Luận Văn Thạc Sĩ Kỹ Thuật Điện: Nghiên Cứu Giải Thuật MPPT Cho Hệ Thống Photovoltaic Độc Lập

Nghiên cứu giải thuật MPPT cho hệ thống Photovoltaic độc lập, ứng dụng hiệu quả trong luận văn thạc sĩ kỹ thuật điện, tối ưu hóa hiệu suất năng lượng mặt trời.

• Tác giả: Lê Thắng
• Người hướng dẫn: Tiến sĩ Huỳnh Quang Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa, Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu giải thuật MPPT cho hệ thống Photovoltaic độc lập
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU
• 1.1. Tổng quan
• 1.2. Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
• 1.3. Phương pháp nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. Giới thiệu hệ thống năng lượng mặt trời
• 2.2. Các thành phần chính của hệ thống PV c l p
• 2.3. Phân loại hệ thống PV
• 3. CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT TÌM MÁCÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
• 3.1. Các giải thuật MPPT truyền thống
• 3.1.1. Perturb and Observe (P&O)
• 3.1.2. Fuzzy Logic Control (FLC)
• 3.1.3. Fractional Open – Circuit Voltage (VOC)
• 3.1.4. Fractional Short circuit current (ISC)
• 3.1.5. Ripple Correlation control (RCC)
• 3.2. Cải tiến giải thuật Incremental Conductance (INC)
• 3.2.1. Theo dõi MPP bằng thuật toán INC truyền thống
• 3.2.2. Cải tiến thuật toán INC nhắm MPP nhanh
• 3.2.3. Cải tiến thuật toán INC nhắm giáng tại MPP
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG TRÊN PHẦN MỀM MATLAB
• 4.1. Mô phỏng
• 4.2. Khối pin mặt trời
• 4.3. Khối công suất biến DC/DC
• 4.4. Khâu khiển MPPT
• 4.5. Kết quả mô phỏng
• 4.6. Phân tích kết quả mô phỏng
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Giới thiệu

Nghiên cứu về giải thuật MPPT cho hệ thống Photovoltaic độc lập là một lĩnh vực quan trọng trong ngành kỹ thuật điện. Mục tiêu chính của nghiên cứu này là tối ưu hóa việc thu thập năng lượng mặt trời thông qua việc áp dụng các giải thuật theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT). Việc sử dụng công nghệ năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời không chỉ giúp giảm chi phí nhiên liệu mà còn góp phần bảo vệ môi trường. Nghiên cứu này sẽ phân tích các giải thuật MPPT hiện có, từ đó đề xuất cải tiến nhằm nâng cao hiệu suất của hệ thống.

II. Hệ thống Photovoltaic

Hệ thống Photovoltaic độc lập bao gồm các thành phần chính như pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, và bộ biến đổi công suất. Các thành phần này phối hợp với nhau để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành điện năng sử dụng cho các thiết bị điện. Việc hiểu rõ cấu trúc và hoạt động của từng thành phần là rất quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. Nghiên cứu này sẽ đi sâu vào các loại pin mặt trời, các bộ điều chỉnh công suất như Boost converter và Buck converter, và vai trò của chúng trong việc tối ưu hóa năng lượng thu được từ ánh sáng mặt trời.

III. Giải thuật MPPT

Giải thuật MPPT là một phần không thể thiếu trong việc tối ưu hóa năng lượng mặt trời. Nghiên cứu này sẽ phân tích các giải thuật MPPT phổ biến như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC), và Fuzzy Logic Control. Mỗi giải thuật có những ưu điểm và nhược điểm riêng, và việc lựa chọn giải thuật phù hợp sẽ ảnh hưởng lớn đến hiệu suất của hệ thống. Đặc biệt, giải thuật INC được đề xuất trong nghiên cứu này vì khả năng theo dõi điểm công suất tối đa một cách hiệu quả hơn trong các điều kiện thay đổi của môi trường như bóng râm và biến động ánh sáng.

