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

NGUYỄN TRƯỜNG THIÊN AN

TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HCM, tháng 7 năm 2023


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA – ĐHQG – HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Phúc Khải
Cán bộ chấm nhận xét 1: TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm
Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS. TS Huỳnh Châu Duy
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM ngày
15 tháng 7 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
1. Chủ Tịch PGS. TS Vũ Phan Tú
2. Thư Ký TS. Nguyễn Nhật Nam
3. Phản Biện 1 TS. Nguyễn Ngọc Phúc Diễm
4. Phản Biện 2 PGS. TS Huỳnh Châu Duy
5. Uỷ Viên TS. Lê Văn Đại
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành
sau khi luận văn đã được sửa chữa.

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Nguyễn Trường Thiên An

MSHV: 2270056

Ngày, tháng, năm sinh: 09/09/1997

Nơi sinh: TP. HCM

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 8520201

I. TÊN ĐỀ TÀI: Tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời (Topology
reconfiguration in PV system)

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Nắm rõ nguyên lý của pin năng lượng mặt trời và hiện tượng che khuất một phần
2. Nghiên cứu phương pháp tái cấu trúc hệ thống bằng giải thuật Smart – Choice
3. Đề xuất và sử dụng kết hợp tái cấu trúc và cực đại công suất bằng giải thuật P&O
4. Mô phỏng hệ thống, đánh giá, so sánh và kết luận kết quả đạt được
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS. Nguyễn Phúc Khải
TP. HCM, ngày ..... tháng ..... năm 2023
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Thầy TS Nguyễn Phúc Khải, người
đã hướng dẫn em thực hiện luận văn này. Thầy đã truyền đạt những hiểu biết, kinh
nghiệm; cung cấp các tài liệu cần thiết và giải đáp những thắc mắc, vấn đề mà em
gặp phải trong quá trình làm luận văn. Sự tận tình và quan tâm của Thầy chính là
động lực để em cố gắng nghiên cứu và học tập. Một lần nữa, em xin bày tỏ lòng biết
ơn sâu sắc đến Thầy.
Tiếp theo, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến các thầy cô ở Bộ môn, Khoa Điện Điện tử, trường Đại học Bách Khoa Tp. Hồ Chí Minh. Tuy không trực tiếp hướng
dẫn em, nhưng những kiến thức mà thầy cô đã giảng dạy cho em trong suốt những
năm đại học là cơ sở, nền tảng vững chắc giúp em có đủ khả năng để thực hiện luận
văn này.
Song song với đó, xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến bạn Đồng Bá Long và Nguyễn

Huỳnh Đức vì đã đồng hành và hỗ trợ bản thân em trong suốt quá trình thực hiện đề
tài.
Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến gia đình, những người đã luôn bên
cạnh, ủng hộ em, là điểm tựa tinh thần và cũng là động lực chính để em tồn tâm,
tồn ý hồn thành chặng đường này.

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

Nguyễn Trường Thiên An


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
ĐỀ TÀI: TÁI CẤU TRÚC HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Ngày nay, sự cạn kiệt của năng lượng hóa thạch vẫn đang tồn tại như là một thách
thức đối với ngành công nghiệp năng lượng dẫu cho sự ra đời của năng lượng tái tạo.
Những nguồn năng lượng mới được sử dụng hiện nay như năng lượng mặt trời, năng
lượng gió, năng lượng thủy triều, … đã góp phần giảm đáng kể mối lo về vấn đề
khủng hoảng năng lượng toàn cầu. Tuy nhiên, cũng phải thừa nhận rằng năng lượng
tái tạo hiện nay vẫn chưa hồn tồn thay thế được năng lượng truyền thống vì những
nhược điểm mà nó mang lại, chẳng hạn như sự suy giảm thơng số qn tính trong hệ
thống điện hay sự không ổn định mà cụ thể là quá phụ thuộc vào điều kiện mơi trường
để từ đó dẫn đến không đáp ứng được các thông số để đạt được mục đích sử dụng.
Luận văn này tập trung chính vào hệ thống pin năng lượng mặt trời, cụ thể hơn là tối
ưu hóa cơng suất đầu ra cho hệ thống bất kể thời tiết xấu. Một trong những vấn đề
gây suy giảm công suất đến cho những tấm pin năng lượng mặt trời đó là hiện tượng
che khuất một phần. Hiện tượng này không những chỉ làm giảm đáng kể cơng suất
đầu ra mà cịn gây nên hiện tượng hot-spot dẫn đến hư hại tại những tấm pin gặp hiện
tượng che khuất. Ý tưởng để thực hiện nội dung này là sử dụng ma trận các khóa để

thay đổi cấu trúc của mạng lưới kết nối của các tấm pin pin năng lượng mặt. Khơng
những vậy, để tối ưu hóa cũng như kiểm chứng được hiệu quả của việc tái cấu trúc,
tác giả đề xuất sử dụng phương pháp lai (hybrid) bằng cách sử dụng thêm thuật toán
quen thuộc P&O sau khi đã tái cấu trúc mạng lưới pin.
Lý thuyết và mơ phỏng được trình bày theo từng phần nội dung của luận văn. Luận
văn sử dụng phần mềm Matlab – Simulink để mô phỏng hệ thống pin năng lượng mặt
trời cùng ma trận khóa và thuật tốn P&O. Từ đó, so sánh, đánh giá và kết luận về độ
hiệu quả của phương pháp được đề xuất.


