Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Hồ Võ Quốc Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh: Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV: I- Tên đề tài: Mô hình và mô phỏng điều khiể

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -

HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI

ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG

ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP.HCM -

HỒ VÕ QUỐC CƯỜNG

MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN TỐI

ƯU CÔNG SUẤT CỦA HỆ NHIỀU PIN QUANG

ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số ngành: 60520202

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS TS BÙI XUÂN LÂM

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 04 năm 2018

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH

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

TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Đ ộc lập – Tự do – Hạnh phúc

Tp HCM, ngày tháng năm 20

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hồ Võ Quốc Cường Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: Nơi sinh:

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện MSHV:

I- Tên đề tài:

Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện II- Nhiệm vụ và nội dung:

- Tổng quan tình hình khai thác và sử dụng nguồn năng lượng mặt trời;

- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời;

- Xây dựng mô hình toán học của pin quang điện;

- Xây dựng mô hình điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện;

- Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

III- Ngày giao nhiệm vụ:

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:

V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS Bùi Xuân Lâm

CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH

(Họ tên và chữ ký) (Họ tên và chữ ký)

LỜI CAM ÐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu vàkết quả đạt được trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố

Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đãđược cảm ơn và các tài liệu tham khảo trong Luận văn đã được trích dẫn đầy đủnguồn gốc

Học viên thực hiện Luận văn

Hồ Võ Quốc Cường

LỜI CÁM ƠN

Tôi xin chân thành cảm ơn Thầy PGS TS Bùi Xuân Lâm đã tận tình

hướng dẫn và giúp đỡ tôi hoàn thành đầy đủ và tốt các nhiệm vụ được giao của đềtài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn quý Thầy, Cô đã trang bị cho tôi nhiều kiến thứcquý báu của chuyên ngành Kỹ thuật điện mà là một nền tảng vững chắc cho tôihoàn thành tốt đề tài luận văn tốt nghiệp này

Tôi xin chân thành cảm ơn tập thể Lớp 16SMĐ12 đã động viên và giúp đỡtôi trong quá trình thực hiện đề tài luận văn này

Tôi xin chân thành cảm ơn Trường Đại học Công nghệ Tp HCM; Viện Khoahọc Kỹ thuật, Viện Đào tạo sau đại học và cơ quan nơi tôi đang công tác đã tạo mọiđiều kiện tốt nhất cho tôi có thể hoàn thành khóa học và đề tài luận văn tốt nghiệpnày

Hồ Võ Quốc Cường

Tóm tắt

Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng là rất lớn, kể cảngắn hạn, trung hạn và dài hạn Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầuphát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mụctiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong

20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm

Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn nănglượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiềuthuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam Không nằm ngoài mụctiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pinquang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xéttrong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện

Đề tài luận văn, "Mô hình và mô phỏng điều khiển tối ưu công suất

của hệ nhiều pin quang điện" tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công

suất của một hệ nhiều pin quang điện trong các điều kiện bức xạ mặt trời vànhiệt độ môi trường khác nhau

Đề tài luận văn bao gồm các nội dung chính như sau:

- Chương 1: Giới thiệu chung

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện

- Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

- Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Abstract

In Vietnam, the demand for electricity is very high, including short,medium and long term According to EVN's calculations, in order to meet thedemand for economic development with the growth rate of 7,5% - 8% andachieving the target by 2020, Vietnam basically becomes an industrial country.Over the next 20 years, electricity demand will increase from 15% to 17% peryear

Therefore, the investment in research and exploitation of renewableenergy sources is very necessary and effective, especially for a country withmany advantages in terms of natural and geographical conditions such asVietnam

Beyond this objective, research into solutions to improve the efficiency

of photovoltaic systems is urgently needed, particularly with the scenarioconsidered in this paper as a multi-battery system photovoltaic

The thesis topic, "Modeling and simulation on optimal power control

of solar PV multi-array systems" focuses on the optimal control of the power

of a solar PV multi-arrays system under conditions of various solar irradiationsand environmental temperatures

The thesis topics consist of the following contents:

- Chapter 1: Introduction

- Chapter 2: Background to a solar PV system

- Chapter 3: Modeling on optimal power control of solar PV multi-arraysystems

- Chapter 4: Simulation results

- Chapter 5: Conclusions and future developments

MỤC LỤC

Tóm tắt i

Mục lục iii

Danh sách hình vẽ

vi Danh sách bảng x

Chương 1 - Giới thiệu chung .