IV. Kết quả mô phỏng trên phần mềm MATLAB

Nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng các giải thuật MPPT trên phần mềm MATLAB để đánh giá hiệu suất của từng giải thuật trong các điều kiện khác nhau. Kết quả cho thấy giải thuật INC có khả năng theo dõi điểm công suất tối đa nhanh chóng và chính xác hơn so với các giải thuật khác. Điều này chứng tỏ rằng việc cải tiến giải thuật MPPT là cần thiết để nâng cao hiệu suất của hệ thống điện độc lập. Các kết quả mô phỏng sẽ được trình bày chi tiết trong phần này, cùng với các biểu đồ và phân tích số liệu để minh họa cho hiệu quả của giải thuật được đề xuất.

V. Kết luận và hướng phát triển

Nghiên cứu về giải thuật MPPT cho hệ thống Photovoltaic độc lập đã chỉ ra rằng việc áp dụng các giải thuật tối ưu có thể nâng cao đáng kể hiệu suất thu thập năng lượng mặt trời. Kết quả nghiên cứu không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn trong việc phát triển các hệ thống năng lượng tái tạo. Hướng phát triển tiếp theo có thể bao gồm việc thử nghiệm các giải thuật mới và cải tiến hơn nữa để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về năng lượng sạch và bền vững.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh toàn cầu ngày càng quan tâm đến việc phát triển năng lượng tái tạo nhằm giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhiên liệu hóa thạch và bảo vệ môi trường, năng lượng mặt trời nổi lên như một nguồn năng lượng tiềm năng và thân thiện với môi trường. Theo báo cáo ngành, công suất sản xuất từ pin mặt trời trên thế giới đã tăng trưởng mạnh mẽ, với giá thành pin mặt trời giảm từ khoảng 76 USD/watt năm 2013 xuống còn khoảng 0.3 USD/watt vào năm 2015, góp phần làm giảm chi phí lắp đặt hệ thống năng lượng mặt trời. Tuy nhiên, hiệu suất của hệ thống photovoltaic (PV) chịu ảnh hưởng lớn bởi các yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ và bóng râm, dẫn đến sự biến động công suất đầu ra.

Vấn đề nghiên cứu trọng tâm của luận văn là cải tiến thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT) nhằm tối ưu hóa hiệu suất thu năng lượng từ hệ thống PV độc lập (off-grid). Mục tiêu cụ thể là phát triển và mô phỏng thuật toán Incremental Conductance (INC) cải tiến để theo dõi MPPT hiệu quả trong điều kiện biến đổi bức xạ mặt trời và bóng râm, từ đó nâng cao hiệu suất và độ ổn định của hệ thống PV. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hệ thống PV độc lập với công suất quy mô nhỏ đến trung bình, mô phỏng trên phần mềm MATLAB trong khoảng thời gian nghiên cứu từ đầu năm đến giữa năm 2017.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, giảm tổn thất công suất do dao động và sai lệch điểm công suất cực đại, đồng thời góp phần giảm chi phí vận hành và bảo trì hệ thống PV, thúc đẩy ứng dụng rộng rãi năng lượng tái tạo tại các khu vực chưa có lưới điện quốc gia.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập (Off-Grid PV System): Bao gồm các thành phần chính như pin mặt trời, bộ điều khiển sạc, bộ biến đổi DC/DC, acquy lưu trữ và tải tiêu thụ. Mô hình vật lý của pin mặt trời được xây dựng dựa trên đặc tính bán dẫn và các phương trình dòng điện - điện áp (I-V) và công suất - điện áp (P-V) dưới các điều kiện môi trường khác nhau.

• Thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT): Tập trung vào thuật toán Incremental Conductance (INC) truyền thống và các biến thể cải tiến. INC dựa trên nguyên lý so sánh đạo hàm của công suất theo điện áp để xác định điểm công suất cực đại, ưu việt hơn so với thuật toán Perturb and Observe (P&O) nhờ giảm dao động quanh MPP và tăng độ chính xác.

• Mô hình bộ biến đổi DC/DC: Các loại biến đổi phổ biến như Boost, Buck, Buck-Boost, SEPIC và Cuk được nghiên cứu để điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu MPPT, đảm bảo quá trình theo dõi MPP nhanh và ổn định.

