Phương pháp bám điểm công suất cực đại PO cải tiến cho hệ thống quang điện trong điều kiện chiếu sáng thay đổi nhanh

Điện áp hở mạch V
oc
45.22 V
Dòng điện cực đại I
mpp
8.32 A
Điện áp cực đại V
mpp
40.5 V
Công suất cực đại P
mpp
337 W
Hệ số nhiệt độ của V
oc
K
V
- 0,08 V/0C
Hệ số nhiệt độ của I
sc
K
I
3e-3 A/0C
Số tế bào mắc nối tiếp n 36
Hình 2. Mô hình mô phỏng đặc tuyến làm việc
của mô đun PV
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology24 Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018
Từ các phương trình toán học (1), (2), (3) 
và (4), tác giả đã mô hình hóa mô đun PV trên 
MATLAB/Simulink như Hình 2 với các thông số 
kỹ thuật cho trong Bảng 1. Sau khi tiến hành mô 
phỏng đã thu được đặc tuyến làm việc P-V và I-V 
như thể hiện trong Hình 3 và 4.
Hình 3. Đặc tuyến P-V của mô đun PV khi
T = 25oC và S thay đổi
Hình 4. Đặc tuyến I-V của mô đun PV khi
T = 25oC và S thay đổi
Từ kết quả mô phỏng đặc tính làm việc của 
mô đun PV ta thấy:
- Công suất đầu ra của mô đun PV thay đổi 
nhiều khi cường độ ánh sáng S thay đổi;
- Điện áp hở mạch của nó thay đổi ít khi S 
thay đổi; dòng điện ngắn mạch thay đổi tỉ lệ với sự 
thay đổi của S. 
2.2. Thuật toán MPPT P&O cải tiến
a. Lưu đồ thuật toán
Mục tiêu của thuật toán đề xuất là đảm bảo 
dao động ở trạng thái xác lập và thời gian đáp ứng 
khi có sự thay đổi đột ngột của cường độ ánh sáng 
S ở mức tối thiểu. Lưu đồ thuật toán của giải pháp 
đề xuất như trình bày trong Hình 5. Nội dung của 
thuật toán P&O cải tiến như sau: Như đã biết, giá 
trị dòng điện đầu ra của mô đun PV là I
PV
 phụ thuộc 
chủ yếu vào cường độ ánh sáng S còn nhiệt độ T thì 
không, ngược lại điện áp V
PV
 lại phụ thuộc chủ yếu 
vào nhiệt độ. Dựa vào đặc điểm trên của mô đun 
PV, đầu tiên dòng điện tại đầu ra của mảng PV (gồm 
3 mô đun PV mắc nối tiếp) sẽ được đọc về và từ đó 
tính toán lượng dòng điện thay đổi tương đối ∆I/
I
MPP
 và so sánh với một ngưỡng giá trị Delta_I. Khi 
cường độ chiếu sáng S không thay đổi lớn (> 10W/
m2/s) tức là lượng ∆I/I
MPP
 thay đổi trong khoảng 
[-Delta_I, Delta_I] thì thuật toán điều khiển bám là 
thuật toán P&O truyền thống với kích thước bước 
nhiễu loạn ban đầu khởi tạo (giá trị nhỏ) để dao 
động công suất xung quanh điểm MPP là ít nhất. 
Ngược lại, khi giá trị tuyệt tối của lượng ∆I/I
MPP
 lớn 
hơn giá trị Delta_I thì kích thước bước nhiễu loạn 
sẽ thay đổi (giá trị kích thước bước nhiễu loạn tỉ lệ 
thuận với cường độ ánh sáng S). Tuy nhiên, khi sự 
thay đổi trong S là chậm hoặc không thay đổi thì 
sẽ giảm kích thước nhiễu loạn ở mức tối thiểu ban 
đầu và bám điểm MPP với thuật toán P&O truyền 
thống. Như vậy, với thuật toán đề xuất thì điểm làm 
việc mới được xác định sao cho nó gần điểm MPP 
hơn và thuật toán thay đổi bước nhiễu loạn sẽ chỉ 
được kích hoạt nếu có sự thay đổi đột ngột trong I
PV
hoặc cường độ ánh sáng S.