iv

THESIS SUMMARY
TOPIC: TOPOLOGY RECONFIGURATION IN PV SYSTEM
Nowadays, the depletion of fossil energy still exists as a challenge for the energy
industry despite the advent of renewable energy. New energy sources are used today
such as solar energy, wind energy, tidal energy, ... contributed to significantly
reducing the concern about the global energy crisis. However, it must also be
acknowledged that renewable energy currently has not completely replaced
traditional energy because of the disadvantages it brings, such as the reduction of
inertia parameters in the power system or the unstable, but specifically too dependent
on environmental conditions, resulting in failure to meet the parameters to achieve
the intended use.
This thesis mainly focuses on the solar battery system, more specifically, optimizing
the output power for the system regardless of bad weather. One of the problems that
causes power loss for solar panels is partial shadding. This not only significantly
reduces the output power, but also causes a hot-spot phenomenon that leads to
damage at the panels that encounter the phenomenon of obscuring. The idea to
implement this content is to use the matrix of keys to change the structure of the
interconnection network of solar cell tấm pins. Not only that, in order to optimize as

well as verify the effectiveness of the reconstruction, the author proposes to use the
hybrid method by using the familiar P&O algorithm after reconfigurating topology
of PV system.
Theory and simulation are presented in each part of the thesis. The thesis uses Matlab
- Simulink software to simulate solar battery system with key matrix and P&O
algorithm. From there, compare, evaluate and conclude on the effectiveness of the
proposed method.


v

LỜI CAM ĐOAN
Tôi tên: Nguyễn Trường Thiên An, là học viên Thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện,
khóa 2022, tại Đại học Quốc gia thành phố Hồ Chí Minh – Trường Đại học Bách
Khoa. Tôi xin cam đoan những nội dung sau đều là sự thật:
• Cơng trình nghiên cứu này hồn tồn do chính tơi thực hiện.
• Các tài liệu và trích dẫn trong luận văn này được tham khảo từ các nguồn thực
tế, có uy tín và độ chính xác cao.
• Các số liệu và kết quả của cơng trình này được tơi tự thực hiện một cách độc
lập và trung thực.
TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 năm 2023

Nguyễn Trường Thiên An


vi

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU ..........................................................................................1
1.1 TỔNG QUAN ...................................................................................................1

1.2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN .................................................................................2
1.2.1 Nhiệm vụ của đề tài....................................................................................2
1.2.2 Giới hạn của đề tài .....................................................................................3
1.2.3 Nội dung thực hiện .....................................................................................3
1.3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................4
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................5
2.1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN .....................5
2.2 PHƯƠNG PHÁP HIỆN HỮU GIẢM TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG CHE
KHUẤT MỘT PHẦN ...........................................................................................10
2.2.1 Sử dụng diode ..........................................................................................10
2.2.2 Cấu hình mạng kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời .........................13
2.2.3 Sử dụng inverter nâng cao công suất .......................................................25
CHƯƠNG 3 GIẢI THUẬT TÁI CẤU TRÚC MẠNG LƯỚI PV ...........................29
3.1 LÝ THUYẾT ..................................................................................................29
3.2 CÁC GIẢI THUẬT ĐƯỢC ĐỀ XUẤT .........................................................31
3.2.1 Thuật toán Dynamic – Subset – sum – rule .............................................31
3.2.2 Thuật toán Best – Worst...........................................................................34
3.2.3 Thuật toán Smart – Choice.......................................................................35
3.3 HỆ THỐNG MA TRẬN KHOÁ ĐỂ THỰC HIỆN TÁI CẤU TRÚC...........37
3.4 PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT – SỬ DỤNG CẤU HÌNH HYBRID KẾT HỢP
GIỮA TÁI CẤU TRÚC VÀ TỐI ƯU CƠNG SUẤT ..........................................39
3.4.1 Giải thuật tối ưu cơng suất P&O ..............................................................40


vii

3.4.2 Giải thuật kết hợp tái cấu trúc cùng tối ưu công suất cho hệ thống pin mặt
trời .....................................................................................................................44
CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG ......................................................................46
4.1 CÔNG CỤ MÔ PHỎNG MATLAB – SIMULINK .......................................46

