Phương pháp tối ưu ma trận chuyển mạch trong chiến lược tái cấu trúc kết nối các tấm pin quang điện

TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
58 Số 21 
PHƯƠNG PHÁP TỐI ƯU MA TRẬN CHUYỂN MẠCH 
TRONG CHIẾN LƯỢC TÁI CẤU TRÚC KẾT NỐI CÁC TẤM PIN QUANG ĐIỆN 
A PROPOSED OPTIMAL METHOD FOR DYNAMIC ELECTRICAL SCHEME 
TO PHOTOVOLTAIC ARRAY RECONFIGURATION STRATEGY 
Ngô Ngọc Thành, Nguyễn Ngọc Trung 
Trường Đại học Điện lực 
Ngày nhận bài: 23/10/2019, Ngày chấp nhận đăng: 25/12/2019, Phản biện: TS. Nguyễn Thanh Thuận 
Tóm tắt: 
Trong bài báo này, một phương pháp mới được đề xuất để tối thiểu số lượng khóa trong ma trận 
chuyển mạch trong chiến lược tái cấu trúc kết nối các tấm pin quang điện. Trong điều kiện bức xạ 
không đồng nhất, các tấm pin quang điện (TPQĐ) nhận được bức xạ mặt trời khác nhau, dẫn đến sự 
sụt giảm hiệu suất của toàn bộ hệ thống. Việc sử dụng ma trận chuyển mạch giúp thay đổi kết nối 
của các TPQĐ từ mạch kết nối ban đầu đến mạch kết nối tối ưu làm tăng hiệu suất làm việc của 
toàn hệ thống. Nghiên cứu cải tiến Ma trận chuyển mạch bằng cách giảm một nửa số khóa đóng mở 
mạch giúp giảm thiểu chi phí thiết kế, tăng tính thực tiễn của phương pháp trong các hệ thống năng 
lượng mặt trời (NLMT) lớn thực tế. 
Từ khóa: 
Ma trận chuyển mạch, tối ưu, tái cấu trúc, nối tiếp - song song, tấm pin quang điện. 
Abstract: 
In this paper, a new optimal method was proposed which minimizes the quantity of switches in the 
switch matrix to photovoltaic array reconfiguration strategy. In heterogeneous radiations condition, 
PV cells received different sun radiation density that cause a decrease in whole system efficiency. 
The use of switch matrix help to change the connections of PV cells from the initial connecting circuit 
to the optimal connecting circuit, this will improve the system efficiency. The study of innovating the 
switched matrix are expected to reduce the design cost, improve the utility of this method in large 
photovoltaic systems. 
Keywords: 
Dynamic electrical scheme, optimal, reconfiguration, Total-Cross-Tied, photovoltaic. 
1. GIỚI THIỆU CHUNG 
Công suất tạo ra bởi các TPQĐ trong điều 
kiện thực tế thường thấp hơn so với điều 
kiện làm việc tiêu chuẩn [1-6]. Một số lý 
do chính làm giảm hiệu suất hoạt động 
của TPQĐ là do bức xạ mặt trời, nhiệt độ 
hoặc do chính sự lão hóa của các TPQĐ 
[7-10]. 
Các ảnh hưởng của bức xạ mặt trời đến 
quá trình làm việc của hệ thống năng 
lượng mặt trời (NLMT) và chiến lược tái 
cấu trúc nhằm tăng hiệu suất làm việc cho 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 21 59 
hệ thống NLMT trong điều kiện bức xạ 
không đồng nhất đã được tác giả nghiên 
cứu và công bố tại [11-15]. Về bản chất, 
tái cấu trúc hệ thống chính là thay đổi kết 
nối của các tấm pin quang điện để đạt 
được cấu hình kết nối tối ưu, cho ra công 
suất của hệ thống là lớn nhất. Hiện nay, 
bài toán tái cấu trúc được áp dụng cho 2 
mô hình kết nối chính của TPQĐ là 
Series-Parallel (SP) và TCT. Trong [11-
15], tác giả đã đề xuất phương pháp nâng 
cao hiệu suất làm việc của hệ thống 
NLMT cho mạch kết nối TCT. 
Hình 1. Hệ thống NLMT và bộ tái cấu trúc 
Hệ thống NLMT căn bản nối lưới hiện 
nay được mô tả trong hình 1 bao gồm các 
thành phần cơ bản: TPQĐ, bộ chuyển đổi 
năng lượng, bộ tích điện, phụ tải và hòa 
lưới. Các TPQĐ khi nhận được bức xạ 
mặt trời, tạo ra dòng điện 1 chiều DC, qua 
Inverter có chức năng tích điện vào bộ 
tích điện, chuyển đổi DC/AC phục vụ phụ 
tải trong gia đình hoặc hòa lưới. 