1 1.1 Giới thiệu

1 1.2 Mục tiêu của đề tài 2

1.3 Nội dung nghiên cứu 3

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài 3

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu 3

1.6 Bố cục dự kiến của luận văn 12

1.7 Kết luận 13

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện 14

2.1 Năng lượng mặt trời 14

2.2 Pin quang điện 15

2.2.1 Cấu tạo pin quang điện 15

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện 17

2.2.3 Mô hình toán của pin quang điện 18

2.2.4 Đặc tuyến V-I và V-P của pin quang điện 22

2.3 Các bộ điều khiển cơ bản của một hệ thống pin quang điện 27

2.3.1 Bộ điều khiển công suất (Power control unit, PCU) 27

2.3.2 Bộ điều khiển pin quang điện 29

2.4 Các hình thức hoạt động của pin quang điện 30

2.4.1 Pin quang điện hoạt động độc lập 30

2.4.2 Pin quang điện hoạt động nối lưới 32

2.5 Bộ biến đổi DC/DC 34

2.5.1 Bộ giảm áp 34

2.5.2 Bộ tăng áp 37

2.5.3 Bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp 39

2.6 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 41

2.6.1 Điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 41

2.6.2 Điều khiển phản hồi công suất 42

2.6.3 Điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 43

2.7 Hệ nhiều pin quang điện 43

2.7.1 Phương pháp ghép nối tiếp các tấm pin quang điện 44

2.7.2 Phương pháp ghép song song các tấm pin quang điện 45

2.7.3 Phương pháp ghép hỗn hợp các tấm pin quang điện 46

Chương 3 - Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện 48

3.1 Giới thiệu 48

3.2 Thuật toán tìm điểm công suất cực đại của pin quang điện 49

3.2.1 Thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O, Perturb and Observe) 49

3.2.2 Thuật toán điện dẫn gia tăng 52

3.2.3 Thuật toán điện áp hằng số 55

3.3 Phương pháp điều khiển MPPT 56

3.3.1 Phương pháp điều khiển PI 56

3.3.2 Phương pháp điều khiển trực tiếp 57

3.3.3 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra 59

3.4 Cấu hình và thuật toán đề xuất cho bài toán điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện 60

3.4.1 Cấu hình đề xuất 60

3.4.2 Thuật toán đề xuất 61

Chương 4 - Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin

quang điện

64 4.1 Giới thiệu 64

4.2 Kết quả mô phỏng 68

4.2.1 Trường hợp 1 69

4.2.2 Trường hợp 2 71

4.2.3 Trường hợp 3 73

Chương 5 - Kết luận và hướng phát triển tương lai 77

5.1 Kết luận 77

5.2 Hướng phát triển tương lai 77

Tài liệu tham khảo 79

DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1.1 Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm 4

Hình 1.2 Cơ chế so sánh 3 điểm 5

Hình 1.3 Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu 6

Hình 1.4 Lưu đồ thuật toán của giải thuật dP-P&O 6

Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural Network được đề xuất bởi M A Younis 7

Hình 1.6 Lưu đồ giải thuật MPPT Neural Network 8

Hình 1.7 Lưu đồ thuật toán của giải thuật P&O kết hợp với phương pháp chia đôi 9

Hình 1.8 Sơ đồ khối cấu trúc của bộ điều khiển mờ 12

Hình 2.1 Phổ năng lượng mặt trời 14

Hình 2.2 Cấu tạo của pin quang điện 15

Hình 2.3 Chất bán dẫn Si được pha tạp chất P được gọi là bán dẫn loại N (Negative) 16

Hình 2.4 Chất bán dẫn Si pha tạp chất Boron được gọi là bán dẫn loại P (Positive) 17

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện 18

Hình 2.6 Sơ đồ pin quang điện thực tế 19

Hình 2.7 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS 20

Hình 2.8 Dòng điện ngắn mạch (ISC) và điện áp hở mạch (VOC) 21

Hình 2.9 Module pin quang điện 22

Hình 2.10 Đặc tuyến V-I của pin quang điện 22

Hình 2.11 Đặc tuyến V-P của pin quang điện 23

Hình 2.12 Đặc tuyến V-I khi nhiệt độ của pin quang điện thay đổi 24

Hình 2.13 Đặc tuyến V-P khi nhiệt độ của pin quang điện thay đổi 24

Hình 2.14 Đặc tuyến V-I khi bức xạ nhận được thay đổi 25

Hình 2.15 Đặc tuyến V-P khi bức xạ nhận được thay đổi 25

Hình 2.16 Đặc tuyến V-I khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ 26

