Thiết kế điều khiển cho hệ thống Solar cell, nối tải, có battery

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
HỌC PHẦN: ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO

Đề tài:

Thiết kế điều khiển cho hệ thống Solar cell, nối tải,
có battery

Nhóm sinh viên thực hiện: Nhóm 5

Giảng viên hướng dẫn:

Hà Nội, 7-2022



LỜI NĨI ĐẦU

Hiện nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch như than đá, dầu mỏ, khí đốt đã và đang
đóng vai trò chủ yếu trong nguồn năng lượng cho các hoạt động công nghiệp và đời
sống ở nước ta và trên thế giới. Tuy nhiên các nguồn nhiên liệu hóa thạch là có hạn,
phải mất hàng triệu năm mới phục hồi lại được. Cùng với đó là việc đốt nhiên liệu hóa
thạch phát thải nhiều khí nhà kính như CO2, NOx, CH4, H2S,… gây ô nhiễm môi
trường, hiệu ứng nhà kính thủng tầng ozon, biến đổi khí hậu. Do đó các nguồn năng
lượng tái tạo như gió, mặt trời, … được cho là sẽ thay thế các nguồn nhiên liệu hóa
thạch trong tương lai vì độ sạch khi rất ít phát thải ra mơi trường và có trữ lượng coi

như vô hạn.
Phát triển năng lượng tái tạo ngày nay đang là xu hướng của thế giới, làm thay
đổi nhanh chóng cơ cấu ngành năng lượng. Nhiều quốc gia đã khẩn trương xây dựng
và thực thi các chiến lược, chính sách phát triển năng lượng tái tạo với tầm nhìn dài
hạn, tập trung các nguồn lực con người, khoa học – cơng nghệ và tài chính – tín
dụng… hướng tới việc phát triển nền kinh tế các-bon thấp, bền vững và thân thiện với
môi trường.
Pin mặt trời (solar cell) là thiết bị hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện trong để
chuyển đổi quang năng thành điện năng, tận dụng nguồn năng lượng vô hạn là ánh
sáng Mặt Trời phục vụ nhu cầu của con người. Pin mặt trời có phát thải rất thấp ra môi
trường kể từ khâu sản xuất đến sử dụng. Tuy có giá thành chưa hề rẻ, và hiệu suất vô
cùng thấp (5%-10%), nhưng với một quốc gia nắng nhiều như nước ta cũng như sự
phát triển các kỹ thuật vật liệu mới, năng lượng mặt trời sẽ dần thay thế các nguồn
năng lượng khác đang được khai thác trong nước trong tương lai không xa.
Trong bài tập lớn này, chúng ta sẽ nghiên cứu và thiết kế hệ thống điều khiển một
nguồn gồm một hệ solar cell nối với một battery, nối với tải ba pha. Sử dụng các bộ
điều khiển PID và các phương trình tốn học liên quan để đi đến kết quả mơ phỏng.
Nhiệm vụ chính là điều khiển sao cho solar cell luôn làm việc ở công suất tối ưu mà hệ
thống luôn làm việc ổn định.
Lời cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn cô Vũ Thị Thúy Nga bởi sự chỉ
bảo và giúp đỡ tận tình để em hồn thành bản báo cáo đồ án môn học này!


MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ..............................................................................................................i
DANH MỤC BẢNG BIỂU........................................................................................................ii
CHƯƠNG 1. PIN MẶT TRỜI (SOLAR CELL)......................................................................1
1.1 Giới thiệu..........................................................................................................................1
1.2 Cấu tạo.............................................................................................................................1

