Nghiên cứu giải pháp nâng cao hiệu quả bám điểm công suất cực đại dàn pin điện mặt trời dưới điều kiện có bóng che

ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 39
NGHIÊN CỨU GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ
BÁM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI DÀN PIN ĐIỆN MẶT TRỜI
DƯỚI ĐIỀU KIỆN CÓ BÓNG CHE
Nguyễn Viết Ngư, Lê Thị Minh Tâm
 Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Hưng Yên
Ngày tòa soạn nhận được bài báo: 30/02/2020 
Ngày phản biện đánh giá và sửa chữa: 12/04/2020
Ngày bài báo được duyệt đăng: 22/5/2020
Tóm tắt:
Bài báo đề xuất phương pháp điều khiển tối ưu đa điểm PSO, mô phỏng MPPT. Kết quả cho thấy hệ 
thống luôn bám chính xác điểm công suất cực đại, thời gian quá độ ngắn, độ quá điều chỉnh nhỏ dàn pin 
PV khi không có bóng che và có bóng che, dao động quanh điểm công suất cực đại không đáng kể dẫn đến 
hao tổn công suất của dàn Pin PV nhỏ.
Từ khóa: Bám sát điểm công suất cực đại (MPPT), Bóng che, Thuật tối ưu đa điểm (PSO), Dàn Pin PV.
1. Mở đầu
Phương pháp tối ưu đa điểm là một trong 
những thuật toán xây dựng dựa trên khái niệm trí 
tuệ bầy đàn để tìm kiếm lời giải cho các bài toán 
tối ưu hóa trên một không gian tìm kiếm nào đó. 
Phương pháp tối ưu đa điểm là một dạng của các 
thuật toán tiến hóa quần thể, với sự tương tác giữa 
các cá thể trong một quần thể để khám phá một 
không gian tìm kiếm. PSO là kết quả của sự mô 
hình hóa việc đàn chim bay đi tìm kiếm thức ăn cho 
nên nó thường được xếp vào các loại thuật toán có 
sử dụng trí tuệ bầy đàn. Được giới thiệu vào năm 
1995 tại một hội nghị của IEEE bởi James Kennedy 
và Russell C.Eberhart [1].
PSO khác với các phương pháp tối ưu khác ở 
các điểm sau: PSO sử dụng sự tương tác giữa các cá 
thể trong một quần thể để khám phá không gian tìm 
kiếm; PSO tìm kiếm từ một số điểm trong không 
gian n chiều chứ không phải từ một điểm; PSO sử 
dụng các thông tin về hàm mục tiêu chứ không phải 
đạo hàm hay những đại lượng phụ khác; PSO sử 
dụng các luật chuyển đổi theo xác suất, chứ không 
phải các luật chuyển đổi tiền định; PSO đòi hỏi một 
tập hợp các thông số tự nhiên của bài toán tối ưu để 
tìm ra điểm tối ưu trong không gian tìm kiếm. 
Bên cạnh đó thuật toán PSO có tính chất: 
Trọng lượng quán tính không đổi; Động lực quán 
tính và vận tốc tối đa giảm; Thời gian theo dõi phụ 
thuộc là nhỏ nhất; Có sử dụng thông số nén; Tốc độ 
tuyến tính của trọng lượng quán tính giảm; Sử dụng 
phương pháp tối ưu hóa rời rạc; Có thể tăng tốc độ 
tìm kiếm địa phương tốt hơn với chi phí cao hơn và 
khả năng hội tụ sớm hơn; Khả năng tìm kiếm cục 
bộ tăng nhanh và đạt được bằng thuật toán sửa đổi. 
