Nghiên cứu cấu trúc bộ biến đổi DC AC sử dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. 1
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ......................... 4
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời.......................................................................... 4
1.2. Giới thiệu về tấm pin mặt trời...................................................................... 4
1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 4
1.2.2. Ứng dụng .................................................................................................. 5
1.2.3. Tấm năng lƣợng mặt trời .......................................................................... 6
1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lƣợng mặt trời ............................................. 7
1.3. Giới thiệu về hệ thống pin năng lƣợng mặt trời .......................................... 9
CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC MẠCH CÔNG SUẤT CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................... 12
2.1. Giới thiệu về van công suất IGBT ............................................................... 12
2.1.1. Cấu tạo....................................................................................................... 12
2.1.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................... 12
2.1.3. Van công suất IGBT SPW20N60C3 ......................................................... 14
2.2. Bộ biến đổi DC/DC ...................................................................................... 15
2.2.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC ..................................................................... 15
2.2.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ................................................................. 21
2.3. Bộ biến đổi DC/AC ...................................................................................... 23
2.4. Cấu trúc điều khiển ...................................................................................... 23
2.5. Cấu trúc mạch công suất .............................................................................. 26
2.5.1. Giới thiệu về bộ nghịch lƣu....................................................................... 26
2.5.2. Bộ nghịch lƣu áp một pha ......................................................................... 26
2.5.3. Nguyên lý làm việc ................................................................................... 27
1


CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
............................................................................................................................. 29

3.1. Cấu tạo của bộ biến đổi DC - AC ................................................................ 29
3.2. Điều khiển trong điều kiện không nối lƣới .................................................. 31
3.3. Thiết lập phần cứng kết nối toàn hệ thống ................................................... 32
3.3.1. Cài đặt mạch DC-DC với mạch nạp DSP ................................................. 32
3.3.2. Cài đặt mạch chuyển đổi DC-AC và phụ tải............................................. 32
3.4. Cấu trúc điều khiển thực hiện trên phần mềm CCS ..................................... 33
3.4.1. Giới thiệu các khối .................................................................................... 33
3.4.2. Các bƣớc thiết kế ....................................................................................... 36
3.5. Giao diện điều khiển bộ biến đổi DC/AC trong hệ thống pin năng lƣợng mặt
trời ....................................................................................................................... 41
3.5.1. Giới thiệu tổng quan về giao diện ............................................................. 41
3.3.2 Kiểm tra tình trạng của mạch chuyển đổi DC-AC ..................................... 43
3.5.3. Bật/Tắt ...................................................................................................... 43
3.5.4. Dƣ̃ liê ̣u thời gian thƣ̣c ............................................................................... 43
KẾT LUẬN ......................................................................................................... 45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 46

2


LỜI MỞ ĐẦU
Tính cấp thiết của đề tài: Trong sinh hoạt đời sống việc sử dụng năng
lƣợng ngày càng nhiều khiến cho nguy cơ kiệt quệ nguồn năng lƣợng, cùng với
đó là ô nhiễm môi trƣờng và làm gia tăng hiệu ứng nhà kính gây tác hại xấu đến
con ngƣời. Từ đó nhu cầu cấp thiết của con ngƣời là cần chuyển dần sang sử
dụng nguồn năng lƣợng sạch, năng lƣợng tái tạo. Một trong những nguồn năng
lƣợng xanh đó là năng lƣợng mặt trời. Việc biến đổi và sử dụng nguồn năng
lƣợng mặt trời đã đƣợc thử nghiệm, nghiên cứu và đang đƣợc đƣa vào lắp đặt và
sử dụng ở nhiều nơi trên thế giới.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn: Giúp sinh viên tự tìm tòi học hỏi, và hiểu