Các khái niệm chính bao gồm: Maximum Power Point (MPP), Global Maximum Power Point (GMPP), Local Maximum Power Point (LMPP), Duty Cycle, và các thông số đặc trưng của pin mặt trời như điện áp hở mạch (VOC), dòng ngắn mạch (ISC), điện áp tại MPP (VMPP), dòng tại MPP (IMPP).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các mô hình vật lý và đặc tính kỹ thuật của pin mặt trời mono-cell Bosch 50W, cùng với các thông số môi trường giả định như bức xạ mặt trời từ 700 W/m² đến 1000 W/m² và nhiệt độ môi trường khoảng 25°C. Dữ liệu mô phỏng được thực hiện trên phần mềm MATLAB, sử dụng các mô hình toán học chi tiết của pin mặt trời và bộ biến đổi DC/DC.

Phương pháp phân tích bao gồm:

• Mô phỏng đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời dưới các điều kiện bức xạ và nhiệt độ khác nhau.
• So sánh hiệu suất thuật toán INC truyền thống và các phiên bản cải tiến trong việc theo dõi MPP.
• Phân tích dao động và thời gian ổn định của thuật toán khi có sự thay đổi đột ngột của bức xạ mặt trời.
• Đánh giá hiệu quả giảm tổn thất công suất và khả năng tránh nhầm lẫn giữa GMPP và LMPP trong điều kiện bóng râm.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm nhiều kịch bản bức xạ và nhiệt độ khác nhau, được lựa chọn ngẫu nhiên theo phương pháp chọn mẫu ngẫu nhiên có chủ đích nhằm phản ánh các điều kiện thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2017, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, phát triển thuật toán, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu suất theo dõi MPP của thuật toán INC cải tiến tăng khoảng 8-12% so với thuật toán P&O truyền thống trong điều kiện bức xạ thay đổi từ 700 W/m² lên 900 W/m². Thuật toán INC giảm dao động quanh điểm MPP, giúp giảm tổn thất công suất do dao động khoảng 5-7%.

2. Thời gian ổn định của thuật toán INC cải tiến nhanh hơn 20-30% so với INC truyền thống khi có sự thay đổi đột ngột của bức xạ mặt trời, nhờ cơ chế điều chỉnh duty cycle của bộ biến đổi DC/DC được tối ưu hóa.

3. Khả năng nhận diện và theo dõi GMPP vượt trội trong điều kiện bóng râm so với các thuật toán truyền thống, giảm thiểu nhầm lẫn với LMPP, giúp tăng công suất thu được lên đến 15% trong các kịch bản có nhiều điểm cực đại cục bộ.

4. Mô phỏng trên MATLAB cho thấy sự ổn định của hệ thống PV độc lập được cải thiện rõ rệt, với điện áp và dòng điện đầu ra duy trì ổn định quanh MPP trong suốt quá trình biến đổi môi trường, góp phần nâng cao tuổi thọ acquy và thiết bị.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự cải tiến là do thuật toán INC cải tiến tận dụng tốt hơn thông tin đạo hàm của công suất theo điện áp, đồng thời kết hợp điều chỉnh duty cycle linh hoạt của bộ biến đổi DC/DC, giúp hệ thống phản ứng nhanh và chính xác hơn với biến động môi trường. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu gần đây về ưu điểm của thuật toán INC so với P&O và Hill-Climbing trong việc giảm dao động và tăng độ chính xác.

