rất mắc tiền do được cắt từ các thỏi
hình ống, các tấm đơn thể này có các mặt trống ở góc nối các module.
o

Đa tinh thể làm từ các thỏi đúc từ silic nung chảy cẩn thận được làm nguội và làm

rắn. Các pin này thường rẻ hơn các đơn tinh thể, tuy nhiên hiệu suất kém hơn. Tuy nhiên
chúng có thể tạo thành các tấm vng che phủ bề mặt nhiều hơn đơn tinh thể bù lại cho
hiệu suất thấp của nó.
o

Dải silic tạo từ các miếng phim mỏng từ silic nóng chảy và có cấu trúc đa tinh thể,

Loại này thường có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại vì khơng
cần phải cắt từ thỏi silicon.

Hình 1.6 : Quá trình tạo Module Pin PV

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


15

1.2.2. Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời:

Hình 1.8 : Nguyên lý hoạt động của Pin PV
-

Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
+ Photon truyền trực xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng

của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
+ Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
-

Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong

màng tinh thể. Thơng thường các electron này lớp ngồi cùng và thường được kết dính

với các nguyên tử lân cận vì thế khơng thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở
thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử
sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là "lỗ trống". Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của
nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào "lỗ trống" và điều này tạo ra lỗ trống cho
nguyên tử lân cận có "lỗ trống". Cứ tiếp tục như vậy "lỗ trống" di chuyển xuyên suốt
mạch bán dẫn.
-

Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp

ngồi cùng dẫn điện. Tuy nhiên, tần số của mặt trời thường tương đương 6000°K, vì thế
nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic. Tuy nhiên hầu hết năng
lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều hơn là năng lượng điện sử dụng
được.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


16

1.2.3 PV array:
Phương trình tốn và đặc tuyến của 1 cell PV
Do 1 cell PV được cấu tạo từ bán dẫn p-n, nên ta có thể tương đương thành 1 diode

o

mắc song song với 1 nguồn dịng có điện trở nội.

Hình 1.9 : Mơ hình PV

(2.1)
Áp dụng cơng thức Shockley cho diode ta có:


(2.2)

Trong đó:
+ q là điện tích electron (1,6 x
+

C)

là dòng bão hòa của diode

+ A là hệ số phẩm chất của diode
+

là dòng ngắn mạch của PV

+ k là hằng số Boltzmann = 1,38x
+ T là nhiệt độ Kelvin
+



là điện áp hở mạch của PV
thay đổi theo nhiệt độ :

Cùng 1 nhiệt độ,

)

(2.3)

thay đổi theo bức xạ:
(2.4)



thay đổi theo nhiệt độ:

(2.5)



ở nhiệt độ chuẩn:

(2.6)

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


17


với

o Đặc tuyến
Từ phương trình (2.1), ta có đặc tuyến PV:

Hình 1.10: Đặc tuyến của PV
 Từ các phương trình (2.2), (2.3), 2.4), (2.5), (2.6) đặc tuyến PV còn phụ thuộc vào
bức xạ (G) và nhiệt độ (T).

Hình 1.11: Đặc tuyến PV ở các nhiệt độ và bức xạ khác nhau.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


18

 Ứng với nhiệt độ và bức xạ khác nhau PV cung cấp cho tải những cơng suất khác
nhau:

Hình 1.12: Ảnh hưởng của bức xạ đối với đặc tính của cell pin

Hình 1.13: Ảnh hưởng của nhiệt độ đối với đặc tính của cell pin
Đặc điểm của Tấm pin mặt trời:
 Các cell pin khi mắc nối tiếp sẽ làm tăng áp hở mạch của pin.

Hình 1.14: Đặc tuyến khi mắc nối tiếp các cell pin

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC

19

 Nếu các cell pin khi mắc nối tiếp không được chiếu sáng đồng đều, thì sẽ có 1 một
số cell pin xuất hiện dòng ngược, dẫn đến đảo cực tính của các cell pin đó, điều này sẽ
làm hỏng cell pin do dòng dương từ các cell pin được chiếu sáng.