Hình 5. Lưu đồ thuật toán của phương pháp P&O 
cải tiến
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018 Journal of Science and Technology 25
b. Xác định giá trị Delta_I
Mặc dù cần phải biết giá trị cường độ ánh 
sáng, tuy nhiên phương pháp đề xuất không đòi hỏi 
một phép đo trực tiếp sự thay đổi của S bằng các 
cảm biến đo cường độ ánh sáng. Thay vào đó, khi 
S bắt đầu thay đổi và MPPT lấy hai mẫu liên tiếp, 
giả định rằng nhiệt độ môi trường T sẽ vẫn gần nhau 
như cùng một giá trị. 
Từ công thức (4), nếu T vẫn không đổi trong 
hai lần lấy mẫu liên tiếp thì hai giá trị dòng điện đầu 
ra của mô đun PV là I
PV1
 và I
PV2
 tương ứng có thể 
được viết như sau:
( ) 11 _ -PV PV STC I STC
STC
S
I I K T T
S
 = +  (6)
( ) 22 _ -PV PV STC I STC
STC
S
I I K T T
S
 = +  (7)
Lấy (7) chia (6), được kết quả như sau:
2 2
1 1
 PV
PV
I S
I S
= (8)
Biểu thức (8) có thể được viết lại tương 
đương như sau:
2 1 2 1
1 1
 PV PV
PV
I I S S
I S
− −
= (9)
Hay:
1 1
PV
I S
I S
∆ ∆
= (10)
Từ (10), có thể suy luận rằng sự thay đổi 
chuẩn hóa về dòng điện tương đương với sự thay 
đổi chuẩn hóa S. Vì dòng điện luôn luôn được cập 
nhật giá trị, do đó thông tin này có thể được sử dụng 
để xác định sự thay đổi trong cường độ ánh sáng S. 
Ví dụ, với sự thay đổi của S với độ dốc 10 W/m2/s ; 
do đó ∆S = 10 W/m2. Tại điều kiện tiêu chuẩn S
1
 = 
1000 W/m2 thì ∆I/I
MPP
 (tương đương với ∆S/S1) có 
giá trị bằng 0,01 giữa 2 lần lấy mẫu.
Như tài liệu [12] đã trình bày, vấn đề nổi bật 
của phương pháp P&O là đáp ứng chậm với sự tốc 
độ thay đổi nhanh của cường độ ánh sáng, tức là 
∆S/∆t >=10 W/m2/s. Dưới giá trị này, cường độ ánh 
sáng tăng trong mỗi giây là chậm (nhỏ hơn 10 W/
m2) để thay đổi vị trí của MPP thực tế. Với sự thay 
đổi chậm như vậy có thể sử dụng kích thước nhiễu 
loạn tối thiểu. Tuy nhiên, nếu ∆S/∆t >= 10 W/m2/s 
thì kích thước nhiễu loạn phải được tăng lên để theo 
dõi điểm MPP, do đó biện minh cho ∆S/S = 0,01. 
Theo đó, giá trị này được chọn làm ngưỡng cho ∆I/
I
MPP
 hay chọn giá trị Delta_I bằng 0,01. Nếu thay đổi 
trong dòng điện chuẩn hóa bằng hoặc lớn hơn 0,01 
thì kích thước nhiễu loạn sẽ thay đổi; nếu không nó 
được giữ nguyên ở giá trị tối thiểu ban đầu.
3. Bộ biến đổi Boost
Một bộ biến đổi tăng áp được sử dụng để 
kiểm chứng tính hiệu quả của thuật toán đề xuất. 
Như chỉ ra trong Hình 6, mô đun PV được kết nối 
với bộ biến đổi Boost, trong đó phần tử đóng cắt là 
van IGBT, R là tải điện trở, L là cuộn cảm và C là 
tụ lọc đầu ra.