4.2 MƠ PHỎNG THUẬT TỐN SMART-CHOICE ..........................................48
4.3 MƠ PHỎNG THUẬT TOÁN KẾT HỢP SMART – CHOICE VÀ P&O .....59
4.4 SO SÁNH – ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ..............................................................63
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...........................................68
5.1 ĐÁNH GIÁ .....................................................................................................68
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................70


viii

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Sơ đồ mạch tương đương lý tưởng .............................................................5
Hình 2.2: Sơ đồ mạch tương đương thực tế ................................................................6
Hình 2.3: Thơng số kỹ thuật và đặc tính I-V v à P-V .................................................7
Hình 2.4: Đặc tính I-V và P-V của tấm pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi............7
Hình 2.5: Tấm pin với chuỗi n tế bào quang điện .......................................................8
Hình 2.6: Đặc tính I-V và P-V của pin khi một tế bào bị che nắng ..........................10
Hình 2.7:Mạch tương đương và điện áp trên tế bào quang điện ...............................11
Hình 2.8:Hoạt động của tế bào quang điện có diode bypass ....................................11
Hình 2.9: Hoạt động của một dãy pin quang điện nạp điện trực tiếp cho bộ acquy 65V
...................................................................................................................................12
Hình 2.10: Hoạt động của dãy pin mắc song song và bị che sáng một phần ............13
Hình 2.11: Các cấu hình liên kết tấm pin khác nhau: (a) Simple-Series, (b) Parallel,
(c) Series-Parallel, (d) Total-Cross-Tied (TCT), (e) Bridge – Link (BL), (f) Honey –
Comb (HC) ................................................................................................................14
Hình 2.12: Phần tử Solar Cell trong Simulink – Matlab và thơng số để áp dụng mơ
phỏng .........................................................................................................................15
Hình 2.13: Cấu hình mạng PV nối tiếp mơ phỏng trong trường hợp bị che khuất một
phần ...........................................................................................................................16

Hình 2.14: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình nối tiếp được mơ phỏng .....16
Hình 2.15: Cấu hình PV song song mơ phỏng trong trường hợp bị che khuất một phần
...................................................................................................................................17
Hình 2.16: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình song song được mơ phỏng .18
Hình 2.17: Cấu hình PV nối tiếp – song song mô phỏng trong trường hợp bị che khuất
một phần ....................................................................................................................19
Hình 2.18: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Series-Parallel được mơ phỏng
...................................................................................................................................19
Hình 2.19: Cấu hình PV TCT mơ phỏng[ trong trường hợp bị che khuất một phần 20
Hình 2.20: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình TCT được mơ phỏng .........20


ix

Hình 2.21: Cấu hình PV Bridge – Link mơ phỏng trong trường hợp bị che khuất một
phần ...........................................................................................................................21
Hình 2.22: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Bridge – Link được mơ phỏng
...................................................................................................................................21
Hình 2.23: Cấu hình PV Honey – Comb mô phỏng trong trường hợp bị che khuất một
phần ...........................................................................................................................22
Hình 2.24: Đặc tính làm việc I-V và P-V của cấu hình Honey – Comb được mơ phỏng
...................................................................................................................................22
Hình 2.25: So sánh đặc tính làm việc của 4 cấu hình trong cùng một điều kiện bị che
khuất ..........................................................................................................................24
Hình 2.26: So sánh điểm làm việc cực đại của 4 cấu hình .......................................24
Hình 2.27: Hệ thống Tấm pin với Distributed MPPT ...............................................25
Hình 2.28: Cấu hình inverter trung tâm ....................................................................26
Hình 2.29: Cấu hình inverter nối tiêp .......................................................................27
Hình 2.30: Cấu hình inverter nối tiếp – trung tâm ....................................................27
Hình 2.31: Cấu hình inverter tại mỗi tấm pin ...........................................................28

Hình 3.1: Mạng lưới pin được cấu hình theo dạng TCT...........................................29
Hình 3.2: a) Cấu hình trước khi tái cấu trúc; b) Cấu hình sau khi tái cấu trúc .........30
Hình 3.3: Cấu hình TCT trong ví dụ thuật tốn Dynamic Subset Rule ....................31
Hình 3.4: Bước 2 tái cấu trúc theo Subset – Sum – Rule..........................................32
Hình 3.5: Bước 3 tái cấu trúc theo Subset – Sum – Rule..........................................32
Hình 3.6: Cách thức thực hiện thuật toán Subset – Sum – Rule chi tiết ...................33
Hình 3.7: Bước 5 tái cấu trúc theo Subset – Sum – Rule..........................................33
Hình 3.8: Cấu hình TCT sau khi tái cấu trúc ............................................................34
Hình 3.9: Các bước thực hiện thuật tốn Best – Worst Sorting ................................34
Hình 3.10: Thuật tốn Best – Worst, tối giản các bước lặp lại và sắp xếp theo cột .35
Hình 3.11: Cấu hình TCT 4x4 ban đầu, được tái cấu trúc bằng Smart – Choice .....36
Hình 3.12: Vector sau khi sắp xếp từ cấu hình ban đầu............................................36
Hình 3.13: Bước 2 thuật tốn Smart – Choice ..........................................................36
Hình 3.14: Bước 3 thuật tốn Smart – Choice ..........................................................36


x

Hình 3.15: Hồn thiện tái cấu trúc theo thuật tốn Smart – Choice .........................37
Hình 3.16: Hồn thiện tái cấu trúc theo thuật tốn Best – Worst .............................37
Hình 3.17: Cấu hình hệ thống ma trận khố – DES ..................................................38
Hình 3.18: Khố đóng ngắt cho hệ thống NLMT 9 tấm pin dạng TCT ...................39
Hình 3.19: Đặc tính I-V, P-V và điểm làm việc cực đại (MPP) của pin quang điện
...................................................................................................................................40
Hình 3.20: Đường đặc tính P-V và thuật tốn P&O .................................................41
Hình 3.21: Cách xác định MPP trên đặc tính P-V ....................................................42
Hình 3.22: Lưu đồ giải thuật P&O ............................................................................42
Hình 3.23: Cấu hình bộ biến đổi DC - DC Boost với khoá điều khiển bằng xung vng
...................................................................................................................................43
Hình 3.24: Sơ đồ thực hiện giải thuật kết hợp Smart – Choice và P&O ..................44