1.3 Nguyên lý hoạt động........................................................................................................2
1.4 Phân loại và ứng dụng của Solar cell.............................................................................3
CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG SOLAR CELL..................................................5
2.1 Mơ hình hóa solar cell.....................................................................................................5
2.1.1 Mơ hình hóa một cell.................................................................................................5
2.1.2 Mơ hình hóa một PV system.....................................................................................6
2.1.3 Mơ hình hóa PV system trên Simulink......................................................................6
2.2 Bộ biến đổi DC/DC Boost converter................................................................................8
2.3 Bộ biến đổi DC/AC inverter với mạch lọc LC.................................................................9
2.4 Mơ hình pin.....................................................................................................................11
2.4.1 Mơ hình hóa pin.......................................................................................................11
2.4.2 Mạch biến đổi điện áp buck-boost điều khiển pin...................................................13
CHƯƠNG 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG SOLAR CELL................................15
3.1 Bài tốn điều khiển mức cơng suất tối đa.....................................................................15
3.2 Bài toán điều khiển pin..................................................................................................16
3.3 Bài toán điều khiển nối nguồn với tải...........................................................................17
3.3.1 Phương pháp điều chế SV PWM.............................................................................17
3.3.2 Điều khiển điện áp đầu ra tải...................................................................................22
CHƯƠNG 4. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VỚI MATLAB-SIMULINK................................23
4.1 Mô phỏng hệ thống Solar Cell.......................................................................................23
4.1.1 Mô hình hóa hệ thống solar cell trên simulink.........................................................23


4.1.2 Kịch bản mô phỏng..................................................................................................23
4.2 Chất lượng điện áp trước chỉnh lưu..............................................................................23
4.3 Cấp điện cho tải..............................................................................................................24
4.4 Bám công suất cực đại...................................................................................................25
4.5 Quan sát pin sạc và xả điện...........................................................................................26
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................................27

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1. Cấu tạo của tế bào năng lượng mặt trời điển hình...............................................1
Hình 2. Nguyên lý hoạt động của solar cell......................................................................2
Hình 3. Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn..............................................................2
Hình 4. Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời.................................................3
Hình 5. Mạch ngun lí một solar cell..............................................................................5
Hình 6. Mạch ngun lí một array (PV system)...............................................................6
Hình 7. Mơ phỏng simulink cho một array (PV system)..................................................6
Hình 8. Các tham số và chương trình tính các thơng số cơ bản của PV system..............7
Hình 9. Mạch ngun lí boost converter...........................................................................8
Hình 10. Mạch ngun lí bộ nghịch lưu với mạch lọc LC ba pha...................................9
Hình 11. Sơ đồ tương đương của pin..............................................................................12
Hình 12. Bộ chuyển đổi non-isolated bidirectional buck-boost.....................................13
Hình 13. Mơ hình simulink pin và bộ chuyển đổi DC/DC buck-boost..........................14
Hình 14. Lưu đồ thuật tốn MPPT P&O........................................................................15
Hình 15. Mơ phỏng Simulink điều khiển mức cơng suất tối đa.....................................15
Hình 16. Vịng điều khiển tầng cho pin..........................................................................16
Hình 17. Bộ điều khiển pin trong MATLAB Simulink..................................................16
Hình 18. Trạng thái (vector chuẩn) mạch nghịch lưu nguồn áp ba pha.........................17
Hình 19. Thuật tốn xác định vector điện áp đặt trong mỗi sector................................19
Hình 20. Bộ điều khiển PI trong Simulink.....................................................................22
Hình 21. Mơ hình hóa hệ thống solar cell trên simulink................................................23
Hình 22. Kết quả điện áp trước nghịch lưu.....................................................................24
Hình 23. Kết quả điện áp và dịng điện ứng với tải biến thiên.......................................24
Hình 24. Đồ thị cơng suất cực đại theo nhiệt độ do NSX đưa ra...................................25
Hình 25. Kết quả đồ thị công suất bám theo công suất cực đại (chế độ ban ngày).......25
Hình 26. Kết quả đồ thị công suất bám theo công suất cực đại (chế độ ban đêm)........26

Hình 27. Biểu đồ phần trăm pin đo được........................................................................26
i


DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Bảng giá trị điện áp các vector chuẩn................................................................18
Bảng 2. Bảng hệ số điều chế............................................................................................21

ii


CHƯƠNG 1. PIN MẶT TRỜI (SOLAR CELL)

1.1 Giới thiệu
Việc chuyển đổi từ ánh sáng mặt trời thành dòng điện đòi hỏi sự hình thành của
cả điện tích âm và điện tích dương cũng như một lực điều khiển có thể đẩy các điện
tích đó qua mạch điện ngồi. Khi được kết nối với mạch điện bên ngoài, bất kỳ thiết bị
điện nào, chẳng hạn một màn hình máy tính hay một động cơ của máy bơm nước, có
thể sử dụng năng lượng mặt trời đã được chuyển đổi. Trên thực tế, một tế bào năng
lượng mặt trời có thể được hình dung như một cái bơm mà ánh sáng mặt trời điều
khiển electron: Chiều cao tối đa mà các electron có thể được “bơm” tương đương với
điện áp cao nhất mà tế bào năng lượng mặt trời có thể đạt được. Dòng điện lớn nhất
được quyết định bởi “tốc độ bơm”.

1.2 Cấu tạo
Pin năng lượng mặt trời có cấu tạo gồm một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả
năng biến đổi năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện
bên trong.

Hình 1. Cấu tạo của tế bào năng lượng mặt trời điển hình

Lớp màng hữu cơ (Organic Film) có thể là một hoặc nhiều lớp bán dẫn cũng có thể là
một hỗn hợp hay một tổ hợp của chúng.

1


1.3 Nguyên lý hoạt động
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra
trên lớp tiếp xúc p-n.

Hình 2. Nguyên lý hoạt động của solar cell

Hình 3. Hiện tượng quang điện trên lớp bán dẫn

Khi photon chạm vào mảnh silic thì sẽ truyền xuyên qua mảnh silic (thường
xảy ra khi năng lượng của photon thấp hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên
mức năng lượng cao hơn) hoặc năng lượng của photon được hấp thu bởi silic (thường
xảy ra khi năng lượng của photon lớn hơn năng lượng đủ để đưa các hạt electron lên
mức năng lượng cao hơn).

2


Hình 4. Đường đặc tính làm việc U & I của pin mặt trời

1.4 Phân loại và ứng dụng của Solar cell
1.4.1.1 Phân loại
Có ba loại pin mặt trời chính: mono, poly và thin-film . Mỗi loại đều có những

ưu điểm và nhược điểm riêng, và loại pin năng lượng mặt trời phù hợp nhất cho việc
lắp đặt của bạn sẽ phụ thuộc vào các yếu tố cụ thể như tài chính của bạn và đặc điểm
của hệ thống mong muốn.
Loại pin mặt trời

Ưu điểm

Nhược điểm

Mono (đơn tinh
thể)

Hiệu suất cao
nhất.

Giá thành cao.

Poly (đa tinh thể)

Hiệu suất cao.
Giá thành phải
chăng.

Hiệu quả/hiệu suất thấp hơn Mono.

Thin-film (màng
mỏng)

Trọng lượng
nhẹ.

Linh hoạt.

Hiệu quả/hiệu suất thấp nhất.

3


1.4.1.2 Ứng dụng
Pin mặt trời được sử dụng nhiều trong sản xuất cũng như trong đời sống. Một
ứng dụng đơn giản của pin mặt trời trong cuộc sống hàng ngày như đồng hồ, máy tính
… Ngồi ra pin mặt trời còn được ứng dụng trong các thiết bị vận chuyển như ơ tơ,
máy tính cầm tay, điện thoại di động, thiết bị bơm nước. Ngày nay, những ngơi nhà có
gắn những tấm năng lượng mặt trời trên nóc đã trở thành phổ biến và có xu hướng
tăng dần trong tương lai.

4


CHƯƠNG 2. MƠ HÌNH HĨA HỆ THỐNG SOLAR CELL

2.1 Mơ hình hóa solar cell
2.1.1 Mơ hình hóa một cell

Hình 5. Mạch ngun lí một solar cell

-

Luật Kirchoff dịng:
𝐼PK − 𝐼D − 𝐼o = 0
trong đó

o

𝐼=𝐼 +𝐼
p

PV_CELL

=

PV_CELL

P

𝐼
PK

−𝐼 −
D

VD
RP

−𝐼

=0

(1)

PV_CELL

Đặc tính V-I của diode:
𝐼D = 𝐼o (𝑒

-

+𝐼

𝑅

Suy ra

-

𝑉D

7D
7T

− 1)

(2)

Luật Kirchoff áp:
𝑉D = 𝑉PV_CELL + 𝐼PV_CELL𝑅S

(3)

5

Từ (1), (2) và (3) mơ hình tốn của một solar cell sẽ được thể hiện dưới cơng
thức tốn học sau :
− 𝐼 [exp (VP7CELL+IP7CELLRc) − 1] −
+I
R

=𝐼

𝐼

P7_CELL

PV_CELL

PK

V

(4)

P7_CELL c

o

VT

RP

2.1.2 Mô hình hóa một PV system

Hình 6. Mạch ngun lí một array (PV system)

Từ công thức mô tả một cell (4) ta có cơng thức mơ tả một array gồm NP
module nối song song, mỗi module gồm NS cell nối tiếp:
7P7 IP7 Rc
A
A

=𝑁𝐼

𝐼
PV_CELL

−𝑁 𝐼

P PK

P o

exp
[
(

NC

+

NP

VT

−1−
)
]

NP7P7_A NPIP7_ARc
NC

+

NC

RP

2.1.3 Mơ hình hóa PV system trên Simulink

Hình 7. Mơ phỏng simulink cho một array (PV system)

6

(5)


Trong đó f(u) mơ tả đặc tính volt-ampe của lớp chuyển tiếp PN (diode) có dạng
u

hàm số: 𝐼D = 𝐼0[𝑒7T − 1]

Hình 8. Các tham số và chương trình tính các thơng số cơ bản của PV system

Trong đó các tham số cho bởi nhà sản xuất là:


ISC_module: dòng ngắn mạch của một module (short-circuit current)



VOC_module: điện áp hở mạch của một module (open-circuit voltage)



Impp_module: dịng tại cơng suất cực đại của một module



Vmpp_module: điện áp tại công suất cực đại của một module



Np: số module nối song song trong một array



Ns: số cell nối tiếp trong một module

Chương trình tính các thơng số cần cho mơ phỏng:
o G: hiệu suất chuyển đổi quang điện
o Rs: điện trở nối tiếp với array
o RP: điện trở nối song song với array

7


2.2 Bộ biến đổi DC/DC Boost converter
Ở đây, ta muốn công suất của PV system ổn định theo công suất cực đại đã tính
được. Để có thể thiết lập điều khiển dựa trên công suất, trước hết, ta sẽ thiết lập một bộ
DC-DC Boost Converter như dưới đây:

Hình 9. Mạch ngun lí boost converter

Ta mong muốn cơng suất đạt được là bao nhiêu, ta sẽ thiết lập một bộ điều
khiển PI để có thể điều khiển đóng cắt Mosfet sao cho công suất là bám theo công suất
mong muốn.
Cụ thể theo mạch lực như trên, ta có cơng thức liên quan đến bộ điều khiển tăng
áp DC-DC như sau :
𝑈0

(6)

Tc

= TC–Tx
tx

𝐼 = (1 − ) 𝐼
0

Tc

L

Trong đó :
Ts: chu kì đóng cắt van V
0 → 𝑡ss: là thời gian van V mở trong một chu kì TS
𝑡ss → 𝑇SS: là thời gian van V mở trong một chu kì TS

8

(7)


2.3 Bộ biến đổi DC/AC inverter với mạch lọc LC

Hình 10. Mạch nguyên lí bộ nghịch lưu với mạch lọc LC ba pha

Vì điện áp đầu ra là loại DC và khơng nhạy với sự thay đổi của dịng điện và
mật độ chiếu sáng đầu vào đối với một hiệu suất chuyển đổi qunag điện nhất định,
biến đổi DC/AC có thể dễ dàng được thực hiện bằng cách sử dụng trên điều chế độ
rộng xung (PWM) dựa trên biến tần điện áp không đổi (VSI)
-

Bộ lọc LC được thiết kế để giảm bớt lượng sóng hài sau khi chỉnh lưu thường
được áp dụng đối với hệ thống chỉ nối tải.

-

Sử dụng Định luật Kirchhoff cho điện áp và dòng điện trong mạch lọc LC:
1 1
 dVL
 dt  C I  i IC L

f
f

dI
1
1
TV 
V
 T i 
i
 i dt L i L
L
f
f

(1)

Với:
1 -1 0  
T  0 1 -1
i


-1 0 1 

-

Các phương trình trạng thái (1) trong hệ quy chiếu abc có thể được biến đổi
thành các phương trình trong hệ quy chiếu quay d-q:
9

 V

 V  k I



Ld

 V

Lq

  V

1 id

 k I

 kI

1 Ld

 kI


Lq



 Iid  I




-

k1 

Cf
1

, k2 

iq

2 L
q

id

Lf
1

(2)

1 L
q

 k

 k V  k V
V
 2k L  3k i  k4V
V
V

  I

I

1 iq

Với ω là tần số góc (  2 f ) , f

ra, và
-

Ld

, k3 

4 id

3

là tần số cơ bản của điện áp và dòng điện đầu

, k4 
2L f
1

.
1
2 3Lf

Đưa ra các giả định để thiết kế bộ điều khiển: Điện áp mong muốn theo hệ quy
chiếu d-q (VLqr và VLdr) là khơng đổi trong một chu kỳ trích mẫu nhỏ.

-

Dòng điện mong muốn theo hệ quy chiếu d-q (ILd và ILq) thay đổi rất nhỏ trong
một chu kỳ lấy mẫu.
1
I *  I  V
idr

Ld

1
, I *  I  V
Lqr

k1

iqr

Lq

(3)
Ldr

k1

Từ (2) và (3), giá trị của 4 trạng thái được định nghĩa như sau:
x  V  V , x  V  V
1
Ld
Ldr
2
Ld
Ldr
x3  Iid  Iidr , x4  Iiq  Iiqr

Với những định nghĩa này, mơ hình hệ thống (2) được định nghĩa như sau:
 x1   x2  k1x3

x
  2    x1  k1 x4
x   I  k V
 k V
3



iq

2 Ld

(4)

 k V

3 id

4 iq

 x    I  k V  k V  k V
id
2 Lq
4 id
3 iq
 4

Xem xét một yếu tố và sự bất định tham số trong hệ thống, mơ hình (4) trở
thành:
  x1   x2  k1x3  k1x3
x    x  k x  k x
1
1 4
14
  2
x  k V  k V  k V
 k V
3



3 id

4 iq

3 i
d

4 i
q

 (k
2

 k )V
2

Ld

 x   k V  k V  k V  k V  (k  k )V   I
4 id
3 iq
4 id
3 iq
2
2
Lq
id
 4

 I

(5)
iq

10


Với

k1

và

k4

thể hiện sự bất định của các thông số

k1

và

k4

.

Thiết kế bộ điều khiển thích nghi điện áp và phân tích tính ổn định
Các đầu vào điều khiển Vid và Viq được tách thành 2 thành phần tương ứng:
Vid  Vid 1  Vid 2 ,Viq  Viq1  Viq 2

Với Vid1và Viq1 là các thành phần phản hồi để ổn định sai lệch trong hệ thống,
còn Vid2 và Viq2 là thành phần bù phi tuyến được cho bởi công thức:

V

 id 2 


 V

 iq 2


 k4 Iid  k3 Iiq
(k 2  k 2 )
 k  I3  k  4I
4

iq

3

(6)
id

(k 2  k 2 )
3

4

Viết lại dưới dạng không gian trạng thái là:
x  ( A  A)x  B[u  f (x, t)],
f (x, t)  [ f1 (x, t) f2(x, t)]T  W *
 0  k1 0 
 0 0 k1 0 

- 0 0 k
0 0 0 k
1 
A
1
A  
 EF k
,
0 0 0 0 
0 0 0 0 
0 0 0 0
0 0 0 0





1

2.4 Mơ hình pin
2.4.1 Mơ hình hóa pin
Pin là một nguồn điện hóa có tác dụng chia sẻ công suất với solar cell để đáp
ứng công suất phía tải.
Pin ln được đặc trưng trong mạch điện bởi hai thông số là suất điện động E
và điện trở trong Rb của pin. Trong đó suất điện động E là đại lượng luôn biến thiên
theo thời gian làm việc của pin, mô tả như sơ đồ tương đương sau:

11