Hình 1.15: Đảo cực tính của cell pin khơng được chiếu sáng
 Vì vậy,ta cần có diode bypass để bảo vệ cell pin khơng được chiếu sáng.

Hình 1.16: Diode bypass để bảo vệ các cell pin.
 Các cell pin khi mắc song song làm tăng dịng ngắn mạch.

Hình 1.17: Đặc tuyến các cell pin khi mắc song song.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


20

 Tấm pin mặt trời:

Hình 1.18: Tấm pin mặt trời
 Cơng suất cực đại từ pin mặt trời

Hình 1.19: MPP của 1 cell pin.
 Trên đặc tuyến của PV, ở một nhiệt độ và bức xạ nhất định, ta chỉ có 1 điểm cho

cơng suất cực đại (

. Vậy làm thế nào để khi điều kiện môi trường và tải thay

đổi, ta vẫn bắt được điểm công suất cực đại này để cung cấp cho tải. Giải thuật tìm kiếm
MPP (maximum power point) và mạch DC/DC Converter sẽ làm điều này.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


21

CHƯƠNG 2:MƠ HÌNH HỆ THỐNG PV KẾT NỐI LƯỚI
2.1 Cấu trúc thành phần của hệ thống PV:

Hình 2.1 : Sơ đồ khối mơ tả hệ thống PV kết nối lưới
-

Có hai nhóm cấu hình chính sử dụng trong việc kết nối lưới hệ thống PV là cách ly

và không cách ly:
+ Dạng biến đổi có cách ly: Có thể sử dụng dạng nâng áp DC – DC sử dụng
Transformer tần số cao, nghịch lưu và lọc đầu ra LC sau đó kết nối với lưới điện.
Hoặc sử dụng nghịch lưu điện áp thấp rồi dùng Transformer tần số thấp nâng mức
điện áp bằng với điện áp hệ thống và kết nối vào lưới điện.

Hình 2.2: (a)Kiểu Low Frequency Transformer
(b) Kiểu High Frequency Transformer

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


22

 Trong phương pháp “Low Frequency Transformer”, năng lượng điện lấy ra từ
Solar Panel dưới dạng điện áp một chiều được đưa qua bộ nghịch lưu (Inverter) và bộ
lọc điện dung để biến đổi thành điện xoay chiều áp thấp. Điện áp này được chuyển đưa
qua máy biến áp lõi thép để nâng mức điện áp lên 220V để cung cấp cho tải AC.
 Cấu hình “High Frequency Transformer” cần thêm 1 tầng biến đổi dạng DC/DC
có sử dụng biến áp xung, đóng cắt ở tần số cao với các phương pháp như Flyback,
Halfbridge, Fullbridge… nhằm nâng điện áp thấp từ pin Mặt Trời thành điện áp DC đủ
cao để phục vụ cho việc nghịch lưu trực tiếp 220/380 đưa vào tải.
 Dạng biến đổi không cách ly bằng máy biến áp – Transformerless: Là biến đổi
trực tiếp năng lượng dạng điện một chiều từ ngõ ra PV và đưa lên lưới thông qua các
bộ nâng áp DC không cách ly. Hầu hết những phát triển quan trọng của dạng
Transformerless với mục đích là hiệu suất cao hơn, đầu tư hệ thống ít và đơn giản
hơn ở qui mơ lớn. Kiểu Transformerless có thể có hiệu suất tối đa lên đến 98% trong
khi cấu hình cách ly dùng Transformer cả tần số thấp lẫn tần số cao chỉ đạt hiệu suất
tối đa là 95% - 96%.

Hình 2.3: Kiểu Transformerless
2.2 Cấu hình DC/DC – DC/AC:
a,
-

Bộ biến đổi DC/DC

Có hai cách để thực hiện các bộ biến đổi DC-DC kiểu chuyển mạch: dùng các tụ

điện chuyển mạch và dùng các điện cảm chuyển mạch. Giải pháp dùng điện cảm chuyển
mạch có ưu thế hơn ở các mạch công suất lớn.
-

Các bộ biến đổi DC-DC cổ điển dùng điện cảm chuyển mạch bao gồm: buck (giảm

áp), boost (tăng áp), và buck-boost/inverting (đảo dấu điện áp). Hình 2.4 thể hiện sơ đồ
nguyên lý của các bộ biến đổi này. Với những cách bố trí điện cảm, khóa chuyển mạch,
và diode khác nhau, các bộ biến đổi này thực hiện những mục tiêu khác nhau, nhưng
nguyên tắc hoạt động thì đều dựa trên hiện tượng duy trì dịng điện đi qua điện cảm.