Hình 6. Sơ đồ mạch điện của hệ thống PV
Giả sử rằng bộ biến đổi Boots đang hoạt 
động ở chế độ dòng điện liên tục. Theo phương 
pháp trung bình không gian trạng thái [13], động 
lực học của hệ thống được mô tả bằng các phương 
trình sau:
( )1- -pv pvo
di vd
v
dt L L
= + (11)
 (12)( )1- 1 -o pv o
ddv
i v
dt C RC
=
Trong đó , , PV pv oi v và v lần lượt là dòng điện đầu 
vào, điện áp đầu vào và điện áp đầu ra của bộ biến 
đổi boost, và d là tỷ số chu kỳ.
Trong nghiên cứu này, tác giả kiểm chứng 
hiệu quả của thuật toán đề xuất với dàn pin gồm 3 
mô đun PV có thông số kỹ thuật trong Bảng 1 mắc 
nối tiếp, khi đó các thông số của dàn pin là:
oc_he oc
sc_he sc
mpp_he mpp
mpp_he mpp
max_he max
V =3×V =3×45,22=135,66 V
I =I =8,75 A
V =3×V =3×40,5=121,5 V
I =I =8,32 A
P =3 ×P =1011 W
 (13)
Giả sử các thông số đầu vào của bộ biến đổi 
Boost là pvv = Vmpp_he, pvi = Impp_he, và pvp = Pmax_he. 
Điện áp đầu ra (v
0
) của bộ biến đổi được xác định 
cho tải điện trở có giá trị 70 Ω, và coi như tổn hao 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology26 Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018
công suất của bộ biến đổi bằng 0, tức là Po = ppv. 
Do đó, điện áp đầu ra v
0
 và tỷ số chu kỳ d được xác 
định là:
 266,026 o ov P R V= = (14)
121,5
 1- 1- 0,543
266,026
PV
o
v
d
v
= = = (15)
Theo [14], giá trị nhỏ nhất của cuộn cảm 
được tính bởi:
( )2
min
1
 0,198 
2 sw
d d R
L mH
f
× − ×
= = (16)
Để đảm bảo dòng điện chắc chắn là liên tục, 
chọn L = 0,2 mH. Ngoài ra, giá trị điện dung tối 
thiểu cần thiết để độ gợn sóng điện áp đầu ra bằng 
1% là:
 1153,385 o
o sw
v d
C F
R V f
µ≥ =
∆
 (17) 
Chọn C = 2200 µF. 
Cuối cùng, các thông số định mức của bộ 
biến đổi tăng áp được đưa ra trong Bảng 2. 
Bảng 2. Thông số định mức của bộ biến đổi Boost
Thông số Ký hiệu Giá trị
Điện áp đầu vào v
pv
121,5 V
Dòng điện đầu vào i
pv
8,32 A
Điện áp đầu ra v0 266,032 V
Tỷ số chu kỳ d 0,543
Điện trở của tải R 70 Ω
Cuộn cảm đầu vào L 0,2 mH
Tụ điện đầu ra C 2200 uF
Tần số đóng cắt f 20 kHz
4. Kết quả mô phỏng
Để kiểm chứng sự hiệu quả của phương 
pháp điều chế đề xuất, nghiên cứu mô phỏng được 
thực trên phần mềm MATLAB/Simulink và kết quả 
được so sánh với phương pháp P&O truyền thống. 
Trong mô hình mô phỏng, mảng PV sử dụng được 
hình thành thông qua ghép nối tiếp 3 mô đun PV 
với thông số như trong Bảng 1. Kích thước nhiễu 
loạn (delta_U) được lựa chọn sao cho phương pháp 
đề xuất và P&O truyền thống đưa ra cùng hiệu suất 
động trong dao động tại điều kiện tiêu chuẩn. Các 
tham số được xem xét trong mô phỏng là: Kích 
thước bước nhiễu loạn ban đầu delta_U = 0,01% 
x Voc đối với cả thuật toán MPPT đề xuất và thuật 
toán P&O truyền thống; delta_I = 0,01 và thời gian 
mô phỏng là 1s.