Bộ tái cấu trúc (reconfiguration system) là 
thiết bị tăng hiệu suất làm việc của hệ 
thống NLMT trong điều kiện bức xạ 
không đồng nhất, được lắp trước bộ 
chuyển đổi điện, vị trí mô tả vị trí trong 
hình 1. 
Trong bài báo này, tác giả trình bày 
phương pháp tái cấu trúc cho hệ thống 
NLMT dựa trên cấu hình kết nối TCT sử 
dụng ma trận chuyển mạch Dynamic 
electrical scheme (DES), từ đó đề xuất 
phương pháp cải tiến ma trận chuyển 
mạch DES, nhằm giảm số lượng Khóa 
trong ma trận chuyển mạch mà vẫn đáp 
ứng đủ các cấu trúc TCT tổng quát của hệ 
thống. 
2. CHIẾN LƯỢC TÁI CẤU TRÚC MẠCH 
KẾT NỐI TCT 
Hình 2. Mạch kết nối TCT 
Chiến lược tái cấu trúc kết nối các TPQĐ 
cho mạch kết nối TCT đã được tác giả 
trình bày trong các công trình nghiên cứu 
tại [11-15], tóm tắt chiến lược tái cấu trúc 
như sau: 
Mạch kết nối TCT bao gồm các TPQĐ 
kết nối song song, các mạch song song 
được kết nối nối tiếp (hình 2) và có các 
đặc điểm: 
 Điện áp cực đại của các mạch kết nối 
song song (trong mạch TCT) không bị 
ảnh ưởng bởi mức độ chiếu sáng nhận 
được của từng tấm pin quang điện 
(TPQĐ). 
 Dòng điện tạo ra bởi chuỗi các mạch 
kết nối song song sẽ tỷ lệ thuận với mức 
độ chiếu sáng nhận được của từng TPQĐ. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
60 Số 21 
Hình 3. Ví dụ cân bằng bức xạ 
(a) trước khi cân bằng; (b) sau khi cân bằng. Biểu 
đồ công suất; (c) trước khi cân bằng với hiện tượng 
misleading; (d) sau khi cân bằng không còn hiện 
tượng misleading 
Trong quá trình làm việc, các TPQĐ bị 
ảnh hưởng bởi vấn đề che phủ một phần, 
có thể do bóng của các tòa nhà, mây che 
phủ, tuyết, bóng của các vật bên cạnh dẫn 
đến bức xạ mặt trời nhận bởi mỗi TPQĐ 
khác khác nhau. Phương pháp cân bằng 
bức xạ cho mạch kết nối TCT chính là sắp 
xếp lại vị trí kết nối các TPQĐ nhằm mục 
đích cân bằng tổng mức độ bức xạ mặt 
trời tại các kết nối song song trong mạch 
TCT như ví dụ trong hình 3 [11]. Trong 
hình 3, trước khi cân bằng bức xạ, mạch 
TCT với tổng bức xạ tại các hàng lần lượt 
là 2300 W/m
2
, 1800 W/m
2
, 1300 W/m
2
(hình 3a). Sau khi thay đổi vị trí module 
như trong hình (module 1 chuyển từ hàng 
1 xuống hàng 3), tổng mức độ chiếu sáng 
cân bằng là 1800 W/m2 tại các hàng (hình 
3b). Công suất cực đại trước khi cân bằng 
là 811,9 W với hiện tượng misleading 
(hình 3c), sau khi cân bằng, công suất cực 
đại của hệ thống tăng lên 1041 W (tăng 
28,2% hiệu suất) với duy nhất một điểm 
cực đại, tránh được hiện tượng misleading 
(hình 3d). 
Chiến lược tái cấu trúc, nâng cao hiệu 
suất làm việc của hệ thống NLMT có thể 
tổng quát theo lưu đồ tại hình 4. 
Hình 4. Lưu đồ chiến lược tái cấu trúc 
Chiến lược tái cấu trúc bao gồm các bước: 
Bước 1: Đo dòng điện và điện áp từng 
TPQĐ. 
Bước 2: Căn cứ và dòng điện, điện áp ước 
tính bức xạ mặt trời nhận được bởi từng 
TPQĐ. 