Hình 2.17 Đặc tuyến V-P khi thay đổi đồng thời nhiệt độ và bức xạ 26

Hình 2.18 Các thành phần của bộ điểu khiển công suất (PCU) 27

Hình 2.19 Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang điện 30

Hình 2.20 Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện 31

Hình 2.21 Hệ thống pin quang điện cung cấp cho các khu vực vùng xa 31

Hình 2.22 Hệ thống pin quang điện không có bộ lưu trữ 33

Hình 2.23 Hệ thống pin quang điện có bộ lưu trữ 33

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 35

Hình 2.25 Dạng sóng điện áp và dòng điện của bộ giảm áp Buck 36

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý bộ tăng áp Boost 38

Hình 2.27 Dạng sóng dòng điện của bộ biến đổi tăng áp, Boost 39

Hình 2.28 Sơ đồ nguyên lý của bộ hỗn hợp tăng giảm điện áp Buck – Boost 40

Hình 2.29 Chu kỳ đóng cắt 40

Hình 2.30 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi điện áp 42

Hình 2.31 Sơ đồ điều khiển mạch vòng phản hồi dòng điện 43

Hình 2.32 Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép nối tiếp 45

Hình 2.33 Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép song song 46

Hình 2.34 Đặc tuyến V-I của hệ các pin quang điện được ghép hỗn hợp nối tiếp và song song 47

Hình 3.1 Đặc tuyến V-I, V-P của pin quang điện 48

Hình 3.2 Thuật toán P&O tìm điểm làm việc có công suất lớn nhất 49

Hình 3.3 Lưu đồ thuật toán P&O 50

Hình 3.4 Sự thay đổi điểm MPP theo gia tăng bức xạ 51

Hình 3.5 Thuật toán INC 53

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán INC 54

Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán điện áp không đổi 55

Hình 3.8 Sơ đồ khối phương pháp điều khiển MPPT sử dụng bộ bù PI 57

Hình 3.9 Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 57

Hình 3.10 Mối quan hệ giữa tổng trở vào Rin và hệ số làm việc D 59

Hình 3.11 Cấu hình điều khiển kinh điển của hệ nhiều pin quang điện 60

Hình 3.12 Cấu hình đề xuất của bộ chuyển đổi năng lượng 61

Hình 3.13 Phân chia đặc tuyến V-P thành 3 vùng 62

Hình 4.1 Mô hình 1 cell pin quang điện được xây dựng trong Matlab/ Simulink 64

Hình 4.2 Mô hình 1 cell sau khi đã thu gọn 64

Hình 4.3 Mô hình bên trong của pin quang điện được ghép bởi 108 cell pin quang điện được dựng trong Matlab/Simulink 65

Hình 4.4 Mô hình 1 tấm pin quang điện thu gọn 65

Hình 4.5 Cấu hình đề xuất được xây dựng trong Matlab/Simulink 66

Hình 4.6 Thông số của 1 module 36 cell được xây dựng trong Matlab/Simulink 67

Hình 4.7 Sơ đồ mạch Boost được xây dựng trong Matlab/Simulink 67

Hình 4.8 Khối MPPT trong Matlab/Simulink 68

Hình 4.9 Sơ đồ kết nối bên trong khối MPPT 68

Hình 4.10 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán P&O 69

Hình 4.11 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán INC 69

Hình 4.12 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán điện áp hằng số 70

Hình 4.13 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán đề xuất 70

Hình 4.14 Nhiệt độ thay đổi lần lượt tại 250C, 300C, 350C và 400C 71

Hình 4.15 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán P&O 71

Hình 4.16 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán INC 72

Hình 4.17 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán điện áp hằng số 72Hình 4.18 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi và bức xạ không đổi sử dụng thuật toán đề xuất 73

0.75 kW/m2, 1 kW/m2 74Hình 4.20 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi

và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán P&O 74Hình 4.21 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi

và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán INC 75Hình 4.22 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi

và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán điện áp là hằng số 75Hình 4.23 Công suất của hệ nhiều pin quang điện khi nhiệt độ không đổi

và bức xạ thay đổi sử dụng thuật toán đề xuất 76

DANH SÁCH BẢNG

Bảng 2.1 Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo 19Bảng 3.1 Tóm tắt thuật toán P&O 50Bảng 4.1 Thông số của tấm pin quang điện 66

ra mưa axít, hạn hán, lũ lụt làm ảnh hưởng đến môi trường sống của conngười.

Trước tình hình đó, việc phải tìm các nguồn năng lượng khác nhằm mụcđích đáp ứng nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần tăng mạnh hàng ngày vàthay thế các nguồn năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang dần cạn kiệttrở nên cần thiết và đòi hỏi nhiều quan tâm

Tầm quan trọng của việc phát triển các nguồn năng lượng thay thế cũngđược thúc đẩy bởi nhận thức của con người về vấn đề môi trường Trong thực

tế, một trong các nguồn năng lượng có thể thay thế với nhiều hứa hẹn về tiềmnăng cung cấp năng lượng rất lớn đó là năng lượng hạt nhân Tuy nhiên, việc

sử dụng nguồn năng lượng này vẫn còn là một vấn đề đang được tranh cãi vì sự

an toàn và ảnh hưởng của nó đến môi trường sống Chẳng hạn như sự cố gầnđây nhất tại Fukushima, Nhật Bản ngày 11/3/2011 đã phá hủy nhà máy điện hạtnhân Fukushima, gây thiệt hại về người và kinh tế Tiếp theo đó, một số nướcChâu Âu cũng đã quyết định đóng cửa vĩnh viễn các nhà máy điện hạt nhân