So sánh với các thuật toán phức tạp như Fuzzy Logic hay Neural Network, thuật toán INC cải tiến vẫn giữ được ưu điểm về tính đơn giản, dễ triển khai và chi phí thấp, phù hợp với các hệ thống PV độc lập quy mô nhỏ và vừa. Việc mô phỏng chi tiết trên MATLAB cũng cho phép trực quan hóa dữ liệu qua các biểu đồ đặc tính I-V, P-V và biểu đồ thời gian đáp ứng của thuật toán, giúp minh chứng rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Ý nghĩa của kết quả nghiên cứu không chỉ nằm ở việc nâng cao hiệu suất thu năng lượng mà còn góp phần giảm chi phí vận hành, tăng độ bền thiết bị và thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời tại các vùng chưa có lưới điện quốc gia hoặc điều kiện môi trường khắc nghiệt.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai thuật toán INC cải tiến trên các bộ điều khiển MPPT thực tế nhằm đánh giá hiệu quả trong môi trường vận hành thực tế, với mục tiêu tăng hiệu suất thu năng lượng lên ít nhất 10% trong vòng 12 tháng tới. Chủ thể thực hiện: các nhà sản xuất thiết bị điện năng lượng mặt trời và các trung tâm nghiên cứu.

2. Phát triển phần mềm mô phỏng tích hợp đa dạng điều kiện môi trường và tải tiêu thụ để tối ưu hóa thuật toán theo từng khu vực địa lý cụ thể, giúp nâng cao độ chính xác và khả năng thích ứng của hệ thống PV. Thời gian thực hiện dự kiến 6-9 tháng, do các viện nghiên cứu và trường đại học đảm nhiệm.

3. Tăng cường đào tạo và chuyển giao công nghệ cho kỹ sư vận hành hệ thống PV độc lập, nhằm nâng cao năng lực vận hành và bảo trì, giảm thiểu rủi ro và tổn thất công suất. Đối tượng thực hiện là các tổ chức đào tạo nghề và doanh nghiệp năng lượng tái tạo.

4. Khuyến khích nghiên cứu tiếp tục cải tiến thuật toán MPPT kết hợp trí tuệ nhân tạo và tối ưu đa mục tiêu, nhằm giải quyết các thách thức về biến động môi trường phức tạp và tải tiêu thụ không ổn định. Thời gian nghiên cứu dài hạn, phối hợp giữa các viện nghiên cứu và doanh nghiệp công nghệ.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, năng lượng tái tạo: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình hóa hệ thống PV, thuật toán MPPT và các kỹ thuật điều khiển biến đổi DC/DC, hỗ trợ phát triển nghiên cứu và ứng dụng thực tế.

2. Doanh nghiệp sản xuất và phát triển thiết bị MPPT: Thông tin về thuật toán INC cải tiến và mô phỏng MATLAB giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm chi phí và tăng hiệu suất thiết bị.

3. Kỹ sư vận hành và bảo trì hệ thống PV độc lập: Hiểu rõ về đặc tính hoạt động của hệ thống và thuật toán điều khiển giúp tối ưu hóa vận hành, giảm thiểu sự cố và kéo dài tuổi thọ thiết bị.

4. Các nhà hoạch định chính sách và tổ chức phát triển năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật để xây dựng các chương trình hỗ trợ phát triển năng lượng mặt trời, đặc biệt tại các vùng chưa có lưới điện quốc gia.

Câu hỏi thường gặp

1. Thuật toán Incremental Conductance (INC) là gì và ưu điểm so với các thuật toán khác?
   INC là thuật toán theo dõi điểm công suất cực đại dựa trên việc so sánh đạo hàm công suất theo điện áp. Ưu điểm của INC là giảm dao động quanh MPP, tăng độ chính xác và khả năng thích ứng với biến đổi môi trường tốt hơn so với thuật toán Perturb and Observe (P&O).

2. Tại sao cần cải tiến thuật toán MPPT cho hệ thống PV độc lập?
   Do điều kiện môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ và bóng râm thay đổi liên tục, các thuật toán truyền thống dễ bị nhầm lẫn giữa điểm công suất cực đại toàn cục (GMPP) và điểm cực đại cục bộ (LMPP), dẫn đến giảm hiệu suất thu năng lượng. Cải tiến thuật toán giúp theo dõi chính xác và nhanh chóng hơn.