PSO được khởi tạo bằng một nhóm cá thể 
ngẫu nhiên và sau đó tìm nghiệm tối ưu bằng cách 
cập nhật các thế hệ. Trong mỗi thế hệ, mỗi cá thể 
được cập nhật theo hai vị trí tốt nhất. Giá trị thứ nhất 
là vị trí tốt nhất mà nó đã từng đạt được cho tới thời 
điểm hiện tại, gọi là P
best
. Một nghiệm tối ưu khác 
mà cá thể này bám theo là nghiệm tối ưu toàn cục 
G
best
, đó là vị trí tốt nhất trong tất cả quá trình tìm 
kiếm từ trước tới thời điểm hiện tại. Nói cách khác, 
mỗi cá thể trong quần thể cập nhật vị trí của nó theo 
vị trí tốt nhất của nó và của cả quần thể tính tới thời 
điểm hiện tại.
Khi dàn pin PV bị bóng che một phần đường 
cong đặc tính đầu ra của dàn pin PV sẽ xuất hiện 
nhiều điểm cực trị và nhiều vùng biến thiên khác 
nhau. Các điểm cực trị và các vùng này biến thiên 
một cách ngẫu nhiên theo vị trí của bóng che, bài 
báo sử dụng thuật toán PSO thực hiện MPPT của 
dàn pin PV là rất hiệu quả.
2. Ứng dụng thuật toán PSO điều khiển bám 
điểm công suất cực đại khi đặc tính dàn pin điện 
mặt trời dưới điều kiện có bóng che
2.1. Điều khiển MPPT bằng thuật toán PSO
Ứng dụng thuật toán PSO trong MPPT hệ 
thống điện năng lượng mặt trời cho mỗi phần tử 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology40 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
trong quần thể được xác định bởi hai tham số là điện 
áp làm việc và bước nhảy điện áp. Trong mỗi một 
lần lặp, điện áp làm việc và bước nhảy điện áp của 
phần tử có một giá trị tối ưu hơn lần trước đó và chỉ 
có một phần tử đến thời điểm hiện tại tìm được giá 
trị điện áp làm việc tối ưu, gọi là giá trị tối ưu riêng 
U
pi
. Tất cả các phần tử đến thời điểm hiện tại đều 
tìm được một giá trị điện áp làm việc tối ưu, gọi là 
giá tối ưu quần thể U
g
. Như vậy, quá trình tìm kiếm 
bằng cách trao đổi và học tập lẫn nhau trong quá 
trình tìm kiếm thông tin điện áp làm việc của phần 
tử liên tục được cập nhật lặp đi lặp lại, từ đó mà có 
thể tìm được điện áp tại điểm công suất cực đại.
Điện áp làm việc U
i
 và bước nhảy điện áp ∆U
i
của phần tử được lựa chọn theo công thức dưới đây 
[2][3]:
1 1
1 1 2 2
1
w ( ) ( ),k k k k k k ki i pi i g i i
k k
i i
U U c r U U c r U U U
U U
+ +
+
∆ = ∆ + − + −
= + ∆
(1)
{ }( )
1
1 1
1
1 2
, ( ) ( );
, ( ) ( );
ax ( ), ( ),..., ( )
k k k
i i pik
pi k k k
pi i pi
k k k
g p p pn
U f U f U
U
U f U f U
U f m f U f U f U
−
− −
−
 >=  ≤
= (2)
Trong đó, số phần tử i = 1,2,...,n; k là số lần lặp lại; 
w là trọng số quán tính; c
1
 và c
2
 là hệ số gia tốc, r
1
và r
2
 là số ngẫu nhiên phân bố trong khoảng [0,1]; ƒ 
là hàm số công suất của dàn pin PV.
Khởi tạo tham số
Trước khi vận hành phương pháp, cần phải tiến 
hành khởi tạo các tham số bao gồm: w, c
1
, c
2
, i...[4]. 
Trong đó, việc lựa chọn số phần tử i có vai trò rất 
quan trọng, quyết định đến thời gian và tính chính 
xác của quá trình dò tìm điểm công suất cực đại:
- Nếu lựa chọn số phần tử i nhiều thì thời gian 
tìm được các điểm công suất cực trị nhanh, nhưng 
lại mất nhiều thời gian để các phần tử trao đổi thông 
tin với nhau để tìm ra điểm công suất cực đại.