Tại Việt Nam, nhu cầu sử dụng năng lượng điện cũng là rất lớn, kể cảngắn hạn, trung hạn và dài hạn Theo tính toán của EVN, để đáp ứng nhu cầuphát triển kinh tế với tốc độ tăng trưởng từ 7,5% - 8% và thực hiện được mục

tiêu đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp thì trong

20 năm tới nhu cầu điện sẽ phải tăng từ 15% - 17% mỗi năm [1]

Do đó, phương án đầu tư vào nghiên cứu và khai thác các nguồn nănglượng tái tạo là rất cần thiết và hiệu quả, đặc biệt đối với một quốc gia có nhiềuthuận lợi về điều kiện tự nhiên và địa lý như Việt Nam Không nằm ngoài mụctiêu này, việc nghiên cứu các giải pháp để nâng cao hiệu suất của hệ thống pinquang điện là hết sức cần thiết và cấp bách, đặc biệt với kịch bản được xem xéttrong luận văn này là một hệ nhiều pin quang điện

1.2 Mục tiêu của đề tài

Để sử dụng nguồn năng lượng mặt trời có hiệu quả, nhiều bài toán vớinhiều vấn đề khác nhau được đặt ra Hiện nay, một trong những bài toán màđang được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm đó là nghiên cứu khai thác hệthống pin quang điện sao cho nó luôn luôn làm việc tốt nhất trong tất cả cácđiều kiện khác nhau Vấn đề tập trung chủ yếu vào kỹ thuật dò tìm và bámđiểm công suất cực đại của một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện

Đối với một pin quang điện hoặc một hệ pin quang điện, các giải thuậtP&O, InC hoặc điện áp hằng số, có thể được áp dụng để dò tìm và thực hiệnđiều khiển bám điểm công suất cực đại Các kỹ thuật này đã đạt được các kếtquả nhất định trong việc giải bài toán điều khiển bám điểm công suất cực đại.Mỗi kỹ thuật cũng đã thể hiện được các ưu điểm của nó trong việc giải quyếtbài toán nâng cao hiệu suất pin quang điện Tuy nhiên, ngoài các ưu điểm củacác kỹ thuật này thì trong mỗi kỹ thuật cũng đang tồn tại các khuyết điểm nhấtđịnh liên quan và ảnh hưởng đến tốc độ dò tìm điểm công suất cực đại, cũngnhư giá trị điểm công suất cực đại trong các điều kiện vận hành khác nhau Bài toán đặt ra là cần phải nâng cao hơn nữa hiệu suất của hệ pin quang điệnthông qua yêu cầu tìm điểm công suất cực đại nhanh hơn và chính xác hơnngay cả khi thay đổi các điều kiện bức xạ mặt trời hoặc nhiệt độ môi trườngtrong suốt quá trình làm việc của hệ pin quang điện

Đề tài tập trung nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của một hệ nhiềupin quang điện trong các điều kiện bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường khác

nhau

1.3 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan về tiềm năng và khai thác nguồn năng lượng mặt trời trênthế giới và tại Việt Nam

- Nghiên cứu cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện

- Nghiên cứu các giải thuật điều khiển tối ưu công suất của hệ thống pinquang điện

- Nghiên cứu và đề xuất giải thuật điều khiển tối ưu công suất của mộpinquang điện

- Mô phỏng giải thuật cải thiện khả năng bám điểm công suất cực đạicủa hệ thống pin quang điện

1.4 Phạm vi nghiên cứu của đề tài

- Các nghiên cứu được thực hiện trên một hệ thống pin quang điện

- Giải thuật được đề xuất để điều khiển tối ưu công suất của một hệnhiều pin quang điện tương ứng với các thay đổi của điều kiện bức xạ và nhiệtđộ

1.5 Tổng quan tình hình nghiên cứu

Liên quan đến bài toán được đặt ra, đã có nhiều nhà khoa học tập trunggiải quyết với các kết quả đạt được nhất định như sau:

Joe-Air Jiang, v.v với công trình nghiên cứu, “Maximum powertracking for photovoltaic power systems” đã đề xuất giải thuật so sánh 3 điểm[2]

Giải thuật này tương tự như giải thuật P&O mà có thể được xem như làgiải thuật P&O cải tiến khi giải thuật P&O chỉ so sánh 2 điểm Giải thuật 3điểm được đề xuất để so sánh 3 điểm để từ đó đưa ra các quyết định tăng, giảmhay giữ nguyên điện áp làm việc của pin quang điện