Bước 3: Áp dụng thuật toán cân bằng bức 
xạ, tìm cấu hình kết nối tối ưu của các 
TPQĐ. 
Bước 4: Kiểm tra cấu hình kết nối mới so 
với cấu hình kết nối ban đầu. Nếu là cấu 
hình kết nối ban đầu thì quay lại bước 1. 
Nếu là cấu hình kết nối mới so với cấu 
hình ban đầu thì sang bước 5. 
Bước 5: Áp dụng thuật toán tìm kiếm 
phương pháp chuyển mạch tối ưu. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 21 61 
Phương pháp chuyển mạch tối ưu là 
phương pháp sử dụng ít số lần đóng mở 
khóa nhất, giúp kéo dài tuổi thọ của ma 
trận chuyển mạch. 
Bước 6: Điều khiển ma trận chuyển mạch 
đóng mở khóa theo phương pháp đã tìm 
kiếm ở bước 5, có được cấu hình kết nối 
mới cho hiệu suất làm việc của hệ thống 
là tốt nhất. 
Như vậy, trong chiến lược tái cấu trúc kết 
nối các TPQĐ bao gồm 2 bài toán chính: 
Bài toán cân bằng bức xạ và bài toán Lựa 
chọn phương pháp chuyển mạch tối ưu. 
Trong các nghiên cứu trước đây [11-15] 
tác giả đã đề xuất phương pháp bao 
gồm các thuật toán tìm kiếm cấu hình 
Cân bằng bức xạ (thuật toán Dynamic 
Programming và thuật toán SmartChoise), 
thuật toán lựa chọn phương pháp chuyển 
mạch tối ưu (thuật toán Munkres 
Assignment Algorithm và thuật toán 
MAA cải tiến) nhằm nâng cao hiệu suất 
làm việc của hệ thống NLMT cho mạch 
kết nối TCT sử dụng ma trận chuyển 
mạch DES. 
Trong phần tiếp theo, tác giả sẽ trình bày 
phương pháp cải tiến ma trận chuyển 
mạch DES mà vẫn đáp ứng đầy đủ yêu 
cầu của chiến lược tái cấu trúc mà tác giả 
đã trình bày. 
3. PHƯƠNG PHÁP CẢI TIẾN MA TRẬN 
CHUYỂN MẠCH DES 
3.1. Ma trận chuyển mạch Dynamic 
Electrical Scheme (DES) 
Trên thực tế, trong các hệ thống NLMT 
hiện nay, các TPQĐ được kết nối cố định, 
tức là các TPQĐ được kết nối vật lý với 
nhau với số lượng các TPQĐ nối tiếp 
hoặc song song cố định theo thiết kế, 
trong quá trình làm việc không thể thay 
đổi kết nối, tức là thay đổi vị trí kết nối 
của các TPQĐ trong mạch kết nối một 
cách tự động được. Để các TPQĐ có thể 
thay đổi cấu trúc kết nối một các tự động, 
cần đến ma trận chuyển mạch DES. 
Hình 5. Cấu trúc tổng quát mạch TCT 
Hình 6. Ma trận chuyển mạch Dynamic Electrical 
Scheme (DES) [16] 
1 
2 
m 
1 2 n1 
n2 
nm 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
62 Số 21 
Ma trận chuyển mạch DES (hình 6) đã 
được đề xuất trong [16] nhằm mục đích 
thay đổi tùy biến kết nối của hệ thống 
NLMT, từ một cấu hình mạch kết nối ban 
đầu, thông qua các thao tác đóng mở khóa 
sẽ có được mạch kết nối mới với cấu trúc 
bất kỳ. 
Ma trận chuyển mạch bao gồm các khóa 
đóng mở mạch. Tùy từng điều kiện thực 
tế, dòng điện, điện áp mà mỗi khóa phải 
chịu tải để lựa chọn khóa cho phù hợp. 
Với các hệ thống NLMT nhỏ (1kW) có 
thể sử dụng module Relay, đối với hệ 
thống lớn hơn phải sử dụng các Transitor 
chịu dòng, áp cao như: 
 MOSFET (Metal Oxide Semiconductor 
Field Effective Transistor): là transistor 
có cực cổng cách điện, bao gồm kênh dẫn 
điện DS được kiểm soát bởi cực cổng G 
cách điện bằng lớp oxide kim loại. Mosfet 
chịu dòng điện cực đại 1kA, điện áp cực 
đại 0,3 kV. 