Hình 4.1: Phần tử PV Array trong phần mềm Matlab – Simulink ...........................46
Hình 4.2: Các thông số cơ bản của một tấm pin pin quang điện trong hệ thống mơ
phỏng .........................................................................................................................47
Hình 4.3: Đồ thị I-V và P-V ứng với tấm pin mơ phỏng ..........................................47
Hình 4.4: Lưu đồ các bước thực hiện mô phỏng tái cấu trúc bằng Smart – Choice .48
Hình 4.5: Hệ thống pin năng lượng mặt trời mơ phỏng ban đầu ..............................49
Hình 4.6: Khối Matlab Function trong Simulink ......................................................49
Hình 4.7: Khối Ideal Switch trong Simulink ............................................................50
Hình 4.8: Khối điều khiển khóa trong DES ..............................................................51
Hình 4.9: Cấu hình tổng qt của bộ khóa chuyển đổi DES ....................................52
Hình 4.10: Mơ phỏng Diode bypass cho hệ thống pin năng lượng mặt trời.............53
Hình 4.11: Thơng số nhiệt độ và bức xạ đầu vào của các tấm pin trong hệ thống mơ
phỏng .........................................................................................................................56
Hình 4.12: Đặc tính I – V của hệ thống trước và sau khi tái cấu trúc .......................56
Hình 4.13: Đặc tính P – V của hệ thống trước và sau khi tái cấu trúc ......................57
Hình 4.14: Mơ phỏng tồn bộ hệ thống tái cấu trúc trong Simulink .......................58
Hình 4.15: Bộ DC – DC boost trong hệ thống mơ phỏng .........................................59
Hình 4.16: Khối điều khiển MOSFET ......................................................................60


xi

Hình 4.17: Giải thuật P&O cùng bộ điều khiển PI điều chế sóng mang PWM ........60
Hình 4.18: Mơ phỏng hệ thống pin năng lượng mặt trời sử dụng phương pháp kết hợp
giữa tái cấu trúc và bắt điểm công suất cực đại ........................................................61
Hình 4.19: Lưu đồ các bước thực hiện phương pháp tích hợp .................................62
Hình 4.20: Giá trị điện áp và dòng điện của hệ thống sau tái cấu trúc và tối ưu cơng
suất ............................................................................................................................63
Hình 4.21: So sánh giá trị cơng suất của hệ thống tại trường hợp 1 .........................64
Hình 4.22: So sánh giá trị công suất của hệ thống tại trường hợp 2 .........................64

Hình 4.23: So sánh giá trị cơng suất của hệ thống tại trường hợp 3 .........................64
Hình 4.24: So sánh giá trị công suất của hệ thống tại trường hợp 4 .........................65
Hình 4.25: So sánh giá trị công suất của hệ thống giữa hai phương pháp tại tất cả các
trường hợp .................................................................................................................66
Hình 4.26: Sự thay đổi cơng suất khi các trường hợp làm việc thay đổi liên tục .....66


xii

MỤC LỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2-1: Bảng so sánh thông số điểm làm việc cực đại của từng cấu hình kết hợp
...................................................................................................................................23
Bảng 4-1: Vị trí và lượng bức xạ nhận được của mỗi tấm pin trong hệ thống mô phỏng
...................................................................................................................................54
Bảng 4-2: Vị trí và lượng bức xạ trước và sau tái cấu trúc bằng giải thuật Smart –
Choice........................................................................................................................55
Bảng 4-3: Các trường hợp thực hiện mô phỏng........................................................62
Bảng 4-4: So sánh giá trị công suất của hệ thống .....................................................65


1

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU
1.1 TỔNG QUAN
Mức tiêu thụ năng lượng điện năng đang gia tăng rất nhanh trên phạm vi tồn thế
giới, do đó nhu cầu về các nhà máy sản xuất điện cũng cần được quan tâm để đáp ứng
nhu cầu sử dụng điện. Theo kết quả của một báo cáo [1], là một nước tiêu thụ điện
đứng thứ 4 thế giới và thứ 3 về sản xuất năng lượng điện, Ấn Độ hồn tồn có đủ khả
năng để khai thác các dạng năng lượng hữu hạn và vô hạn. Ví dụ năng lượng khí đốt
như dầu, than đá, khí gas và năng lượng hóa thạch. Việc sử dụng dạng năng lượng