- Nếu lựa chọn số phần tử i ít thì thời gian tìm 
được các điểm công suất cực trị chậm, nhưng lại rút 
ngắn được khoảng thời gian khi các phần tử trao đổi 
thông tin với nhau để tìm ra điểm công suất cực đại.
Để giảm thời gian quá độ, dò tìm điểm công 
suất cực đại nhanh, giảm thiểu tổn thất dao động 
đảm bảo mục tiêu đặt ra đối với hệ thống MPPT, 
luận án căn cứ vào số điểm công suất cực trị trên 
đường đặc tính đầu ra kết hợp với kinh nghiệm 
trong quá trình mô phỏng để lựa chọn số phần tử i.
Quá trình thực hiện thuật toán
Thuật toán thực hiện cập nhật giá trị điện áp 
điểm làm việc của bốn phần tử, mỗi lần cập nhật kế 
tiếp sẽ thu được một giá trị tối ưu mới của quần thể 
U
g
, bốn lần cập nhật là một vòng tuần hoàn và một 
vòng tuần hoàn kế tiếp sẽ thu được giá trị tối ưu mới 
hơn của mỗi một phần tử U
pi
. Điện áp làm việc của 
phần tử được lặp lại theo trình tự như sau:
1 2 3 4
1 1 1 1
1 2 3 4
...
...
k k k k
k k k k
U U U U
U U U U+ + + +
→ → → → →
→ → →
Nếu dao động công suất ∆P thỏa mãn công 
thức (3) thiết bị đếm bắt đầu đếm khi liên tục thỏa 
mãn công thức (3) thiết bị đếm đã đạt đến một giá 
trị nhất định và bốn phần tử đã làm việc ở gần điểm 
công suất cực đại, quá trình tối ưu hóa đã hoàn 
thành và quá trình lặp được dừng lại [5]. Điện áp U
g
được coi là điện áp U
m
 khi:
( )
0,005
( )
g
g
P f U
P
f U
−
∆ = < (3)
Trong đó P là công suất đầu ra thực tế, f(U
m
) là hàm 
số điện áp tại điểm công suất cực đại của dàn pin 
PV. Sơ đồ nguyên lý hệ thống MPPT dựa trên PSO 
được mô tả như Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển 
MPPT dựa trên PSO
2.2. Mô hình mô phỏng điều khiển MPPT bằng PSO
Sử dụng phần mềm Matlab & Simulink mô 
phỏng MPPT dàn pin PV dựa trên thuật toán PSO 
khi dàn pin PV không bị bóng che và khi dàn pin PV 
bị một phần bóng che. Mô hình mô phỏng được thể 
hiện trên Hình 2.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 41
Hình 2. Mô hình mô phỏng MPP dàn pin PV dựa
trên thuật toán PSO
Khi dàn pin PV bị bóng che một phần đường 
cong đặc tính đầu ra của dàn pin PV sẽ xuất hiện 
nhiều điểm cực trị và nhiều vùng biến thiên khác 
nhau. Các điểm cực trị và các vùng này biến thiên 
một cách ngẫu nhiên theo vị trí của bóng che, luận 
án sử dụng thuật toán PSO thực hiện MPPT của 
dàn pin PV. Tiến hành nghiên cứu mô phỏng với 
điều kiện mô phỏng giả định như sau: nhiệt độ môi 
trường không thay đổi T
air
 = 25 oC. Mỗi một tấm pin 
PV có tham số là: P = 50 W, U
oc
 = 24 V, I
sc
 = 3 A, 
U
m
 = 18.6 V, I
m
 = 2.8 A. Các tham số đầu vào như: 
Cường độ bức xạ năng lượng mặt trời S = 1000 W/
m2; nhiệt độ T = 25 oC. Hai trường hợp được đưa 
vào mô phỏng như sau:
Trường hợp 1:
Hình 3. Mô hình dàn pin PV mắc nối tiếp dưới 
điều kiện bóng che
Giả sử trong dàn pin PV có 5 tấm pin mắc nối 
tiếp, trong đó có 4 tấm pin bị che chắn còn một tấm 
không bị che chắn tương ứng với mức cường độ 
bức xạ năng lượng mặt trời như sau: S
5
 = 0 W/m2; 
S
4
 = 250 W/m2; S3 = 500 W/m
2; S
2
 = 750 W/m2; 
S
1
= 1000 W/m2. Sơ đồ mô phỏng được thể hiện trên 
Hình 3. Đặc tính đầu ra được thể hiện trên Hình 4 
đến Hình 5.