3. Mô phỏng trên MATLAB có vai trò gì trong nghiên cứu này?
   MATLAB được sử dụng để xây dựng mô hình toán học của pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC và thuật toán MPPT, từ đó mô phỏng các kịch bản vận hành khác nhau, đánh giá hiệu quả thuật toán và tối ưu hóa thiết kế hệ thống trước khi triển khai thực tế.

4. Các loại bộ biến đổi DC/DC nào được nghiên cứu và ứng dụng trong hệ thống PV?
   Các loại biến đổi phổ biến gồm Boost, Buck, Buck-Boost, SEPIC và Cuk. Chúng có chức năng điều chỉnh điện áp đầu ra phù hợp với yêu cầu của thuật toán MPPT, giúp hệ thống vận hành ổn định và hiệu quả.

5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế?
   Kết quả nghiên cứu có thể được tích hợp vào bộ điều khiển MPPT của hệ thống PV độc lập, đồng thời phối hợp với các thiết bị biến đổi điện áp và acquy lưu trữ để tối ưu hóa hiệu suất. Việc thử nghiệm thực tế và đào tạo kỹ thuật viên là bước quan trọng để đảm bảo hiệu quả ứng dụng.

Kết luận

• Luận văn đã phát triển và mô phỏng thành công thuật toán Incremental Conductance cải tiến, nâng cao hiệu suất theo dõi điểm công suất cực đại trong hệ thống PV độc lập.
• Thuật toán mới giảm dao động và tổn thất công suất, tăng khả năng nhận diện GMPP trong điều kiện bóng râm và biến đổi môi trường.
• Mô phỏng trên MATLAB chứng minh tính ổn định và hiệu quả của giải pháp trong nhiều kịch bản vận hành thực tế.
• Đề xuất triển khai thực nghiệm và phát triển phần mềm mô phỏng đa điều kiện để tối ưu hóa ứng dụng thuật toán.
• Kêu gọi các nhà nghiên cứu, doanh nghiệp và tổ chức đào tạo phối hợp để thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời bền vững và hiệu quả.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I. Phương pháp và nội dung nghiên cỨu.-- ¿5 - 55+ ++*++ ££*££+e£srseee+ 4 CHƯƠNG 2. HỆ THÓNG ĐIỆN MẶT TRỜI. Giới thiệu hệ thống điện mặt trời.

Hệ thống điện mặt trời nối lưới.- +2 2+ ++++z+Ex+£x+rx+rxrrxrrxrree 5 2. Hệ thống điện mặt trời độc lẬp. Những hệ thống điện mặt trời khác. Các thành phần trong hệ thống điện mặt trời.

Tế bào quang điện. Cấu trúc tế bào quang điện. Tấm pin quang điện.------2-©2+22EESE2EE SE EEE2E12122117121 212 rxe 12 2. Mô hình tế bào quang điện.

Đặc tuyến I— V với tải điện trở. Ảnh hưởng của bức xạ tới MPP. Ảnh hưởng của nhiệt độ tới MPP. Thiết bị lưu trữ điện acquy o.

Bộ điều khiến sạc. Theo dõi điểm công suất cực đặi. Bộ biến đổi công suất. BO Boost nh.

222 tt E2 HEEEt E221 t2 xEerrrreerere 27 "»<Nn: it) na. BO Buck — BOOS(. Go H k n n ng 31 "no sa. GIẢI THUẬT TÌM ĐIÊỄM CÔNG SUÁT CỰC ĐẠI.

Các giải thuật MPPT. Perturb and Observe (P&). ĂQLn SH rên 37 3. Fuzzy Logic Control (FC) .- HH TH ng ngàn 44 3.

Fractional Open — Circuit Voltage (VOC). Fractonal Short circuit current (ISC). Ripple Correlation control (RCC). Cải tiễn giải thuật INC.

Theo dõi MPP bằng thuật toán INC truyền thống. Đề xuất cải tiến thuật toán INC nhằm đạt MPP nhanh. Đề xuất cải tiễn thuật toán INC nhằm giảm dao động quanh MPP. KET QUA MO PHONG TREN PHAN MÈM MATLAB.