truyền thống này hoàn toàn gây hại đến hệ sinh thái do khí thải nhà kính và các tác
động sinh hóa khác vì vậy địi hỏi phải sử dụng các năng lượng tái tạo như năng lượng
mặt trời, địa nhiệt, gió, v.v. Năng lượng mặt trời, do phổ biến rộng rãi dễ tiếp cận
trong tự nhiên, có thể được coi là nguồn tài nguyên tái tạo quan trọng và cần thiết
nhất [2].
Mặt khác, các mơ-đun PV tuy có hiệu năng chưa tối ưu nhưng đã là một lựa chọn
tuyệt vời cho nhiều ứng dụng, bao gồm các công trình thương mại và dân cư, triển
khai nơng thơn, hệ thống bơm nước và xe điện. Ngoài ra, nhiệt độ môi trường xung
quanh (T) và bức xạ mặt trời (G) có tác động lớn đến lượng điện PV được tạo ra. Hai
đại lượng này xác định điểm công suất tối đa (MPP) của mơ-đun PV. Nhiều khó khăn
nảy sinh do tính chất phi tuyến tính của mơ-đun PV: (a) hiệu suất chuyển đổi kém
của các mô-đun PV làm hạn chế lượng năng lượng do mặt trời cung cấp [3], (b) Chi
phí sản xuất PV trên mỗi kW đắt đỏ, ( c) Năng lượng quang điện mặt trời (PV) dao
động liên tục do thay đổi nhiệt độ và bức xạ, và (d) hiện tượng che khuất một phần,
các mô-đun PV không hoạt động tốt như hoạt động của nó trong điều kiện bình
thường. Do các yếu tố đã nói ở trên, sự khác biệt giữa sản lượng năng lượng thực tế
và năng lượng khai thác xảy ra.
Nhiều chuyên gia hiện nay đang nghiên cứu các phương pháp để có thể nâng cao
hiệu suất chuyển đổi năng lượng của các tấm pin PV xuống giá thấp nhất trên mỗi
kW [4], [5]. Hơn thế nữa, các phương pháp tối ưu công suất như dị tìm điểm cơng
suất cực đại (MPPT) đã được phát minh để nâng cao công suất đầu ra cho hệ thống
pin PV [6]. MPPT là một thuật toán đi kèm theo các bộ chuyển đổi (nghịch lưu) và


2

tải. Cụ thể hơn tại từng điều kiện môi trường khác nhau, hệ thống sẽ được vận hành
tại điểm có cơng suất cực đại (MPP) [7]. Tuy đã có rất nhiều các phương pháp, song
hiện tượng che khuất một phần ln là vấn đề quan trọng vì khơng những nó làm
giảm thiểu đáng kể công suất đầu ra của hệ thống mà còn gây các hiện tượng hư hại

đến pin mặt trời (hiện tượng “hot-spot” tại tấm pin bị che khuất). Để phần nào giải
quyết vấn đề đó, các nhà nghiên cứu trong vài năm trở lại đây đã phát triển và tiên
phong trong việc tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời, phương pháp này
được thực hiện bằng cách thay đổi vị trí các tấm pin trong hệ thống để tránh những
tác hại mà hiện tượng che khuất một phần gây ra.
1.2 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN
Với những nội dung được đặt ra ở trên, việc năng lượng tái tạo sẽ sớm trở thành
năng lượng chính thay thế năng lượng truyền thống đã rất rõ ràng. Cùng với đó, việc
nghiên cứu để ngày càng hồn thiện các chức năng và hạn chế các khuyết điểm của
dạng năng lượng này là hết sức cần thiết – mà đáng quan tâm nhất là hệ thống năng
lượng mặt trời sử dụng các tấm pin PV. Dưới đây là nhiệm vụ đặt ra và hướng giải
quyết của đề tài luận văn này.
1.2.1 Nhiệm vụ của đề tài
Nhiệm vụ chính của luận văn là tìm hiểu về ảnh hưởng của hiện tượng che khuất
một phần lên hệ thống pin năng lượng mặt trời. Từ đó, đề xuất cách giải quyết bằng
lý thuyết và mô phỏng lại hệ thống khi sử dụng phương pháp kết hợp tái cấu trúc và
tối ưu công suất. Kết quả được ghi nhận trong q trình mơ phỏng sẽ được so sánh,
đánh giá và kết luận.
Các nhiệm vụ được chia nhỏ như sau:
• Nắm vững lý thuyết mạch của hệ thống pin năng lượng mặt trời từ
nguyên lý, cấu hình và cách lắp đặt, đặc biệt cần hiểu rõ bản chất của
hiện tượng che khuất một phần.
• Nghiên cứu các phương pháp hiện hữu đã được xây dựng và ứng dụng
trong thực tế để nâng cao công suất đầu ra cho hệ thống.