Giải thuật so sánh 3 điểm được biểu diễn như lưu đồ thuật toán, Hình1.1

Hình 1.1 Lưu đồ thuật toán của giải thuật so sánh 3 điểm

Nguyên tắc cho phép điểm áp làm việc của pin quang điện tăng, giảmhay giữ nguyên của giải thuật so sánh 3 điểm được trình bày như sau, Hình 1.2

Theo giải thuật so sánh 3 điểm, hệ MPPT của pin quang điện sẽ tăngđiện áp làm việc trong các trường hợp ((1), (4)) và giảm điện áp trong cáctrường hợp ((3), (6))

Hình 1.2 Cơ chế so sánh 3 điểm

* Ưu điểm của giải thuật:

Giải thuật sử dụng 3 điểm để so sánh nên có khả năng khắc phục đượckhuyết điểm hoạt động sai của giải thuật P&O trong trường hợp có sự thay đổinhanh của môi trường như cường độ bức xạ

* Nhược điểm của giải thuật:

Khi cường độ bức xạ thay đổi mạnh và kéo dài so với chu kỳ lấy mẫu thìgiải thuật so sánh 3 điểm có thể sai do luôn đọc thấy 3 điểm cùng tăng (trườnghợp cường độ bức xạ tăng) hoặc 3 điểm cùng giảm (trường hợp cường độ bức

xạ giảm) Do đó, giải thuật sẽ ra quyết định sai và làm ảnh hưởng đến sự thayđổi của giá trị điện áp tại điểm công suất cực đại, Vmpp

Dezso Sera, v.v với công trình nghiên cứu, “Improved MPPTalgorithms for rapidly changing environmental conditions” đã đề xuất thêmmột quá trình lấy mẫu trung gian tại thời điểm T/2 như Hình 1.3 cho việc cảithiện hiệu quả của giải thuật P&O [3]

Hình 1.3 Đo công suất giữa 2 lần lấy mẫu

Lưu đồ thuật toán của giải thuật đề xuất được biểu diễn như Hình 1.4

Hình 1.4 Lưu đồ thuật toán của giải thuật dP-P&O

Theo đề xuất, giải thuật dP-P&O sẽ lấy mẫu trung gian ở thời điểm T/2

và khi môi trường thay đổi (dP = 0) sẽ không thay đổi V

* Ưu điểm của giải thuật:

Có thể nhận thấy rằng giải thuật này giúp cho bộ MPPT không bị nhẫmlẫn khi cường độ bức xạ thay đổi tuyến tính

* Nhược điểm của giải thuật:

Khi cường độ chiếu sáng thay đổi không tuyến tính giải thuật này có thể hoạt động sai

Hình 1.5 Sơ đồ khối của hệ pin quang điện với bộ điều khiển MPPT Neural

Network được đề xuất bởi M A Younis

M A Younis, v.v với công trình nghiên cứu, “An improvedmaximum power point tracking controller for PV systems using artificial neuralnetwork” đã tiếp tục nghiên cứu để kết hợp công nghệ mạng nơ-rôn nhân tạo

và thuật toán P&O cho việc xây dựng một bộ điều khiển bám điểm công suấtcực đại [4] Các tác giả đã sử dụng mạng nơ-rôn nhân tạo để dự báo giá trị điện

áp tối ưu của hệ thống PV sao cho có thể đạt được điểm công suất cực đại Cấutrúc mạng nơ-rôn được sử dụng trong nghiên cứu là cấu trúc lan truyền ngượcvới bốn tín hiệu ngõ vào mà tương ứng là cường độ bức xạ, nhiệt độ, hệ sốnhiệt của dòng điện ngắn mạch và hệ số nhiệt độ của điện áp hở mạch của PV

và tín hiệu ngõ ra của mạng nơ-rôn là giá trị điện áp tối ưu, Hình 1.5 Lưu đồcủa giải thuật MPPT Neural Network như Hình 1.6

* Ưu điểm của giải thuật:

Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cho thấy rằng bộ điều khiểnbám điểm công suất cực đại sử dụng công nghệ mạng nơ-rôn có các đáp ứngnhanh hơn bộ điều khiển sử dụng thuật toán P&O và đồng thời, hiệu suất bámtrung bình cũng được cải tiến hơn thuật toán P&O một cách đáng kể

* Nhược điểm của giải thuật:

Giải thuật MPPT kết hợp giữa P&O và mạng nơ-rôn nhân tạo lan truyềnngược Levenberg-Marquardt gặp khó khăn trong việc lựa chọn các thông sốcủa mạng như số nơ-rôn cho các lớp ngõ vào, lớp ẩn và lớp ngõ ra

Hình 1.6 Lưu đồ giải thuật MPPT Neural Network

B Das, v.v với công trình nghiên cứu, “New perturb and observeMPPT algorithm and its validation using data from PV module” đã giới thiệuphương pháp chia đôi (Bisection method) cho bộ điều khiển bám điểm côngsuất cực đại của hệ thống PV [5].