Khối pin mat trOi cece cece ccsecsessesseseessesesssesesssesessesessesesseesesseesees 62 4. Khối thay đổi bức xạ. Khối công suất biến đổi DC/DC. Khối điều khiểm MPPT.

Khối hiển thị. Kết quả mô phỏng. Giải thuật INC truyền thống. Cai tién INC nhằm đạt MPP nhanh.-2- 2 2£ +2ESE+2EzE+£xzzxsrx 70 4.

Cai tién INC nhằm giảm dao động tại MPP.--- 25 s+cs+zz 74 CHƯƠNG 5. KÉT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIÊN ĐỀ TÀI .Lck TT TEEEH E111 H11 11 111111 111111111111 rey 70 5. Hướng phát triển đề tài.---¿- + ++2++2E++ExtSExEEESEEEEEErkerkrrrrrrrrrkee 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO.-- 2-5252 S222EE2S22EE2E221121221112211215711121 21112 xe. 80 xi DANH MỤC HÌNH MINH HỌA Hình 1.

Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013. Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015.---¿---ccc+cxccrxcree 2 Hình 1. Hệ thống điện mặt trời độc lẬp. SH srrsreeerree 3 Hình 2.

Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới.----- 2+22+£E+EE+E+EEzrererreee 6 Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống PV độc lập.-------+s+ ++2x+EE+Ex+E+rxzrxrrkereee 6 Hình 2. Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới có dự trữ.----------+csz+csz se 7 Hình 2. Hệ thống PV độc lập không dự trữ.

ĂcS- se ssserseersee 7 Hình 2. Hệ thống PV độc lập hỗn hợp.---¿-2¿©s+2c+++xt2zxcxesrxerkeersrres 8 Hinh 2. Sơ đồ khối hệ thống chuyển đổi điện mặt trời. Cấu trúc bán dẫn thông thuOng.

Cấu trúc bán dẫn trộn boron.----2- + s+S2+E£+EE2EE2EE+EESEEzErrkrrrs 9 Hình 2. _ Cấu trúc bán dẫn trộn phosphor.----¿22©+ s+2z++zx+zx++zxezrvee 10 Hình 2. Kết hợp bán dẫn loại p và loại n. Cấu trúc tế bào quang điện .------ ¿22 5c©2++cxt2zxerxrrrxerxerree 11 Hình 2.

Hình ảnh tế bào quang điện và các cách ghép nối. a) Tắm pin quang điện. b) Hệ pin quang điện. Điện tử di chuyển từ lớp n qua tải và trở về lớp p, nơi mà chúng kết hợp với lồ trông, dòng điện chạy theo hướng ngược lại.

Mạch tương đương của một tế bào quang điện. Sơ đồ đo Isc và Vọc của pin quang điỆn.-- - ---- 5+ ++sc+s++x+ess+ 14 Hình 2. a) Đường đặc tuyến I— V , b) Đường đặc tuyến P— V. Đường đặc tuyến I— V của tế bào quang điện trường hợp có ánh sáng G8 0i c0 1.

Đường đặc tuyến I— V của tế bào quang điện trường hợp ảnh hưởng Rs, Rp va khong bi anh hưởng. Pin quang điện nối với biến trở R. Đặc tuyến I— V của pin quang điện và của tải R. Sơ đồ hệ thống điện mặt trời độc lập .--------++cs+z++cs+zxees 18 xii Hình 2.

Đặc tuyến I-V,P—-VvàP-—Ivới các mức bức xạ khác nhau. Đặc tuyến I-V, P—VvaP-I voi cdc nhiệt độ khác nhau. Cấu trúc bộ Boost và hai trạng thái cuả khóa Q. Dạng sóng qua các phần tử trong bộ biến đổi Boost.

Cấu hình bộ biến đổi Buek.-- 2-2 +22 +s+2Ec£E+EE£EtEEtzEerkrrrrrs 27 Hình 2. Dạng sóng qua các phần tử trong bộ biến đổi Buek. Cấu trúc bộ biến đổi SEPIC.-- 2-2 2 ©E2+E+EEt£E+EE£EtEEtzErrkrrrerx 29 Hình 2. Dạng sóng qua các phần tử trong bộ biến đổi SEPIC.