Hình 4. Đặc tính P-U dàn pin PV mắc nối tiếp khi 
có một phần bóng che
 Hình 5. Đặc tính I-U dàn pin PV mắc nối tiếp khi 
có một phần bóng che
Trên Hình 4 ta thấy có bốn điểm cực trị, nhưng 
trong bốn điểm cực trị này điểm cực trị thứ 3 có giá 
trị công suất lớn nhất (được gọi là điểm công suất 
cực đại) với P = 76.31 W tương ứng với dòng điện 
I = 1.45 A và điện áp U = 52.37 V. Nhiệm vụ của 
thuật toán PSO phải tìm ra được điểm công suất lớn 
nhất (điểm số 3) trên đường cong công suất P-U với 
thời gian nhanh nhất và chính xác nhất. Đây chính 
là bản chất của thuật toán PSO.
Kết quả mô phỏng điều khiển MPPT bằng 
PSO trường hợp 1 được biểu diễn trên các Hình 6 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology42 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
đến Hình 9.
Hình 6. Quá trình tìm điểm công suất cực đại của 
dàn pin PV mắc nối tiếp dựa trên thuật toán PSO
Hình 7. Dòng điện tại điểm công suất cực đại của 
dàn pin PV mắc nối tiếp dưới điều kiện bị một 
phần bóng che
Hình 8. Điện áp tại điểm công suất cực đại của 
dàn pin PV mắc nối tiếp dưới điều kiện bị một 
phần che
Hình 9. Công suất cực đại của dàn pin PV mắc nối 
tiếp dưới điều kiện bị một phần bóng che
Từ các kết quả mô phỏng trên Hình 6 đến Hình 
9 cho thấy sử dụng thuật toán PSO để thực hiện 
điều khiển MPPT dàn pin PV khi bị bóng che có 
thể bám được chính xác điểm công suất cực đại của 
dàn pin PV so với các điều kiện giả định trên Hình 
4, Hình 5. Thời gian quá độ nhỏ, gần như không có 
dao động sau khi tìm được điểm công suất cực đại. 
Trường hợp 2:
Giả sử có ba dàn pin PV mắc song song với 
nhau, trong mỗi dàn pin PV có năm tấm pin mắc 
nối tiếp. Dàn pin PV thứ nhất có 3 tấm pin PV bị 
che chắn tương ứng với mức cường độ bức xạ năng 
lượng mặt trời như sau: S
5
 = 200 W/m2; S
4
 = 200 
W/m2; S3 = 200 W/m
2; S
2
 = 1000 W/m2; S
1
 = 1000 
W/m2. Dàn pin thứ hai có 2 tấm pin bị che chắn với 
mức cường độ bức xạ năng lượng mặt trời như sau: 
S
5
 = 200 W/m2; S
4
 = 200 W/m2; S3 = 1000 W/m
2; S
2
= 1000 W/m2; S
1
 = 1000 W/m2. Dàn pin thứ ba có 1 
tấm pin bị che chắn với mức cường độ bức xạ năng 
lượng mặt trời như sau: S
5
 = 200 W/m2; S
4
 = 1000 
W/m2; S3 = 1000 W/m
2; S
2
 = 1000 W/m2; S
1 
= 1000 
W/m2. Sơ đồ mô phỏng dàn pin PV và đặc tính đầu 
ra của nó được thể hiện như Hình 10 và kết quả mô 
phỏng trên Hình 11 đến Hình 12.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020 Journal of Science and Technology 43
Hình 10. Sơ đồ mô phỏng dàn pin PV mắc song 
song với nhau, trong mỗi dàn pin PV có năm tấm 
pin mắc nối tiếp
Hình 11. Đặc tính P-U dàn pin PV mắc song song 
khi có một phần bóng che
Hình 12. Đặc tính I-U dàn pin PV mắc song song
 khi có một phần bóng che
Kết quả mô phỏng MPPT bằng PSO trường 
hợp 2 được biểu diễn trên các Hình 13 đến Hình 16.