Giải thuật tìm ra được giá trị điện áp của mô-đun PV, tính toán côngsuất và cuối cùng là xác định và bám theo điểm công suất cực đại Theo giảithuật đề xuất này, giá trị dP/dV được sử dụng để xác định vị trí điểm làm việccủa pin quang điện mà có thể nằm ở bên trái hoặc bên phải của điểm công suấtcực đại

Hình 1.7 Lưu đồ thuật toán của giải thuật P&O kết hợp với phương pháp chia

đôi

* Ưu điểm của giải thuật:

Các kết quả mô phỏng trong nghiên cứu này cũng được sử dụng để so sánh vớicác kết quả khác bằng việc sử dụng kỹ thuật P&O thông thường Kết quả sosánh cho thấy rằng phương pháp đề xuất có khả năng đạt được giá trị công suấtcực đại nhanh hơn thuật toán P&O Lưu đồ thuật toán của giải thuật đề xuấtđược biểu diễn như Hình 1.7

* Nhược điểm của giải thuật:

Có thể nhận thấy rằng giải thuật này cũng sử dụng các bước tăng giảm

cố định của điện áp để tìm điểm công suất cực đại tương ứng với từng điềukiện bức xạ khác nhau Điều này là nhược điểm của giải thuật P&O truyềnthống mà cũng là nhược điểm của giải thuật P&O cải tiến kết hợp với phươngpháp chia đôi mà ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ hội tụ

Nguyễn Viết Ngư, v.v với công trình nghiên cứu, “So sánh hai thuậttoán InC và P&O trong điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thốngpin mặt trời cấp điện độc lập” đã giới thiệu, so sánh và đánh giá giữa hai giảithuật InC và P&O trong điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thốngpin mặt trời cấp điện độc lập [6]

* Ưu điểm của nghiên cứu:

Từ kết quả mô phỏng cho thấy, khi cường độ bức xạ mặt trời và nhiệt độmôi trường thay đổi, cả hai giải thuật đều bám được điểm công suất cực đại vớithời gian rất nhanh Tuy nhiên, MPPT làm việc với giải thuật InC tốt hơn sovới giải thuật P&O, công suất hệ thống PV trong trường hợp sử dụng giải thuậtInC bám sát điểm công suất cực đại tốt hơn hay nói cách khác phạm vi daođộng quanh điểm công suất cực đại nhỏ hơn so với thuật toán P&O Giải thuậtInC trong quá trình điều khiển MPPT, phản ứng nhanh và chính xác hơn, đặcbiệt là dòng điện và điện áp của PV ổn định hơn khi sử dụng giải thuật P&O

Vì vậy, việc sử dụng giải thuật InC trong điều khiển MPPT của hệ thống PVcấp điện độc lập là rất thích hợp, đảm bảo tính cung cấp điện cho phụ tải tối ưu,liên tục và ổn định Cả hai giải thuật MPPT đều hoạt động tốt khi điều kiện thời

tiết thay đổi đột ngột, phản ứng bám điểm công suất cực đại với thời gian rấtnhanh, độ quá điều chỉnh rất nhỏ Tuy nhiên, giải thuật InC có ưu điểm hơngiải thuật P&O chẳng hạn như dao động quanh điểm công suất cực đại hẹp và

ít hơn giải thuật P&O; giảm thiểu được hao tổn công suất phát do dao độngquanh điểm công suất cực đại ít hơn giải thuật P&O Vì vậy, việc áp dụng giảithuật InC trong điều khiển MPPT sẽ cho hiệu quả tốt hơn giải thuật P&O

* Nhược điểm của nghiên cứu:

Tập thể các tác giả chưa đề xuất được các giải pháp khắc phục được cácnhược điểm của giải thuật P&O mà chỉ kiểm chứng và xác nhận lại các điểmnổi bật của giải thuật InC so với giải thuật P&O trong điều khiển MPPT đặcbiệt trong những trường hợp bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường thay đổimột cách đột ngột

Nguyễn Viết Ngư, v.v với công trình nghiên cứu "Mô phỏng bám sátđiểm công suất cực đại dàn pin năng lượng mặt trời dựa trên điều khiển mờ" đãgiới thiệu đặc tính công suất đầu ra của hệ thống PV, xây dựng mô hình môphỏng bám sát điểm công suất cực đại của hệ thống PV dựa trên điều khiển

mờ, Hình 1.8 [7]

* Ưu điểm của giải thuật:

Từ các kết quả mô phỏng cho thấy rằng giải thuật điều khiển MPPT dựatrên điều khiển mờ để thay đổi chu kỳ đóng cắt phản ứng với tốc độ rất nhanhtheo sự thay đổi của cường độ bức xạ Thời gian quá độ ngắn, sai lệch tĩnh rấtnhỏ Như vậy, việc sử dụng điều khiển mờ để điều khiển MPPT của hệ thống