 IGBT (Insulated Gate Bipolar 
Transistor): là là transitor có cực điều 
khiển bởi điện áp, có khả năng đóng cắt 
nhanh và chịu tải lớn. IGBT điện áp cao 
(HVIGBT) khả năng chịu dòng cực đại 
1,2 kA, áp cực đại 3,3 kV. 
 IGCT (Insulated Gate Control 
Transistor): IGCT là thiết bị điện tử công 
suất có khả năng kéo xung dòng điện lớn 
bằng dòng định mức dãn qua cathode về 
mạch cổng G để đảm bảo ngắt nhanh 
dòng điện. Khả năng chịu áp khóa cao 
đến 6 kV với độ tin cậy cao. 
Ví dụ về hoạt động của ma trận chuyển 
mạch DES trong hình 7: 
 Để có được mạch kết nối như hình 7a: 
Ma trận chuyển mạch hình 7b khóa của 
TPQĐ số 1 và số 2 đóng ở hàng 1, khóa 
TPQĐ số 3 và số 4 đóng ở hàng 2, các 
khóa khác mở ra. 
 Để có được mạch kết nối như hình 7c: 
Ma trận chuyển mạch hình 7d khóa 
TPQĐ số 1, số 2 và số 3 đóng ở hàng 1, 
khóa TPQĐ số 4 đóng ở hàng 2, các khóa 
khác mở ra. 
Như vậy, thông qua ma trận chuyển mạch 
DES, từ mạch kết nối TCT bất kỳ ban đầu 
có thể thay đổi kết nối thành mạch TCT 
tổng quát như hình 5. 
Ma trận chuyển mạch tổng quát DES tổng 
quát cho n TPQĐ, tái cấu trúc trong m 
hàng thể hiện trong hình 8. 
(a) (b) 
(c) (d) 
Hình 7. Ma trận chuyển mạch Dynamic Electrical 
Scheme (b-d) tương ứng với cấu hình kết nối 
(a-c) 
Số lượng khóa trong ma trận chuyển 
mạch DES: 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 21 63 
nsDES=2×m×n 
Hình 8. Ma trận chuyển mạch DES tổng quát 
cho n tấm pin quang điện, m mạch nối tiếp 
3.2. Đề xuất ma trận chuyển mạch 
Dynamic Electrical Scheme cải tiến 
(DES) 
Trong nghiên cứu này, tác giả đề xuất ma 
trận chuyển mạch DES cải tiến, như hình 9. 
Hình 9. Ma trận chuyển mạch DES cải tiến 
Ma trận chuyển mạch DES cải tiến hình 9 
được xây dựng với số khóa chuyển mạch 
chỉ bằng một nửa ma trận chuyển mạch 
DES thông thường nhưng vẫn đáp ứng tất 
cả các trường hợp cần thiết của cấu trúc 
TCT tổng quát nhằm tăng hiệu suất làm 
việc của hệ thống NLMT trong điều kiện 
chiếu sáng không đồng nhất. Số khóa 
chuyển mạch cần sử dụng trong ma trận 
DES cải tiến: 
nsimproveDES =2×m×n 
Ví dụ hoạt động của ma trận chuyển mạch 
DES cải tiến (hình 10) tương ứng ví dụ 
hình 7. 
(a) (b) 
(c) (d) 
Hình 10. Ma trận chuyển mạch Dynamic 
Electrical Scheme (b-d) tương ứng với cấu hình 
kết nối (a-c) 
Nhận thấy, mặc dù giảm một nửa số khóa, 
ma trận chuyển mạch DES vẫn đáp ứng 
yêu cầu hoạt động của hệ thống trong quá 
trình tái cấu trúc, chuyển mạch từ cấu trúc 
ban đầu đến cấu trúc tối ưu. 
5. KẾT LUẬN 
Trong bài báo này, tác giả đã đề xuất 
phương pháp cải tiến ma trận chuyển 
mạch DES, nhằm giảm thiểu số khóa 
đóng mở mạch trong ma trận DES. Việc 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
64 Số 21 
cải tiến ma trận chuyển mạch DES giúp 
giảm chi phí sản xuất, tăng khả năng đáp 
ứng của hệ thống, giúp tăng tính thực tiễn 
của chiến lược tái cấu trúc các TPQĐ. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Belhachat, F. and C. Larbes, Global maximum power point tracking based on ANFIS approach for 
PV array configurations under partial shading conditions. Renewable and Sustainable Energy 
Reviews, 2017. 77. 
[2] Bendib, B., H. Belmili, and F. Krimb, A survey of the most used MPPT methods: Conventional and 
advanced algorithms applied for photovoltaic systems. Renewable and Sustainable Energy 
Reviews, 5/2015. 45. 