Trong nghiên cứu này, mảng PV được mô 
phỏng cho những thay đổi đột ngột trong cường độ 
chiếu sáng, giả định nhiệt độ môi trường không thay 
đổi là 250C. Ban đầu, mảng PV được mô phỏng ở S 
= 1000 W/m2. Sau đó, tại thời điểm t = 0,25s và t = 
0,75s, cường độ sánh sáng đột ngột giảm xuống 200 
W/m2 và 400 W/m2 tương ứng. Tại t = 0,5s, cường 
độ ánh sáng đột nhiên tăng lên 900 W/m2.
Hình 7(a) là đáp ứng công suất của mảng 
PV tương ứng với phương pháp P&O cải tiến và 
phương pháp P&O truyền thống. Để quan sát và so 
sánh thời gian đáp ứng của hai phương pháp khi S 
thay đổi đột ngột, kết quả mô phỏng được phóng to 
thể hiện trên Hình 7(b) – (e). Từ kết quả mô phỏng 
trên, quan sát thấy rằng để đạt tới MPP thì phương 
pháp P&O cải tiến có khoảng thời gian ngắn hơn 
nhiều so với phương pháp P&O truyền thống. Hơn 
nữa, từ Hình 9 có thể thấy rằng: Do giá trị bước 
nhiễu loạn là nhỏ và cố định nên giá trị đầu ra của 
thuật toán MPPT là V
ref
 của phương pháp P&O 
truyền thống thay đổi chậm từ đó dẫn đến thời gian 
quá độ lớn; ngược lại do sự điều chỉnh linh hoạt giá 
trị bước nhiễu loạn của thuật toán điều khiển thích 
nghi của phương pháp MPPT đề xuất nên khi có sự 
thay đổi đột ngột về chiếu xạ S thì V
ref
 được tính 
toán gần giá trị điện áp tương ứng với điểm công 
suất cực đại mới từ đó tốc độ đáp ứng nhanh. 
Ngoài ra, dao động công suất xung quanh 
MPP của hai thuật toán là nhỏ (0,4%P
max 
) và xấp 
xỉ nhau, điều này được thể hiện trên Hình 8(a) - (d).
Từ các kết quả mô phỏng, có thể kết luận 
rằng thuật toán MPPT P&O cải tiến có hiệu quả 
giảm thiểu dao động xung quanh điểm MPP và bám 
sát điểm MPP nhanh hơn, không phân biệt sự tăng 
hoặc giảm của cường độ chiếu xạ S. 
5. Kết luận
Bài báo đề xuất một phương pháp MPPT 
P&O cải tiến cho phép điều chỉnh linh hoạt bước 
nhiễu loạn dựa vào thuật toán điều khiển thích nghi 
phát hiện chính xác sự xuất hiện của dao động để 
nâng cao hiệu suất bám của mảng PV. Các nghiên 
cứu mô phỏng cho thấy phương pháp P&O cải tiến 
cho phép đẩy nhanh tốc độ hội tụ về điểm MPP 
khi cường độ chiếu sáng S thay đổi đột ngột cũng 
như giảm thiểu được dao động quanh MPP so với 
phương pháp P&O truyền thống.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018 Journal of Science and Technology 27
Hình 7. Kết quả mô phỏng so sánh giữa phương pháp P&O cải tiến với P&O truyền thống
Hình 8. Phóng to đáp ứng công suất trên Hình 7 với các khoảng thời gian khác nhau 
Hình 9. Giá trị đầu ra của thuật toán MPPT (Vref) 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology28 Khoa học & Công nghệ - Số 19/Tháng 9 - 2018
Tài liệu tham khảo
[1]. Subudhi, B. and Pradhan, R., A Comparative Study on Maximum Power Point Tracking Techniques 
for Photovoltaic Power Systems. IEEE Transactions on Sustainable Energy, 2013, 4, pp. 89-98.
[2]. Abdelsalam, A. K., Massoud, A. M., Ahmed S., and Enjeti, P. N., High-Performance Adaptive 
Perturb and Observe MPPT Technique for Photovoltaic-Based Microgrids. IEEE Transactions on 
Power Electronics, 2011, 26, pp. 1010-1021.