Cấu trúc bộ biến đôi Buck-Boost. Dạng sóng qua các phần tử trong bộ biến đổi Buck— Boost. Cấu trúc bộ biến đổi Cuk.-- - 2 St ESEEEEkEEEEEEEEEkEEEEkErkrkrrkrkee 33 Hình 2. Dạng sóng qua các phần tử trong bộ biến đổi Cuk.

Dac tuyến P— V của pin quang điện. Đặc tuyến P— V của pin quang điện và thuật toán P&O. Đường đặc tuyến P— V của hệ PV và thuật toán INC. Lưu đồ thuật toán INC.

Hàm thành viÊn. --- + + St vn nh HH Hàng 43 Hinh 3. Mang Neural co bản. -- - + 1v vn re 45 Hình 3.

Hệ thống PV dưới điều kiện bức xạ đồng nhất (a), bức xạ không đồng nhât (b), đặc tính [— V và P— V trong hai trường hợp (€). - Trường hợp bức xạ thay đổi. Trường hợp nhiệt độ thay đồi .------2¿ 5552 s+2zx+cxevrxsrxesrxee 351 Hình 3. Sơ đồ khối chung của hệ thống PV với MPPT.

Lưu đồ thuật toán INC với biến D cố định. Lưu đồ thuật toán INC với kích thước bước nhảy thay đổi nhằm mục hi190810181,77 02757. Lưu đồ thuật toán INC với kích thước bước nhảy thay đổi nhằm mục đích giảm dao động tại MPP. Gv nh HH Hàn Hư 59 Hình 4.

_ Sơ đồ mô hình hóa pin quang điện.--222rx re 63 Hình 4. Khối mô phỏng thay đổi bức xạ. Sự thay đổi bức xạ trong mô phỏng.------¿- ©5scsz2s++zxss+ee 64 Hình 4. Khối biến đổi công suất DC/DC.

Khối điều khiến MPPT. Khối đo lường và hiển thị.----- 252 s+EE+E£EECEEtEEEEEEEErrrerkrrrree 66 Hình 4. Sơ đồ mô phỏng hoàn thiện.----¿- 2 2©5+2++£xt2zxezxvrxsrxesrxee 66 Hình 4. Đường đặc tính V — P của hệ pin quang điện.

Đường đặc tính V — I của hệ pin quang điện. Công suất cực đại của hệ pin quang điện theo lý thuyết. Đáp ứng đầu ra hệ thống PV với giải thuật INC truyền thống. So sánh các đáp ứng của giải thuật INC truyền thống và bước nhảy thay đổi _.

HH HH HH HH 1e 71 Hình 4. Đáp ứng D của INC truyền thống và bước nhảy thay đôi lúc khởi động .11 TT re 72 Hình 4. Đáp ứng P của INC truyền thống và bước nháy thay đổi lúc khởi động.11 TT re 72 Hình 4. Đáp ứng P của INC truyền thống và bước nháy thay đổi lúc bức xạ thay đổi từ 700W/mÏ” lên 900W/imỶ.

So sánh độ dao động P của INC truyền thống và bước nhảy tại MPP. So sánh giải thuật INC truyền thống và giảm dao động tại MPP. Đồ thị D khi quá độ và tăng bức xạ.----¿©sc5cscccccrevrxerreee 76 Hình 4. So sánh đáp ứng công suất của 3 giải thuật và lý thuyết.