[3] A.Eltawil, M. and Z. Zhao, MPPT techniques for photovoltaic applications. Renewable and 
Sustainable Energy Reviews, 12/2013. 25: p. 793-813. 
[4] Veerasamy, B., W. Kitagawa, and T. Takeshita, MPPT method for PV modules using current 
control-based partial shading detection, in 2014 International Conference on Renewable Energy 
Research and Application (ICRERA). 2014. 
[5] SAADSAOUD, M., a.H. AHmed, and k. salah, Study of Partial Shading Effects on Photovoltaic 
Arrays with Comprehensive Simulator for Global MPPT control. International Journal of 
Renewable Energy Research-IJRER, 2016. 6(2). 
[6] Choudhury, S. and P.K. Rout, Adaptive Fuzzy Logic based MPPT Control for PV System Under 
Partial Shading Condition. International Journal of Renewable Energy Research-IJRER, 2015. 
5(4). 
[7] Chander, S., et al., Impact of temperature on performance of series and parallel connected 
mono-crystalline silicon solar cells. Energy Reports, 2015. 1: p. 175-180. 
[8] Reis, F., et al., Modeling the Effects of Inhomogeneous Irradiation and Temperature Profile on 
CPV Solar Cell Behavior. IEEE Journal of Photovoltaics, 2015. 5(1): p. 112-122. 
[9] Wysocki, J.J. and P. Rappaport, Effect of Temperature on Photovoltaic Solar Energy Conversion. 
Journal of Applied Physics, 2004. 31(571). 
[10] Singh, P., et al., Temperature dependence of I–V characteristics and performance parameters of 
silicon solar cell. Solar Energy Materials and Solar Cells, 2008. 92(12): p. 1611-1616. 
[11] Sanseverino, E.R., et al., Dynamic programming and Munkres algorithm for Optimal Photovoltaic 
Arrays Reconfiguration. Solar Energy, 12/2015. 122: p. Pages 347–358. 
[12] Thanh, N.N., N.P. Quang, and P.T. Cat, Improved control algorithm for increase efficiency of 
photovoltaic system under non-homogeneous solar irradiance. Special issue control and 
automation, 2016. 16: p. 12. 
[13] Thanh, N.N. and N.P. Quang, Chiến lược tái cấu trúc kết nối các tấm pin năng lượng mặt trời dựa 
trên phương pháp cân bằng bức xạ. Hội nghị - Triển lãm quốc tế lần thứ 4 về Điều khiển và Tự 
động hoá - VCCA 2017, 12/2017. 
[14] Ngoc, T.N., et al., Increasing efficiency of photovoltaic systems under non-homogeneous solar 
irradiation using improved Dynamic Programming methods. Solar Energy, 2017. 150: p. 325-334. 
[15] Thanh, N.N. and N.P. Quang, Simulation of reconfiguration system using Matlab-Simulink 
environment. Journal of Computer Science and Cybernetics, 2018. 34. 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
Số 21 65 
[16] Romano, P., et al., Optimization of photovoltaic energy production through an efficient switching 
matrix. Journal of Sustainable Development of Energy, Water and Environment Systems, 2013. 
1(3): p. 227-236. 
Giới thiệu tác giả: 
Tác giả Ngô Ngọc Thành tốt nghiệp Trường Đại học Điện lực năm 2011, nhận 
bằng Thạc sĩ năm 2014 tại Đại học Palermo, Cộng hòa Italia. Tác giả hiện là giảng 
viên Trường Đại học Điện lực và là nghiên cứu sinh tại Viện Hàn lâm Khoa học và 
Công nghệ Việt Nam. 
Lĩnh vực nghiên cứu: cấu trúc dữ liệu và giải thuật, các bài toán tối ưu trong hệ 
thống điện, năng lượng tái tạo. 
Tác giả Nguyễn Ngọc Trung tốt nghiệp đại học ngành hệ thống điện, nhận bằng 
Thạc sĩ ngành kỹ thuật điện tại Trường Đại học Bách khoa Hà Nội vào các năm 
2003 và 2006; nhận bằng Tiến sĩ ngành kỹ thuật điện năm 2014 tại Đại học 
Palermo, Cộng hòa Italia. 
Lĩnh vực nghiên cứu: lưới điện thông minh-SmartGrid, giám sát điều khiển, bảo vệ 
và tự động hóa trong hệ thống điện. 
 . 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC 
(ISSN: 1859 - 4557) 
66 Số 21