PV có khả năng thực hiện với thời gian rất nhanh, độ chính xác cao, giảm daođộng công suất ngõ ra của hệ thống PV ở lận cận điểm công suất cực đại trongtrường hợp có xét đến sự thay đổi của cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường.Trên cơ sở đó, giảm thiểu được tổn hao công suất do dao động sóng công suấtphát sinh dẫn tới công suất ngõ ra của hệ thống PV

* Nhược điểm của giải thuật:

Giải thuật này sẽ gặp khó khăn trong việc xây dựng bộ luật điều khiển

mờ, loại bộ điều khiển mờ và phương pháp giải mờ

Hình 1.8 Sơ đồ khối cấu trúc của bộ điều khiển mờ

Tác giả Trần Đình Cương cũng đã nghiên cứu và đề xuất mô hình vàthực hiện mô phỏng hệ MPPT cho hệ pin PV trong luận văn Thạc Sĩ đã đượcbảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa TP HCM năm 2008 [8] Tác giả đã giớithiệu và áp dụng giải thuật P&O cho điều khiển MPPT của một hệ pin quangđiện

Tác giả Hoàng Trọng Phúc đã trình bày và giải quyết bài toán điều khiển

hệ thống năng lượng mặt trời kết nối lưới trên cơ sở trí tuệ nhân tạo trong luậnvăn Thạc Sĩ đã được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa TP HCM năm

2012 [9]

Cùng với ý tưởng của M A Younis, v.v , [4] tác giả đã sử dụng mạngnơ-rôn nhân tạo điều khiển MPPT cho hệ PV Tuy nhiên, rõ ràng rằng nghiêncứu này cũng gặp phải một số khó khăn trong việc lựa chọn cấu trúc cũng nhưcác thông số của mạng nơ-rôn nhân tạo

1.6 Bố cục dự kiến của luận văn

Luận văn nghiên cứu các vấn đề liên quan đến điều khiển tối ưu côngsuất của một hệ nhiều pin quang điện bao gồm các nội dung cụ thể như sau:+ Chương 1: Giới thiệu chung

+ Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện

+ Chương 3: Nghiên cứu điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quangđiện

+ Chương 4: Mô phỏng điều khiển tối ưu công suất của hệ nhiều pin quang điện

+ Chương 5: Kết luận và hướng phát triển tương lai

1.7 Kết luận

Qua các vấn đề đã trình bày ở trên nhận thấy rằng năng lượng đang trởthành vấn đề cấp bách, đặc biệt là năng lượng điện Việc khai thác và sử dụngcác nguồn năng lượng khác để thay thế các năng lượng truyền thống là vô cùngcần thiết Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng cầnđược quan tâm và phát triển Vì đây là nguồn năng lượng sạch, thân thiện vớimôi trường và vô tận

Chương 2

Cơ sở lý thuyết hệ thống pin quang điện

2.1 Năng lượng mặt trời

Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng Tuy nhiên, khôngphải tia bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện Chỉ có những tiabức xạ (ứng với bước sóng ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích

hoạt electron (tùy từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quangđiện

Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pinquang điện silicon được biểu diễn ở Hình 2.1 như sau:

Hình 2.1 Phổ năng lượng mặt trời

Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời có thể nhận thấy rằng:

+ Khoảng 20,2 % năng lượng mặt trời tổn hao không có tác dụng do cónăng lượng thấp hơn mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏitrạng thái tĩnh của chúng (h < Eg)

+ Khoảng 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang

Ứng dụng biến đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng điện mà đượcdựa trên hệ thống pin quang điện sẽ được trình bày trong phần kế tiếp

2.2 Pin quang điện

2.2.1 Cấu tạo pin quang điện

Pin quang điện hay còn được gọi là pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệuứng quang điện trong chất bán dẫn để tạo ra dòng điện một chiều từ ánh sángmặt trời

Cấu tạo cơ bản của pin quang điện được biễu như Hình 2.2

Tấm kính phủ lớp phía trênTấm keo EVA

Các lớp pin quang điện

Tấm keo EVATấm đáy

Hình 2.2 Cấu tạo của pin quang điện

Kỹ thuật chế tạo pin quang điện rất giống với kỹ thuật chế tạo các linhkiện bán dẫn như Transistor, Diode, Nguyên liệu được sử dụng làm pinquang điện cũng giống như các linh kiện bán dẫn thông thường khác, chính làSilicon (Si) thuộc nhóm IV

Trong Si, các điện tử được sắp xếp ở 3 lớp vỏ, 2 lớp vỏ bên trong đượcxếp đầy bởi 10 điện tử và lớp ngoài cùng chỉ được lấp đầy 1 nửa với 4 điện tử

Điều này làm cho nguyên tử Si có xu hướng dùng chung các điện tử của nó vớicác nguyên tử Si khác.