đƣợc quy trình của một hệ pin năng lƣợng mặt trời vấn đề điều khiển có liên
quan, từ đó sẽ làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dào cho sinh viên khi hoạt
động trong các công tác chuyên ngành của mình và các hoạt động trong đời sống
về lĩnh vực thiết kế, thi công, quản lý hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Lý do chọn đề tài: Từ vai trò quan trọng của pin năng lƣợng mặt trời và
vấn đề chuyển đổi năng lƣợng điện từ hệ pin mặt trời. Dƣới sự hƣớng dẫn của
thầy: T.S Phạm Tâm Thành, em đi sâu “Nghiên cứu cấu trúc điều khiển bộ biến
đổi DC/AC trong hệ thống pin năng lượng mặt trời’’. Nội dung gồm ba chƣơng
với nội dung tổng quát nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Chƣơng 2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC/AC trong
hệ thống pin năng lƣợng mặt trời.
Chƣơng 3. Hệ thống thực nghiệm và kết quả thực nghiệm
Trong quá trình thực hiện đồ án đƣợc sự chỉ bảo tận tình của thầy
hƣớng dẫn, em đã hiểu hơn về những gì mình đƣợc học trƣớc đây, đồng thời
cũng rút ra cho mình nhiều kinh nghiệm bổ ích trong quá trình thực hiện mạch.
Em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp em hoàn thành đồ án này

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời đã đƣợc con
ngƣời khai thác ngay từ thời cổ đại. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ
cấp của năng lƣợng mặt trời nhƣ sức gió và sức sóng, sức nƣớc và sinh khối làm
thành hầu hết năng lƣợng tái tạo có sẵn trên trái đất. Chỉ một phần rất nhỏ của
năng lƣợng mặt trời có sẵn đƣợc sử dụng.
Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện.
Ngày nay, con ngƣời đã sử dụng loại điện năng này để ứng dụng trong nhiều

lĩnh vực nhƣ sƣởi ấm không gian và làm mát thông qua kiến trúc năng lƣợng
mặt trời, chƣng cất nƣớc uống và khử trùng, chiếu sáng bằng ánh sáng ban ngày,
bình nƣớc nóng năng lƣợng mặt trời, nấu ăn năng lƣợng mặt trời... Để thu năng
lƣợng mặt trời, cách phổ biến nhất là sử dụng tấm năng lƣợng mặt trời.
1.2. Giới thiệu về tấm pin mặt trời
1.2.1. Định nghĩa
Pin năng lƣợng Mặt trời hay pin mặt trời hay pin quang điện (Solar panel)
bao gồm nhiều tế bào quang điện (solar cells) - là phần tử bán dẫn có chứa trên
bề mặt một số lƣợng lớn các cảm biến ánh sáng là điốt quang, thực hiện biến đổi
năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện.
- Lợi ích của năng lƣợng mặt trời:
Lợi ích về kinh tế:
 Sau sự đầu tƣ ban đầu, năng lƣợng mặt trời đƣợc tạo ra là hoàn toàn
không mất phí nhƣ là xăng dầu, nhiên liệu, …
 Giai đoạn thu hồi vốn có thể rất ngắn phụ thuộc vào lƣợng điện năng sử
dụng.
 Giúp giảm lƣợng điện năng tiêu thụ từ mạng điện lƣới quốc gia và các
nhà máy điện
 Giúp tiết kiệm chi phí và hóa đơn tiền điện.
 Năng lƣợng mặt trời không yêu cầu chất đốt hay nhiên liệu.
4


 Năng lƣợng mặt trời không ảnh hƣởng tới sự cung và cầu của nhiên liệu.
 Năng lƣợng mặt trời có thể đƣợc dùng gián tiếp.
Lợi ích về môi trường:
 Năng lƣợng mặt trời có thể tái sử dụng, sạch và giúp bảo vệ môi trƣờng.
 Năng lƣợng mặt trời không làm nhiễm bẩn không khí (không tạo ra khí
CO2, SO2, NO2, thủy ngân).
 Năng lƣợng mặt trời giảm sự nóng lên toàn cầu, mƣa axit, hay sƣơng