[3]. Nguyen Viet Ngu, Le Thi Minh Tam, Tran Thi Thuong, Nguyen Xuan Truong, So sánh hai thuật 
toán INC và P&O trong điều khiển bám điểm công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời cấp điện 
độc lập. Tạp chí Khoa học và Phát triển 2015, 2015, 13, pp. 1452-1463.
[4]. Kjær, S. B., Evaluation of the “Hill Climbing” and the “Incremental Conductance” Maximum 
Power Point Trackers for Photovoltaic Power Systems. IEEE Transactions on Energy Conversion, 
2012, 27, pp. 922-929.
[5]. Liu, F., Duan, S., and Kang, Y., A Variable Step Size INC MPPT Method for PV Systems. IEEE 
Transactions on Industrial Electronics, 2008, 55, pp. 2622-2628.
[6]. Ji, Y. H., Jung, D. Y., Kim, J. G., Kim, J. H., Lee T. W., and Won, C. Y., A Real Maximum 
Power Point Tracking Method for Mismatching Compensation in PV Array Under Partially Shaded 
Conditions. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26, pp. 1001-1009.
[7]. Tan, C. W., Green T. C., and Hernandez-Aramburo, C. A., An Improved Maximum Power Point 
Tracking Algorithm with Current-Mode Control for Photovoltaic Applications. 2005 International 
Conference on Power Electronics and Drives Systems, Kuala Lumpur, 2005, pp. 489-494.
[8]. Piegari, L., and Rizzo, R., Adaptive perturb and observe algorithm for photovoltaic maximum 
power point tracking. IET Renewable Power Generation, 2010, 4, pp. 317-328.
[9]. Femia, N., Granozio, D., Petrone, G., Spagnuolo G., and Vitelli, M., Predictive & Adaptive 
MPPT Perturb and Observe Method. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems, 
2007, 43, pp. 934-950.
[10]. Rai, A.K., Kaushika, N.D., Singh, B. and Agarwal, N., Simulation model of ANN based 
maximum power point tracking controller for solar Pvsystem. Solar Energy Mater. Solar Cells, 
2011, 95, pp. 773–778.
[11]. Chin, V. J., Salam, Z., and Ishaque, K., An Accurate and Fast Computational Algorithm for 
the Two-diode Model of PV Module Based on a Hybrid Method. IEEE Transactions on Industrial 
Electronics, 2017, 8, pp. 6212-6222. 
[12]. Ishaque, K., Salam, Z., and Taheri, H, Simple, fast and accurate two-diode model for 
photovoltaic modules. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2011, 95, pp. 586-594.
[13]. Bennett, T., Zilouchian, A., and Messenger, R., A proposed maximum power point tracking 
algorithm based on a new testing standard. Solar Energy, 2013, 89, pp. 23-41.
[14]. Hart, Daniel W., Power Electronics. Americas, New York, 2011.
AN IMPROVED P&O MAXIMUM POWER POINT TRACKING METHOD
FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
UNDER RAPIDLY CHANGING IRRADIANCE CONDITIONS
Abstract:
In this paper, an improved perturb and observe (P&O) maximum power point tracking (MPPT) 
method is proposed to extract the maximum power from photovoltaic (PV) panel under rapidly changing 
irradiance conditions. The proposed method consists of two algorithms, namely adaptive control algorithm, 
and conventional P&O algorithm. The adaptive control algorithm identifies the operating limit violation 
and sets a new operating point nearer to maximum power point. These operating limits are expressed in 
terms of the operating current range of the PV panel and the sudden changes in irradiance. The conventional 
P&O algorithm always tries to operate the PV panel at maximum power point (MPP). A boost converter 
is used to realize the proposed algorithm. The performance and efficiency of the proposed system are 
tested with MATLAB/Simulink software. The obtained results indicate the improved P&O method has quick 
respond and good stability compared to conventional P&O methods under the rapidly changing irradiance 
conditions.
Keywords: Solar energy system, maximum power point tracking (MPPT), perturb and observe (P&O) 
method, boost converter.