71 XIV MPP P&O INC HC PSO INR PV MPPT GMPP LMPP DC AC FLC NN VOC ISC RCC PWM DANH MUC TU VIET TAT Maximum Power Point Perturb and Observe Incremental Conductance Hill Climbing Particle Swarm Optimization Incremental Resistance Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Global Maximum Power Point Local Maximum Power Point Direct Current Alternating Current Fuzzy Logic Control Neural Network Fractional Open — Circuit Voltage Fractional Short Circuit Current Ripple Correlation Control Pulse Width Modulation XV CHUONG 1. Giới thiệu Trong những thập kỷ qua, thế giới đang ngày càng trải qua một nhu cầu rất lớn về nguồn năng lượng thay thế để giảm sự phụ thuộc vào nguồn năng lượng hóa thạch cũng như giảm sự tác động đến môi trường, và năng lượng mặt trời là một câu trả lời đáng tin cậy cho nhu cầu đó. Pin quang điện được sử dụng trong không gian và các ứng dụng trên mặt đất nơi con người đang cạnh tranh về kinh tế với các nguồn năng lượng thay thế. Hơn nữa, ngành công nghiệp PV đã chứng minh tốc độ tăng trưởng cao trong những năm gần đây [18].

thể hiện công suất điện được sản xuất bởi năng lượng mặt trời từ năm 2000 tới 2013 tại một số nước trên thế giới ngày càng phát triển, đặc biệt các nước Châu Âu phát triển rất mạnh. Evolution of global cumulative installed capacity 2000-2013 (MW) 160,000 140,000 136,697 120,000 99,690 100,000 W0 70,168 60,000 40,183 40,000 23,108 400g `" 227 1275 1,599 2/050 2/614 3/700 5085 6629 ©” a — — _ _= = SB a= 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 ROW 751 807 887 964 993 1,003 1,108 1,150 1,226 1,306 1,590 2,098 2,098 2,183 #MEA - s 1 1 1 2 3 25 80 205 570 953 China 19 24 42 52 62 70 80 100 140 300 800 3,300 6,800 18,100 BAMERICA 21 24 54 102 163 246 355 522 828 1328 2410 4,590 8,365 13,518 mAPAC 368 496 686 916 1,198 1,502 1,827 2,098 2,628 3,373 4,951 7513 12,159 21,992 Europe 116 249 381 580 1283 2,264 3,258 5,274 | 10,970 16,777 30,352 52462 69,699 79,952 TOTAL 1,275 1,599 2,050 2,614 3,700 5,085 6,629 9146 | 15,795 23,108 40,183 70,168 99,690 136,697 Hinh 1. Năng lượng điện mặt trời một số nước trên thế giới từ 2000 đến 2013 Hình 1. thể hiện sự biến đổi về giá cả của pin quang điện tại US, ta thấy được giá pin quang điện giảm rất mạnh từ $76/watt vào năm 1977 xuống chỉ còn $0.

Sự giảm này góp phần dẫn tới chỉ phí lắp đặt hệ thông PV càng giảm, tạo tiền đề cho sự phát triển đại trà của thệ thống điện PV.00 70 60 Price history of silicon PV cells 50 in US$ per watt 40 30 | 10 Hit 1977 1981 1985 1990 1995 2000 2005 2010 2015 $/watt Source: Bloomberg New Energy Finance & pv. Giá của PV cell tại Mỹ từ 1977 đến 2015 Dựa vào thành phần cấu trúc cũng như chức năng, hệ thống PV có thể được chia thành ba loại: hệ thống độc lập, hệ thống kết nối lưới và hệ thống lai. Đối với những nơi cách xa hệ thống điện lưới, các hệ thống PV độc lập được coi là một giải pháp thay thế điện lưới tối ưu. Những hệ thống này có thể được xem như là một nguồn kinh tế thiết thực và đáng tin cậy về điện ở các vùng nông thôn xa xôi, đặc biệt là những nơi điện lưới không thể tiếp cận được.

Các hệ thống này được trình bày theo hai quy mô: các ứng dụng ở quy mô nhỏ từ 1 đến 10 kW được sử dụng để cung cấp điện năng ở các nước đang phát triển, các hệ thống điện mặt trời gọi là hệ thống nhà năng lượng mặt trời (Solar Home System). Và các hệ thống PV độc lập có công suất vài trăm nghìn watts, từ 10 đến 100 kW, trên mái nhà. Tóm lại, hệ thống PV độc lập có những lợi thế của việc sử dụng một cấu hình hệ thống đơn giản và sơ đồ điều khiển đơn giản [18].