3

• Nghiên cứu phương pháp mới trong đó có tái cấu trúc hệ thống nhằm
giảm thiểu ảnh hưởng của hiện tượng che khuất và tối ưu cơng suất của

hệ thống.
• Đề xuất phương pháp mới bằng cách kết hợp hai phương pháp vào hệ
thống: sử dụng thuật toán Smart – Choice để tái cấu trúc kết hợp với thuật
tốn P&O.
• Triển khai hệ thống, ghi nhận, so sánh, đánh giá kết quả được mô phỏng
trên phần mềm Matlab – Simulink.
1.2.2 Giới hạn của đề tài
Luận văn trình bày phương pháp tái cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng
ma trận khoá. Hệ thống ma trận khoá này cần có số lượng khố lớn để thực hiện thay
đổi vị trí tấm pin trong mạng lưới kết nối. Với hạn chế thiết bị cá nhân, luận văn mô
phỏng một hệ thống điện mặt trời đơn giản dưới dạng 3x3 cùng 54 khố đóng ngắt.
Do đó, đề tài chỉ đang phù hợp với các hệ thống năng lượng mặt trời áp mái hộ gia
đình. Ngồi ra, do hạn chế về nguồn dữ liệu thực tế, tác giả thực hiện mô phỏng bằng
cách giả định các trường hợp làm việc với các lượng bức xạ khác nhau mà chưa thể
hiện được sự thay đổi liên tục các điều kiện làm việc khác nhau trong thực tế.
1.2.3 Nội dung thực hiện
Luận văn được trình bày theo các nội dung sau:
• Chương 1: Giới thiệu – Trình bày tổng quan về đề tài, tính cấp thiết và
nội dung được thực hiện trong luận văn.
• Chương 2: Cơ sở lý thuyết – Trình bày lý thuyết về hệ thống năng lượng
mặt trời cùng hiện tượng che khuất một phần. Nghiên cứu kĩ hơn về các
phương pháp hiện hữu ngày nay, thực hiện mô phỏng các cấu hình PV
trong cùng một điều kiện che khuất để từ đó lựa chợn được mơ hình tối
ưu nhất cho việc tái cấu trúc hệ thống.
• Chương 3: Giải thuật tái cấu trúc mạng lưới PV – Trình bày cơ sở lý
thuyết để thực hiện phương pháp. Giới thiệu và hiểu rõ các thuật toán


4


được sử dụng để thực hiện tái cấu trúc qua đó đề xuất phương pháp kết
hợp sử dụng 2 giải thuật Smart – Choice và P&O.
• Chương 4: Kết quả mô phỏng – Thực hiện mô phỏng hệ thống bằng phần
mềm Matlab – Simulink. Kết quả được ghi nhận sẽ được so sánh, đánh
giá và kết luận tính hiệu quả của phương pháp được đề xuất.
• Chương 5: Kết luận và hướng phát triển – Kết hợp kết quả của phương
pháp đề xuất cùng các nghiên cứu gần nhất để đưa ra nhận định về tính
khả quan, độ hiệu quả. Từ đó cũng đưa ra các khuyết điểm của phương
pháp và đề xuất hướng cải thiện tiếp tục cho tương lai.
1.3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
-

PV module: Photovoltaic module (tấm pin năng lượng mặt trời)

-

MPPT: Maximum power point tracker (bám điểm cơng suất cực đại)

-

SP: Series – Parallel (cấu hình nối tiếp – song song)

-

TCT: Total Cross Tied (cấu hình song song – nối tiếp)

-

BL: Bridge – Link


-

HC: Honey – Comb

-

DES: Dynamic Electrical Scheme (hệ thống ma trận khoá)

-

PWM: Pulse Width Modulation (điều chế độ rộng xung)


5

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 TỔNG QUAN VỀ HIỆN TƯỢNG CHE KHUẤT MỘT PHẦN
Để tìm hiểu và phân tích hiện tượng che khuất một phần xuất hiện trong hệ thống
pin năng lượng mặt trời, mạch tương đương và đặc tính của tấm pin quang điện cũng
cần được nắm vững và hiểu rõ [8].
Mạch tương đương của pin mặt trời bao gồm một diode lý tưởng mắc song song với
một nguồn dịng lý tưởng có chiều như trên hình 2.1. Nguồn dòng cung cấp một dòng
tỉ lệ với độ chiếu nắng trên tế bào quang điện. Tuy nhiên, một tấm pin quang điện
trong thực tế là dãy gồm các tế bào quang điện ghép nối tiếp với nhau, do mỗi tế bào
quang điện chỉ sinh ra điện áp khoảng 0.5 – 0.6 V khi được chiếu sáng. Với mạch
tương đương đơn giản như hình 2.1, nếu một tế bào quang điện trong một dãy ghép
nối tiếp không được chiếu sáng thì sẽ khơng có dịng điện chạy qua dãy tế bào đó.
Điều này trong thực tế là khơng hồn tồn đúng, vì trong trường hợp này dãy tế bào
vẫn có thể cung cấp dòng điện ở ngõ ra mặc dù cơng suất có thể giảm đáng kể. Mạch
tương đương chính xác hơn của tế bào quang điện như ở hình 2.2, trong đó Rp là điện

trở song song đặc trưng cho dòng rò của tế bào quang điện, Rs là điện trở nối tiếp đặc
trưng cho tiếp xúc giữa phiến bán dẫn và điện cực kim loại và điện trở của chính
phiến bán dẫn của tế bào quang điện. Dịng điện đi qua tải được thể hiện qua phương
trình (2.1)

 q(V + IR s    V + IR s 
I = I sc − I o  exp 

 − 1 −  R
 kT
  

p


Hình 2.1: Sơ đồ mạch tương đương lý tưởng

(2.1)