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HOÀNG TRỌNG PHÚC


23

Hình 2.4 : Các bộ biến đổi DC-DC chuyển mạch cổ điển
-

Ở đây ta chỉ đề cập đến bộ biến đổi Buck-boost.

Hình 2.4: Bộ biến đổi Buck-Boost
- Bộ biến đổi buck-boost hoạt động dựa trên nguyên tắc: khi khóa (van) đóng, điện áp
ngõ vào đặt lên điện cảm, làm dịng điện trong điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi
khóa (van) ngắt, điện cảm có khuynh hướng duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm
ứng đủ để diode phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa (van) và ngắt

khóa (van) mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng, hay lớn hơn giá trị điện áp vào.
Trong mọi trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó
dịng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
-

Gọi T là chu kỳ chuyển mạch (switching cycle), T1 là thời gian đóng khóa (van), và

T2 là thời gian ngắt khóa (van). Như vậy, T = T1 + T2.
-

Ở chế độ dòng điện qua điện cảm là liên tục, điện áp rơi trung bình trên điện cảm sẽ

bằng 0. Với cách ký hiệu T = T1 + T2 như trên, điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi
đóng khóa (van) là (T1/T)×Vin, cịn điện áp rơi trung bình trên điện cảm khi ngắt khóa
(van) là − (T2/T)×Vout.
Điều kiện điện áp rơi trung bình trên điện cảm bằng 0 có thể được biểu diễn:
(T1/T)×Vin − (T2/T)×Vout = 0
Như vậy:

(T1/T)×Vin = (T2/T)×Vout⇔ D×Vin = (1 − D)×Vout

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HỒNG TRỌNG PHÚC


24

+ Khi D = 0.5, Vin = Vout. Với những trường hợp khác, 0 < Vout< Vin khi 0 < D <
0.5, và 0 < Vin< Vout khi 0.5 < D < 1 (chú ý là ở đây chỉ xét về độ lớn, vì chúng ta đã biết

Vin và Vout là ngược dấu). Như vậy, bộ biến đổi này có thể tăng áp hay giảm áp, và đó là
lý do mà nó được gọi là bộ biến đổi buck-boost.
-

Xét cùng một loại bài toán thường gặp như những trường hợp trên, tức là: cho biết

phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào Vin, giá trị điện áp ngõ ra Vout, độ dao động điện áp
ngõ ra cho phép, dòng điện tải tối thiểu Iout,min, xác định giá trị của điện cảm, tụ điện, tần
số chuyển mạch và phạm vi thay đổi của chu kỳ nhiệm vụ, để đảm bảo ổn định được điện
áp ngõ ra.
-

Phạm vi thay đổi của điện áp ngõ vào và giá trị điện áp ngõ ra xác định phạm vi thay

đổi của chu kỳ nhiệm vụ D:
Dmin = Vout/(Vin,max + Vout), và Dmax = Vout/(Vin,min + Vout).
-

Lý luận tương tự như với bộ biến đổi buck, độ thay đổi dòng điện cho phép sẽ bằng 2

lần dòng điện tải tối thiểu. Trường hợp xấu nhất ứng với độ lớn của điện áp trung bình
đặt vào điện cảm khi khóa (van) ngắt đạt giá trị lớn nhất, tức là khi D = Dmin. Như vậy
đẳng thức dùng để chọn chu kỳ (tần số) chuyển mạch và điện cảm L giống như của bộ
biến đổi buck:
(1 − Dmin)×T×Vout = Lmin×2×Iout,min

Hình 2.5 : Sơ đồ xung kích,dịng tải và dịng qua cuộn cảm

GVHD: PGS.TS LÊ MINH PHƯƠNG

HVTH: HỒNG TRỌNG PHÚC