Hình 13. Quá trình tìm điểm công suất cực đại 
của dàn pin PV mắc song song dựa trên thuật toán 
PSO
Hình 14. Dòng điện tại điểm công suất cực đại của 
dàn pin PV mắc song song khi có một phần bóng che
Hình 15. Điện áp tại điểm công suất cực đại của dàn 
pin PV mắc song song khi có một phần bóng che
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology44 Khoa học & Công nghệ - Số 26/Tháng 6 - 2020
Hình 16. Công suất cực đại của dàn pin PV mắc 
song song khi có một phần bóng che
Từ các kết quả mô phỏng trên Hình 13 đến 
Hình 16 cho thấy sử dụng thuật toán PSO để thực 
hiện điều khiển MPPT dàn pin PV bị một phần bóng 
che có thể bám được chính xác điểm công suất cực 
đại của dàn pin PV so với điều kiện giả định thể 
hiện trên Hình 11, Hình 12. Sau khi tìm được điểm 
công suất cực đại thì gần như không có dao động. 
Do đó, hao tổn công suất của dàn pin PV là rất nhỏ.
Từ các kết quả mô phỏng trên Hình 9 đến Hình 
16 kết hợp với những phân tích ở trên cho thấy, khi 
dàn pin PV không bị che chắn và bị che chắn một 
phần, áp dụng thuật toán PSO trong việc điều khiển 
MPPT đều rất hiệu quả, điều này rất phù hợp với 
điều kiện làm việc của dàn pin PV trong thực tế. 
Chính vì vậy, luận án đã quyết định lựa chọn thuật 
toán PSO để thực hiện điều khiển MPPT của dàn 
pin PV cho cả hai trường hợp dàn pin PV không bị 
che chắn và khi bị che chắn.
3. Kết luận
Sử dụng thuật toán PSO điều khiển MPPT khi 
thay đổi cường độ bức xạ năng lượng mặt trời và 
khi dàn pin bị một phần bóng che đảm bảo công 
suất đầu ra của dàn pin PV luôn bám chính xác điểm 
công suất cực đại, thời gian quá độ ngắn, không có 
độ quá điều chỉnh, không dao động sau khi đã tìm 
được điểm công suất cực đại, hao tổn công suất của 
dàn pin PV nhỏ. 
Tài liệu tham khảo
[1]. N.A. Ahmed, M. Miyatake. “A novel maximum power point tracking for photovoltaic applications 
under partially shaded insolation conditions”. Electric Power Systems Research, 78:777-784, 2008.
[2]. 李纬华.独立光伏发电系统研制[D].大连：大连海事大学，2008：24-29.
[3]. 刘飞 (2008) .三相并网光伏发电系统的运行控制策略研究[D].华中科技大学博士论文：120-
131.
[4]. 尹淞，郝继红 (2009) .我国太阳能光伏发电技术应用综述[J].电力技术，3：1-4.
[5]. 张耀明 (2007). 中国太阳能光伏发电产业的现状与前景[J]. 能源研究与利用，1：1-6.
STUDYING SOLUTIONS TO IMPROVE THE EFFICIENCY OF CLINGING MAXIMUM 
CAPACITY POINTS OF SOLAR PV ARRAY UNDER SHADE CONDITIONS
Abstract:
This paper proposes particle swarm optimization (PSO) control method, simulation MPPT when PV 
panel without shadow and shade. The results show that the system always track the maximum power point, 
short transient time, small oversize, fluctuate around the negligible maximum power point leading to loss 
of capacity of the PV array
Keywords: Maximum power point tracking (MPPT), Partial shading, Particle swarm optimization (PSO), 
Photovoltaic (PV) system.