6

Hình 2.2: Sơ đồ mạch tương đương thực tế

Vì đặc tính I-V của pin quang điện thay đổi theo độ nắng và nhiệt độ của pin, nên để
có thể so sánh các tấm pin pin quang điện khác nhau, nhà sản xuất thường cung cấp
số liệu về đặc tính pin ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC – Standard Test
Condition). Điều kiện tiêu chuẩn này bao gồm: pin được chiếu sáng với ánh sáng mặt
trời có cơng suất chiếu sáng là 1kW/m2 (tương ứng với air-mass ratio là 1.5 – AM
1.5), và nhiệt độ của pin là 25C (lưu ý đây là nhiệt độ của tế bào quang điện, không

phải nhiệt độ môi trường). Những thông số của pin được cung cấp trong điều kiện
thử nghiệm tiêu chuẩn thường là: I sc , Voc , công suất cực đại của pin Pmax , v.v…
Cần lưu ý là với độ chiếu nắng cho trước, công suất ra của pin phụ thuộc vào đặc tính
tải và sẽ đạt giá trị cơng suất cực đại gần điểm cánh chỏ (knee-point) của đặc tính IV. Đặc tính I-V và P-V (cơng suất theo điện áp ra) của pin quang điện với các độ
chiếu nắng khác nhau sẽ khác nhau, hình 2.3 thể hiện đặc tính I-V, P-V của pin quang
điện STP240-20/Wde thương hiệu SUNTECH với từng mức độ chiếu sáng khác
nhau.


7

Hình 2.3: Thơng số kỹ thuật và đặc tính I-V v à P-V
của pin quang điện STP240-20/Wde, SUNTECH

Hình 2.3 cho thấy ở cùng một nhiệt độ, khi độ chiếu nắng lên pin thay đổi, dòng
ngắn mạch I sc của pin thay đổi đáng kể trong khi điện áp hở mạch Voc biến thiên ít.
Ngược lại, hình 2.4 cho đặc tính I-V và P-V của một pin quang điện khi nhiệt độ
của pin thay đổi trong khi độ chiếu nắng trên pin khơng đổi. Có thể thấy rằng trong
trường hợp này I sc biến thiên không đáng kể trong khi Voc thay đổi nhiều, khiến đặc
tính của pin cũng thay đổi theo nhiệt độ. Lưu ý là đặc tính này, có thể suy ra răng
nhiệt độ môi trường giảm, pin quang điện có thể cung cấp cơng suất ra lớn hơn,
nghĩa là hoạt động tốt hơn.

Hình 2.4: Đặc tính I-V và P-V của tấm pin quang điện khi nhiệt độ thay đổi


8

Ngồi ra, nhiệt độ của pin cịn phụ thuộc vào độ chiếu nắng pin nhận được. Vì chỉ
một phần nhỏ công suất trong ánh sáng mặt trời chuyển tới pin chuyển thành điện

năng và cung cấp cho mạch ngoài, phần còn lại sẽ được chuyển thành nhiệt năng làm
tăng nhiệt độ của pin.
Yếu tố đặc biệt và quan trọng hơn cả khi sử dụng hệ thống pin mặt trời trong thực
tế là ảnh hưởng của việc chiếu nắng không đều (hay che khuất một phần). Điều này
ảnh hưởng nghiêm trọng đến đặc tính làm việc của pin quang điện. Cơng suất ra của
pin quang điện có thể bị suy giảm nghiêm trọng nếu được chiếu sáng không đều: chỉ
cần một tế bào quang điện trong chuỗi tế bào của pin bị che khuất, cơng suất ra của
pin có thể giảm đi đến một nửa.
Hình 2.5a giả thiết chỉ có một tế bào trong dãy n – tế bào quang điện mắc nối tiếp
của một tấm pin bị che nắng. Để dễ tính tốn, ta giả thiết là chỉ có tế bào phía trên
cùng bị che nắng trong khi n – 1 tế bào còn lại được chiếu nắng như nhau (vị trí của
tế bào bị che nắng khơng ảnh hướng đến kết quả tính tốn). Mạch tương đương của
pin quang điện trong trường hợp này được thể hiện trên hình 2.5b.