Trong cấu trúc mạng tinh thể, nguyên tử Si liên kết với 4 nguyên tử Silân cận để lớp vỏ ngoài cùng có chung 8 điện tử (bền vững) Tinh thể Si tinhkhiết là chất bán dẫn, dẫn điện rất kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kếtmạng, không có điện tử tự do Chỉ trong điều kiện kích thích quang hay nhiệtmới làm các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết Theo ngôn ngữ vùng năng lượng,các điện tử (tích điện âm) nhảy từ vùng hóa trị lên vùng dẫn, bỏ lại vùng hóa trị

1 lỗ trống (tích điện dương) Khi đó, chất bán dẫn mới dẫn điện

Để tăng khả năng dẫn điện của bán dẫn Silic, người ta thường pha tạp chất vào trong đó

Xét trường hợp tạp chất là nguyên tử Phospho (P) với tỷ lệ khoảng mộtphần triệu P có 5 điện tử ở lớp vỏ ngoài cùng Khi liên kết, trong tinh thể Silúc bấy giờ sẽ dư ra 1 điện tử Điện tử này trong điều kiện bị kích thích nhiệt cóthể bứt khỏi liên kết với hạt nhân P để khuyếch tán trong mạng tinh thể Khi ấy,

ta có chất bán dẫn loại N (Negative) có tính chất dẫn điện bằng các điện tử tựdo

Thêm electron

Hình 2.3 Chất bán dẫn Si được pha tạp chất P được gọi là bán dẫn loại N

(Negative)

Khi đó, các điện tử tự do ở gần mặt tiếp xúc trong bán dẫn loại N sẽkhuyếch tán từ bán dẫn loại N sang bán dẫn loại P và lắp các lỗ trống trongphần bán dẫn loại P này.

Một diode bán dẫn có cấu tạo được trình bày như trên và pin quang điệnchính là một diode bán dẫn có diện tích bề mặt rộng Trong đó, lớp N cựcmỏng cho phép ánh sáng có thể truyền qua

2.2.2 Nguyên lý hoạt động của pin quang điện

Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện được mô tả như Hình 2.5sau:

Hình 2.5 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin quang điện

Khi chiếu ánh sáng vào pin quang điện:

- Một phần sẽ bị phản xạ và do đó trên bề mặt pin quang điện có một lớp chống phản xạ

- Một phần bị hấp thụ khi truyền qua lớp N

- Một phần may mắn hơn đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và

lỗ trống nằm trong điện trường của bề mặt giới hạn p-n

Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng lượng đủlớn để bật khỏi liên kết Cặp electron và lỗ trống nằm trong tác dụng của điệntrường Trong đó, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại n còn lỗ trống bị kéo

về phía bán dẫn loại p Kết quả là nếu ta nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại

n và p sẽ đo được một hiệu điện thế Giá trị hiệu điện thế này phụ thuộc vàobản chất của chất làm bán dẫn và tạp chất được hấp phụ

Với Si có pha tạp chất tinh thể Boron và Phospho thì giá trị điện áp nàykhoảng 0,5 đến 0,6 V

2.2.3 Mô hình toán của pin quang điện

Sơ đồ mạch điện tương đương của pin quang điện được biểu diễn nhưHình 2.6

Hình 2.6 Sơ đồ pin quang điện thực tế

Mô hình toán thể hiện mối quan hệ giữa điện áp và cường độ dòng điệncủa pin quang điện, V-I được biểu diễn như sau:

IPH: Dòng của pin quang điện (A)

IS: Dòng bão hòa (A)

RSH: Nội trở song song

RS: Nội trở nối tiếp

q: Điện tích của electron, q = 1,6x10-19 (C)

k: Hằng số Boltzmann’s, k =1,38x10-23 (J/K)

A: Hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin quang điện được chotrong như Bảng 2.1

Bảng 2.1 Bảng lựa chọn hệ số lý tưởng A theo công nghệ chế tạo

tương đương Hình 2.6 của pin quang điện sẽ được biểu diễn như Hình 2.7.

Hình 2.7 Sơ đồ pin quang điện khi bỏ qua RSH và RS

Biểu thức (2.1) sẽ được viết lại thành biểu thức (2.2) như sau:

 qV 

C S

ISC: Dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C và bức xạ 1000W/m2 (A)

KI: Hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)

TRef: Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin quang điện (0K)

λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)

kích thích nhiệt Khi nhiệt độ của pin quang điện tăng thì dòng bão hòa, IS cũngtăng theo hàm mũ và được xác định dựa vào biểu thức (2.4) như sau: