Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC DC, DC AC

vi


Trang tựa TRANG
Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân i
Lời cam đoan ii
Cảm tạ iii
Tóm tt iv
Mục lục vii
Danh sách các chữ viết tt x
Danh sách các hình xi
Danh sách các bảng xv

 1
1.1 Tính cần thiết của đề tài. 1
1.2 Pin quang điện (PV). 2
1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc lp. 5
1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng. 6
1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV. 6
1.4 Các nghiên cứu khoa học có liên quan. 10
1.5 Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học. 11
1.6 Nhiệm vụ của lun văn 12
1.7 Phạm vi nghiên cứu 12
1.8 Phương pháp nghiên cứu 12
1.9 Giá trị thực tiễn của đề tài 13
 14
2.1 Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. 14
2.1.1 Cấu tạo 14
2.1.2 Nguyên lý hoạt động 14

vii
2.1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời 17
2.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lp 20
2.2.1 Bộ biến đổi DC/DC 20
2.2.1.1 Các loại bộ biến đổi DC/DC 21
2.2.1.2 Điều khiển bộ biến đổi DC/DC 26
2.2.2 Bộ biến đổi DC/AC. 27
2.3 Phương pháp dò tìm điểm công suất cực đại MPPT 28
2.3.1 Giới thiệu chung 28
2.3.2 Nguyên lý cân bằng tải 30
2.3.3 Thut toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT 31
2.3.3.1 Thut toán nhiễu loạn và quan sát P&O 32
2.3.3.2 Thut toán P&O trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 33
2.3.4 Phương pháp điều khiển MPPT. 34
2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp. 34
2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. 35
2.3.5 Giới hạn của MPPT. 37
2.4 Bộ lưu giữ năng lượng 37
2.4.1 Các loại c quy. 38
2.4.1.1 c quy chì ậ axit 38
2.4.1.2 c quy kiềm 39
2.4.2 Các đặc tính của c quy. 39
2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu là C) 39
2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất 39
2.4.2.3 Điện áp hở mạch 40
2.4.3 Chếđộ làm việc của c quy (xét c quy chì - axit) 40
2.4.3.1 Nạp c quy 40
2.4.3.2 c quy phóng 40
2.4.4 Các chế độ của bộ nguồn nạp c quy 41

2.4.4.1 Nạp với dòng không đổi 41

viii
2.4.4.2 Nạp với áp không đổi 41
2.4.4.3 Nạp nổi 42

 43

3.1 Điểm công suất cực đại 43
3.2. Giải thut P&O (Perturb & Observe) 45
3.2.1 Lưu đồ giải thut P&O 47
3.2.2 Mô phỏng giải thut P&O bằng Matlab 47
3.2.3 Nhược điểm của giải thut P&O 48
3.3 Giải thut P&O cải tiến 50
3.3.1 Lưu đồ giải thut P&O cải tiến 52
3.3.2 Mô phỏng giải thut P&O cải tiến bằng Matlab 53
3.4 Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch 54
3.4.1 Lưu đồ giải thut điều khiển điện áp hở mạch 55
3.4.2 Mô phỏng giải thut điều khiển điện áp hở mạch 56
3.5 Phương pháp tăng tổng dẫn 58
3.5.1 Lưu đồ giải thut tăng tổng dẫn 59
3.5.2 Mô phỏng giải thut tăng tổng dẫn 61
3.6 Nhn xét chung 62
3.6.1 u điểm 62
3.6.2 Khuyết điểm 62
3.6.2.1 Đối với giải thut P&O cải tiến 62
3.6.2.2 Đối với thut toán điều khiển điện áp hở mạch 63
3.6.2.3 Đối với thut toán tăng tổng dẫn 63

 64

 DC, DC  
4.1 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC kết hợp MPPT 64

ix
4.1.1 Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC) 64
4.1.2 Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cựa đại) 66
4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của MPPT 68
4.1.2.2 Mô phỏng MPPT và kết quả 71
4.2 Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ AC 72
4.2.1 Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM 72
4.2.2 Bộ nghịch lưu áp một pha 74
4.2.2.1 Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu 75
4.2.2.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu áp một pha 78
4.2.3 Bộ nghịch lưu áp ba pha 79
4.2.3.1 Phân tích điện áp bộ nghịch lưu áp ba pha 80
4.2.4 Mô phỏng theo phương pháp P&O 82
4.2.5 Mô phỏng theo phương pháp tăng tổng dẫn 83
4.2.6 Mô phỏng theo phương pháp tỷ lệ điện áp hở mạch 85
4.2.7 Nhn xét chung 86

 88
5.1 Kết lun 88
5.2 Hướng phát triển của đề tài 88

T 90
 92

x


GP : ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất.
Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất.
MPP : ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu
được cực đại.
MPPT : ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có công
suất cực đại
P&O : ( Perturb & Observe ) thut toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến
điểm cực đại.
PV : (photovoltaic) pin quang điện, biến quang năng thành điện năng.


xi
DANH SÁCH CÁC HÌNH

HÌNH TRANG
Hình 1.1: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 2
Hình 1.2: Đường đặc tính làm việc V ậ I của pin mặt trời 2
Hình 1.3: Mc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay 3
kết nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn.
Hình 1.4: Khi mc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngn mạch của hệ 4
thống sẽ bằng dòng ngn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống
bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.
Hình 1.5: Khi mc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngn mạch của 4
hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong
hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lp 5
Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời 7
Hình 1.8: Đường cong đặc tính I ậ V và P - V hệ thống pin mặt trời 8
Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I ậ V và đặc tính tải khi cường 9
độ bức xạ thay đổi

Hình 1.10: (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I ậ V.(c) đặc tính P ậ V 9
Hình 1.11: Đường cong đặc tính P ậ V thay đổi khi dãy PV bị bóng che 10
Hình 2.1: Cấu tạo của pin mặt trời 13
Hình 2.2: Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 13
Hình 2.3: Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E
1
< E2 14
Hình 2.4: Các vùng năng lượng 14
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời 16
Hình 2.6: Đường đặc tính làm việc V ậ I của pin mặt trời 17
Hình 2.7: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời 17
Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời 18
phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời.

xii
Hình 2.9: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt 19
độ của pin
Hình 2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời 19
Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck 21
Hình 2.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck 21
Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 23
Hình 2.14: Dạng sóng dòng điện của mạch Boost 23
Hình 2.15: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck ậ Boost 24
Hình 2.16: Mạch vòng điều khiển điện áp 25
Hình 2.17: Mạch vòng dòng điện phản hồi 26
Hình 2.18: Bộ biến đổi DC/AC 1 pha dạng nửa cầu và hình cầu 26
Hình 2.19: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Full-bridge 27
Hình 2.20: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu kiểu Half-bridge 27
Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được mc trực tiếp với một tải thuần trở 28
có thể thay đổi giá trị điện trở được

Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị 28
điện trở thay đổi được
Hình 2.23: Tổng trở vào R
in
được điều chỉnh bằng D 30
Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I ậ V của pin khi cường độ bức xạ 30
thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2.25: Đặc tính làm việc I ậ V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng 31
một mức cường độ bức xạ
Hình 2.26: Thut toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 31
Hình 2.27: Đường cong P ậ V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần 32
Hình 2.28: Sơ đồ khối của phương pháp điều khiển trực tiếp MPPT 33
Hình 2.29: Mối quan hệ giữa tổng trở vào của mạch Boost và 34
hệ số làm việc D
Hình 2.30: Lưu đồ thut toán P&O dùng trong phương pháp điều khiển 35
đo trực tiếp tín hiệu ra

xiii
Hình 3.1: Các trường hợp hở mạch (a), ngn mạch (b), và kết nối tải (c) 44
Hình 3.2: Đồ thị V-A và công suất 44
Hình 3.3: Đồ thị xác định MPP 45
Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra 46
Hình 3.5: Lưu đồ giải thut P&O 47
Hình 3.6: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut P&O 48
Hình 3.7: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ không đổi 48
Hình 3.8: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ thay đổi 49
Hình 3.9: Hệ Pin PV phát năng lượng về lưới điện 49
Hình 3.10: Khi chiếu độ thay đổi điểm công suất cực đại 50
sẽ sai theo giải thut P&O
Hình 3.11: Cấu tạo một Cell PV 51

Hình 3.12: Đặc tuyến I-P của PV khi chiếu độ thay đổi 53
Hình 3.13: Lưu đồ giải thut P&O cải tiến 53
Hình 3.14: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut P&O cải tiến 54
Hình 3.15: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ không đổi 55
Hình 3.16: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi chiếu độ thay đổi 55
Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch 57
Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut điều khiển điện áp hở mạch 58
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thut toán điều khiển điện áp hở mạch 59
chiếu độ không đổi
Hình 3.20: Kết quả mô phỏng thut toán điều khiển điện áp hở mạch 59
chiếu độ không đổi
Hình 3.21: Đặc tuyến đường cong công suất PV 59
Hình 3.22: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thut tăng tổng dẫn 61
Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thut toán tăng tổng dẫn chiếu độ không đổi 61
Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thut toán tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi 62
Hình 3.25: Sự giao động của điểm MPP với phương pháp P&O cải tiến 63

xiv
Hình 4.1: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một module khi 64
cường độ bức xạ thay đổi từ 400W/m2 đến 1000W/m2
Hình 4.2: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một module khi 64
nhiệt độ thay đổi từ 0 đến 75
o
C
Hình 4.3: Sự thay đổi cường độ bức xạ theo thời gian trong ngày 65
(số liệu ghi nhn chỉ có tính tương đối)
Hình 4.4: Kết quả mô phỏng thut toán P&O khi cường độ bức xạ 67
thay đổi từ 200 W/m2 đến 1000W/m2
Hình 4.5: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 68
hai tp hợp con trong nhóm1

Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 68
hai tp hợp con trong nhóm 2
Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của 69
một tp hợp con trong nhóm 3
Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của mỗi tp 69
hợp nối tiếp trong mỗi nhóm từ 1 đến 3
Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của mỗi nhóm 70
từ 1 đến 3
Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V của một dãy PV 71
Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P ậ V, tp hợp nối tiếp, nhóm, dãy 73
trong hình 4.8, hình 4.9, hình 4.10,
Hình 4.12: Kết quả mô phỏng thut toán P&O dưới điều kiện dãy 75
PV bị bóng che một phần
Hình 4.13: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 75
của hai tp hợp con trong nhóm 1.
Hình 4.14: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 78
của hai tp hợp con trong nhóm 2.
Hình 4.15: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 80
của hai tp hợp con trong nhóm 3.

xv
Hình 4.16: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 81
của hai tp hợp con trong nhóm 4.
Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I ậ V và P ậ V 81
của một tp hợp con trong nhóm 5.
Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O 82
Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu
0a
U
và dòng điện pha

a
i
83
Hình 4.20: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 83
Hình 4.21: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn 84
Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu
0a
U
và dòng điện pha
a
i
84
Hình 4.23: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 85
Hình 4.24: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp điện áp hở mạch 86
Hình 4.25: Điện áp nghịch lưu
0a
U
và dòng điện pha
a
i
86
Hình 4.26: Dòng điện sau khi qua bộ lọc 87
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
1


1.1 
Nguồn năng lượng đóng vai trò quyết định nền văn minh của nhân loại. Các
nguồn năng lượng hóa thạch (dầu lửa, than đá) hiện nay đang được sử dụng phổ

biến nhưng lại gây ô nhiễm môi trường và sẽ cạn kiệt trong một tương lai gần.
Nguồn năng lượng nguyên tử thì không an toàn. Trong khi đó mặt trời cung cấp một
nguồn năng lượng vô cùng tn và gần như hoàn toàn miễn phí cũng như không sản
sinh ra chất thải hủy hoại môi trường. Tuy nhiên năng lượng mặt trời vẫn còn đang
trong thời kỳ đầu của những ứng dụng vì nó đòi hỏi những đầu tư rất lớn cho thiết
bị nhưng lại chỉ chuyển hóa được một lượng rất nhỏ năng lượng từ mặt trời sang
dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không
đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và
hiệu quả. Tn dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán
năng lượng của nhân loại.
Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt
trời và pin quang điện :
- Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ
để tp trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi
nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng
- Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng được sinh ra
khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện
chức năng này bằng cách nhn năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể
bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn
nhiên liệu.
 đây ta tp trung vào lĩnh vực thứ nhất , tức biến đổi trực tiếp quang năng
thành điện năng. Tuy nhiên nó có công suất không lớn và giá thành còn quá đt. Do
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
2
đó để nâng cao công suất và giảm chi phí, thì ta phải đi nghiên cứu các phương
pháp sao cho công suất của nguồn năng lượng mặt trời thu được là lớn nhất, từ đó
thiết kế và điều khiển tối ưu các bộ thu năng lượng mặt trời.
Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lượng mặt trời với các
phương pháp để thu được công suất cực đại trong hệ năng lượng mặt trời và bộ

chuyển đổi năng lượng DC ậ DC, DC ậ AC.
1.2 Pin .
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện
năng. Kỹ thut tạo pin PV rất giống với kỹ thut tạo ra các linh kiện bán dẫn như
transistor, diode … Pin quang điện là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện trong
bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra dòng điện một
chiều từ ánh sáng mặt trời. Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh
kiện bán dẫn khác thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.


Hình 1.1 Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
3

Hình 1.2 Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
- Tấm pin (12-V module) gồm có 36 tế bào đôi khi chỉ là 33 tế bào.
- Tấm pin (24-V module) gồm có 72 tế bào là sự ghép song song 2 khối 12-V
module.
- Một bảng gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau. Ghép sao cho phát ra dòng và
áp đảm bảo nhu cầu người tiêu dùng.
Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành
điện năng. Mỗi tấm pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều
tấm pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn
đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như:
30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp. Điện áp của các tấm
pin thường là 12VDC. Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép
nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm pin mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song
song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời (array). Để đạt được hiệu năng tốt
nhất, những tấm pin phải luôn được phơi nng và hướng trực tiếp đến mặt trời.

Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ
trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều
nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Chất liệu bán dẫn làm pin.
- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời
- Thời tiết khí hu, mùa trong năm.
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
4
- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều
Các tấm pin mặt trời được lp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản xuất đã đảm
bảo được các thay đổi của khí hu, thời tiết, mưa bão, sự ăn mòn của nước biển, sự
oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm.

Hình 1.3 Mắc nối tiếp hoặc song song các pin mặt trời tạo thành tấm hay kết
nối các tấm pin lại tạo thành dãy để đạt công suất cao hơn.

Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống hết
nhau, các thông số dòng ngn mạch I
SC
, điện áp hở mạch V
OC
bằng nhau. Giả sử
cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi đó

- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.

Hình 1.4 Khi mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ thống
sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống bằng tổng áp hở
mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.

- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
5

Hình1.5 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ
thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp
hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
1.3  .
Hệ pin mặt trời (hệ PV ậ photovoltaic system) nhìn chung được chia thành 2 loại
cơ bản:
- Hệ PV làm việc độc lp
- Hệ PV làm việc với lưới
- Hệ PV độc lp thường được sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới
điện không kéo đến được.
- Còn trong hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mc với lưới điện
qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng. Trong hệ này, bộ biến đổi
DC/AC làm việc với lưới phải đồng bộ với lưới điện về tần số và điện áp.
Trong đề tài này chỉ nghiên cứu về hệ PV làm việc độc lp


Hình 1.6 Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
6
Hệ PV làm việc độc lp gồm có 2 thành phần chính là:
- Thành phần lưu giữ năng lượng.
- Các bộ biến đổi bán dẫn.

1.3.1 Thành phần lưu giữ năng lượng.
Hệ quang điện làm việc độc lp cần phải có khâu lưu giữ điện năng để có thể
phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nng, ánh sáng yếu hay vào ban đêm.
Có nhiều phương pháp lưu trữ năng lượng trong hệ PV. Phổ biến nhất vẫn là sử
dụng c quy để lưu trữ năng lượng. c quy cần phải có một bộ điều khiển nạp để
bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của c quy.
1.3.2 Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ PV.
Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến
đổi DC - AC.
 Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của
pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho
tải và c quy. Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và
phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho c quy. Có nhiều loại bộ biến đổi
DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp
Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost ậ Buck. Cả 3 loại
DC - DC trên đều sử dụng nguyên tc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ
được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng. Tùy theo mục đích và nhu
cầu mà bộ DC - DC được lựa chọn cho thích hợp.
Khóa điện tử trong mạch DC - DC được điều khiển đóng ct từng chu kỳ.
Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thut toán xác định điểm làm
việc tối ưu (MPPT ậ Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo cho hệ quang
điện được làm việc hiệu quả nhất.
 Bộ DC - AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110
hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay
chiều. Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC - AC, chúng có thể làm việc cả hai chế
độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
7
chiều. Nhìn chung, bộ biến đổi DC - AC trong hệ PV độc lp có thể làm việc

ở mức điện áp một chiều là 12, 24, 48, 96, 120, 240 VDC tuỳ từng hệ.
Bộ biến đổi dùng trong hệ PV độc lp có những đặc điểm sau:
- Điện áp ra hình Sin.
- Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép.
- Bám sát được sự thay đổi của điện áp vào.
- Điều chỉnh điện áp ra.
- Hiệu quả cao đối với tải nhẹ.
- Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hư hại đến các thiết bị điện khác như tivi,
tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị.
- Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngn trong trường hợp dòng khởi
động lớn như của máy bơm…
- Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngn mạch….
- Dung lượng đặc tính.
- Tổn hao không tải thấp.
Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET,
IGBT. MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5KVA và điện áp
là 96 VDC. Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao. Do có điện áp
rơi là 2 VDC. Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên
96 VDC.
Hệ PV độc lp thường sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp 1 pha hoặc 3 pha.
Bộ biến đổi DC - AC thường sử dụng là :
Bộ biến đổi có dạng sóng giả Sin, nó là sự lựa chọn rất kinh tế và đặc biệt
phù hợp với hệ quang điện.
Bộ biến đổi có dạng sóng ra hình Sin giống như dạng sóng của điện lưới nên
tương thích và đáp ứng với hầu hết các loại tải. Bộ biến đổi dạng sóng sin có giá
thành lớn hơn bộ biến đổi dạng gần sin, nhưng chất lượng điện áp của bộ biến đổi
loại này là một ưu điểm lớn.
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
8

Phương pháp điều khiển PWM được sử dụng để giúp bộ biến đổi tạo được
đầu ra có dạng Sin.
 
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm điểm làm
việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển
chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC - DC. Phương pháp MPPT được sử
dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lp và đang dần được áp
dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới.
MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải
để khuyếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc
thay đổi, và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép
nối với bộ biến đổi DC - DC và một bộ điều khiển.

Hình 1.7 Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời
Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy
nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu
điểm hơn bộ điều khiển tương tự. Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lp trình
được vì vy khả năng thực hiện các thut toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Mặt khác bộ
điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này
hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính. Vì vy, bộ điều khiển số có
trạng thái ổn định lâu hơn. Không chỉ có vy, bộ điều khiển MPPT số không phụ
thuộc vào dung sai của các bộ phn khác vì nó thực hiện thut toán ở phần mềm,
nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được. Bộ điều khiển loại
này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
9
nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D
nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị
chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.

  
Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin
quang điện PV có thể xem là trường hợp ngược lại của diode quang. Diode
quang nhn năng lượng điện sinh ra ánh sáng, pin PV nhn năng lượng ánh sáng
sinh ra điện.
PV có đặc tính phi tuyến như hình vẽ sau

Hình 1.8 Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời

Trên hình vẽ ta thấy đặc tính PV có một điểm mà ở đó công suất thu được là
cực đại, đó cũng chính là mục tiêu của hệ thống MPPT.
Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, do đó các điểm MPP cũng
thay đổi, giả sử tải là một điện trở, ta có đường đặc tính làm việc sau:

Hình 1.9 Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức
xạ thay đổi
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
10
Để tải hoạt động ở chế độ maximum công suất PV, ta cần sử dụng bộ
converter DC ậ DC linh kiện đóng ct có thể là BJT, MOSFET, IGBT … để thay
đổi điện áp và dòng điện đầu ra sao cho đặc tính tải làm việc ngay điểm có công
suất lớn nhất.
Vy dòng điện, điện áp ngõ ra như thế nào để đạt được công suất cực đại của
PV, điều khiển khoá dòng ct ra sao ? Để đạt được đáp án này ta cần phải có thut
toán cho hệ MPPT.
Nhưng khi hệ PV bị bóng che một phần (như bị cây cối, các tòa nhà, đám
mây che v.v ), lúc này cường độ bức xạ, nhiệt độ trên các vị trí của dãy PV là
khác nhau, do đó các đường đặc tính I ậ V và P ậ V cũng sẽ thay đổi và có dạng
như hình 1.10.

Hình 1.10. (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V
Hình 1.10 (c), có đến 3 đỉnh công suất, đỉnh GP (đỉnh có công suất lớn nhất)
và 2 đỉnh local (đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất). Nhiệm vụ thut toán
là tìm ra điểm GP, nhưng thut toán thông thường có thể không tìm ra chính xác
điểm này, do đó cần có một thut toán kết hợp để tìm ra điểm GP trong điều kiện
dãy PV bị bóng che một phần
1.4 
 Comparison of photovoltaic array maximum power point tracking
techniques, 2006, Trishan Esram, Patrik L.Chapman.
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
11
 Maximum Power Point Tracking Scheme for PV Systems Operating Under
Partially Shaded Conditions
Các bài báo khoa học này đề cp đến nhiều thut toán như: P&O, Incremental
conductance, P&O Under Partially Shaded Conditions, … Tuy nhiên chúng ta chỉ
giới hạn xem xét thut toán P&O và P&O Under Partially Shaded Conditions.
1.5 
 .
Thut toán P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường thay đổi quá nhanh,
hoặc cường độ chiếu sáng không đều trên dãy PV.

Hình 1.11. Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che

Trong điều kiện môi trường không thay đổi ( cường độ bức xạ đồng nhất):
đường cong P
1
không đổi, điểm hoạt động của dãy PV dưới giải thut P&O sẽ dao
động xung quanh điểm cực đại A.

Khi dãy PV bị bóng che một phần (ví dụ có đám mây bay qua), đường cong P
1

trở thành P
2
( do cường độ bức xạ không đồng nhất), thut toán P&O sẽ hoạt động
chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thut toán P&O sẽ dò ra
điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất
(điểm có công suất lớn nhất là điểm C).
Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
12
 P&O Under Partially Shaded Conditions.
Nhược điểm của phương pháp này là mạch điều khiển phức tạp. Tuy nhiên
ngày nay với sự xuất hiện của nhiều phần mềm hay các bộ vi xử lý thì nhược điểm
này có thể khc phục phần nào.
1.6 
Lun văn ắ Khảo sát các thut toán MPPT ( dò tìm điểm công suất cực đại) và bộ
chuyển đổi DC ậDC, DC ậ AC ” có nội dung chủ yếu:
- Nghiên cứu tổng quan cơ sở lý thuyết về hệ năng lượng mặt trời.
- Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC và DC ậ AC.
- Nghiên cứu và mô phỏng thut toán P&O.
- Nghiên cứu tổng quan các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC và DC ậ AC.
- Kết quả nghiên cứu của lun văn.
1.7 
- Chỉ nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời làm việc độc lp.
- Trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lp chỉ tp trung nghiên cứu thut toán
dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT).
- Nghiên cứu và mô phỏng thut toán P&O.
- Nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC, DC ậ AC kết hợp với MPPT.

1.8 
 Thu thp, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài lun văn.
 Xây dựng mô hình mô phỏng các thut toán.
 Phân tích, đánh giá những kết quả nhn được và các kiến nghị.

Chương 1 Tổng quan
Luận văn thạc sĩ Lý Công Nguyên
13
1.9 
Từ xu hướng nghiên cứu về năng lượng tái tạo nhằm góp phần tiết kiệm năng
lượng, cũng như giảm tải cho nguồn điện lưới quốc gia một phần năng lượng. Nhưng chi
phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vy ta phải tn dụng được công
suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường. Chính vì những lý do trên,
đề tài: ắKhảo sát thut toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC ậ
DC, DC ậ AC ” được hình thành.
Với kết quả nhn được có thể:
 Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
dựa vào các thut toán MPPT và các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC ậ DC, DC - AC.
 Có thêm một hướng nhìn mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.

Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
Luận văn thạc sĩ 14 Lý Công Nguyên
 2
 LÝ THUYT
2.1 n, cu to và nguyên lý hong.
Pin quang điện (PV) còn gọi là pin mặt trời là thiết bị ứng dụng hiệu ứng
quang điện trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện bên trong) để tạo ra
dòng điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện
nay là loại sử dụng Silic tinh thể. Tinh thể Silic tinh khiết là chất bán dẫn điện rất
kém vì các điện tử bị giam giữ bởi liên kết mạng, không có điện tử tự do. Khi bị ánh

sáng hay nhiệt độ kích thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử
tích điện âm nhảy từ vùng hoá trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện
dương trong vùng hoá trị. Lúc này chất bán dẫn mới dẫn điện.
2.1.1 Cu to
Cấu tạo của pin mặt trời là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực
tiếp năng lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong.

Hình 2.1 Cấu tạo của pin mặt trời.
2.1.2 nguyên lý hong

Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.


Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết
Luận văn thạc sĩ 15 Lý Công Nguyên


Hình 2.3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E
1
< E
2
.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E
1
.Khi chiếu sáng hệ thống,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số
ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E
2
.
Phương trình cân bằng năng lượng:

hv = E
1
-E
2

Trong các vật rắn ,do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài ,
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo
thành vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng
thái cân bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng E
V
. Vùng năng
lượng phía trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn,
bên dưới của vùng có năng lượng là E
C
, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó
gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng
lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng
hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng
dẫn để trở thành điện tử tự do e
-
,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di
chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h
+
). Lỗ trống này có thể
di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hình 2.4 Các vùng năng lượng.