Hình 2.5: Tấm pin với chuỗi n tế bào quang điện

Trong trường hợp tất cả các tế bào trong dãy được chiếu nắng như nhau (hình 2.5a),
dịng điện I qua các tế bào quang điện là như nhau. Trong trường hợp tế bào quang
điện trên cùng bị che nắng hoàn tồn như hình 2.5b, dịng I sc của tế bào này là bằng
0. Với chiều của dòng điện I như hình vẽ, điện áp rơi trên Rp sẽ phân cực diode trong


9

mạch tương đương của tế bào trên cùng, và do đó diode này sẽ tắt. Như vậy, dịng
điện của tấm pin sẽ phải đi qua điện trở Rp và Rs của tế bào bị che nắng, làm giảm
đáng kể dòng và điện áp ra của tấm pin.
Giả thiết n – 1 tế bào quang điện còn lại được chiếu nắng như nhau, phần này sẽ sản
sinh ra dòng điện I và điện áp Vn −1 . Điện áp ra của tấm pin pin trong trường hợp này
sẽ là:

VSH = Vn-1 − I ( RP + RS )

(2.2)

Gọi điện áp ra của pin khi được chiếu nắng toàn bộ cả n – tế bào là V, như vậy, điện
áp ra khi có n – 1 tế bào được chiếu nắng sẽ là:
 n −1 
Vn −1 = 
V
 n 

(2.3)

Kết hợp phương trình 2.2 và 2.3, ta có:
 n −1 
VSH = 
 V − I ( RP + RS )
 n 

(2.4)

So với khi toàn bộ tấm pin với n – tế bào được chiếu nắng, độ sụt áp ở ngõ ra của
tấm pin khi có một tế bào bị che nắng toàn bộ là
V
 1
V = V − VSH = V − 1 −  V + I ( RP + RS ) = + I ( RP + RS )
n
 n

Vì RP


(2.5)

RS , ta có:
V =

V
+ IRP
n

(2.5)

Đặc tính I-V, P-V của tấm pin pin quang điện khi có một tế bào (cell) bị che nắng
được vẽ trên hình 2.6. Lưu ý là với cùng một dòng điện I, điện áp ngõ ra của tấm pin
suy giảm mạnh dù chỉ có một tế bào bị che nắng. Ngồi ra, khi một tế bào bị che nắng
sẽ sinh ra một công suất tổn hao, công suất này chuyển thành nhiệt, làm nóng cục bộ
tại tấm pin bị che nắng. Hiện tượng này mang tên “hot-spot”, có thể làm hư hỏng làm
vỏ plastic bảo vệ hoặc thậm chí hư hỏng cả tấm pin.


10

Hình 2.6: Đặc tính I-V và P-V của pin khi một tế bào bị che nắng

2.2 PHƯƠNG PHÁP HIỆN HỮU GIẢM TÁC ĐỘNG CỦA HIỆN TƯỢNG
CHE KHUẤT MỘT PHẦN
Có rất nhiều cách tiếp cận để giảm ảnh hưởng của hiện tượng che khuất một phần,
chủ yếu được chia thành 2 loại chính [9]:
-


Cấu hình mạng lưới pin tĩnh (Static PV array reconfiguration – SPAR)

-

Cấu hình mạng lưới pin động (Dynamic PV array reconfiguration – DPAR)

Đối với mạng lưới pin tĩnh, cấu hình cũng như vị trí của các tấm pin năng lượng mặt
trời được giữ cố định theo thiết kế ban đầu. Do đó, người thiết kế cần phải khảo sát
địa hình cũng như điều kiện làm việc để từ đó lên phương án tối ưu nhất cho hệ thống.
Một số phương pháp có thể kể đến là sử dụng diode, cấu hình kết nối các tấm pin phù
hợp hoặc liên kết các tấm pin với inverter theo các tối ưu nhất.
2.2.1 Sử dụng diode
Để khắc phục tình trạng dịng điện và công suất ra của pin quang điện bị giảm mạnh
khi bị che nắng một phần, ta thường sử dụng bypass diode mắc song song ngược với
pin quang điện.


11

Hình 2.7:Mạch tương đương và điện áp trên tế bào quang điện

Hình 2.7 cho thấy hoạt động của một tế bào quang điện trong trường hợp khơng có
diode bypass. Trong hình 2.7a, khi khơng bị che nắng, điện áp ngõ ra tế bào quang
điện là ~ +0.5V. Khi bị che nắng, điện áp này có chiều ngược lại và có giá trị cao hơn
nhiều do lúc này dòng điện (giả thiết tế bào quang điện này đang mắc nối tiếp với
những tế bào khác) chạy qua điện trở nội của tế bào gây ra sụt áp. Hình 2.8 cho thấy
hoạt động của tế bào quang điện trong trường hợp có diode bypass mắc song song
ngược với tế bào. Khi tế bào hoạt động bình thường, hình 2.8a, diode bypass khơng
hoạt động do bị phân cực ngược (điện áp ra của tế bào lúc này là ~ +0.5V). Khi tế
bào bị che sáng, nếu có dịng chạy qua nội trở RP của tế bào sẽ sinh ra điện áp đủ

phân cực thuận diode bypass, và làm diode này dẫn. Khi đó dòng điện sẽ chạy qua
diode bypass và điện áp ngõ ra của tế bào quang điện lúc này chỉ cỡ - 0.6V.

Hình 2.8:Hoạt động của tế bào quang điện có diode bypass

Trong tấm pin pin quang điện thực tế, thường không thể gắn diode bypass với mọi
tế bào quang điện, nhưng nhà sản xuất thường gắn một diode bypass ở ngõ ra của tấm