mù.
 Năng lƣợng mặt trời giảm lƣợng khí thải gây ra do hiệu ứng nhà kính.
Hệ thống năng lƣợng là hệ độc lập hoặc hệ lai:
 Năng lƣợng mặt trời đƣợc dùng để cân bằng năng lƣợng tiêu thụ, nó
không chỉ giúp giảm chi phí về tiền điện mà còn cung cấp điện cho hộ gia đình,
cho khu sản xuất khi điện lƣới mất.
 Hệ thống năng lƣợng mặt trời có thể làm việc hoàn toàn độc lập, không
cần kết nối tới nguồn điện lƣới.
 Việc sử dụng năng lƣợng mặt trời giúp giảm sự phụ thuộc vào các vốn
đầu tƣ của nƣớc ngoài, sự ảnh hƣởng của thảm họa tự nhiên, biến cố toàn cầu.
Lợi ích về công nghệ:
 Hệ thống năng lƣợng mặt trời hầu nhƣ không cần bảo dƣỡng.
 Hệ thống đƣợc cài đặt một lần, không yêu cầu về chi phi kiểm tra định
kì.
 Hệ thống pin mặt trời làm việc yên tĩnh, do không có bộ phận chuyển
động nên ít bị hƣ hỏng về cơ khí.
 Hệ thống pin mặt trời có thể dễ dàng lắp đặt thêm vào trong tƣơng lai
khi cần thiết.
1.2.2. Ứng dụng
Pin mặt trời đã đƣợc ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Chúng đặc biệt
thích hợp cho các vùng lƣới điện không đến đƣợc.

5


Pin mặt trời sử dụng tích hợp vào thiết bị từ chiếc đồng hồ đeo tay nhỏ bé,
chiếc điện thoại dắt trong túi quần cho đến những chiếc xe điện mặt trời chạy
trên mặt đất hay những chú robot trên sao Hỏa... Sự tích hợp của Pin Mặt Trời
mang lại một sự khác biệt cho các thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừa tiện dụng và thân
thiện với môi trƣờng.

Nguồn điện di động: Nguồn điện này sẽ cấp điện cho các thiết bị điện tại
bất cứ nơi đâu, đặc biệt là những nơi không có điện lƣới nhƣ vùng sâu vùng xa,
hải đảo, trên biển...Các ứng dụng nguồn điện di động có thể kể đến đó là Bộ sạc
năng lƣợng mặt trời, cặp năng lƣợng mặt trời, áo năng lƣợng mặt trời, trạm điện
mặt trời di động.
Nguồn điện cho tòa nhà: Nguồn điện cho tòa nhà là một trong những giải
pháp vừa giúp giảm hóa đơn tiền điện hàng tháng, vừa giúp giảm đầu tƣ của xã
hội cho các công trình nhà máy điện. Sử dụng nguồn điện mặt trời trong gia đình
vừa giúp bảo vệ môi trƣờng, vừa thể hiện một phong cách sống hiện đại trong
một xã hội hiện đại.
Nhà máy điện mặt trời: Bằng cách kết nối nhiều nguồn điện mặt trời với
nhau có thể tạo ra đƣợc một tổ hợp nguồn điện mặt trời có đủ khả năng thay thế
một nhà máy phát điện.
1.2.3. Tấm năng lƣợng mặt trời
Để tạo đƣợc tấm năng lƣợng mặt trời ngƣời ta sử dụng 36 – 72 pin mặt
trời mắc nối tiếp với nhau. Qua những tấm pin mặt trời, năng lƣợng mặt trời
đƣợc chuyển hoá thành điện năng. Mỗi pin cung cấp một lƣợng nhỏ năng lƣợng,
nhƣng nếu nhiều pin ghép với nhau thì cho ra nguồn năng lƣợng lớn hơn đủ để
sử dụng trong mục đích khác nhau.

6


Hình 1.1. Tấm pin mặt trời và nguyên lý tạo điện năng
Do năng lƣợng mặt trời thay đổi theo từng giờ và từng vùng miền nên
hiệu suất điện cũng khác 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 hậu, mùa trong năm.

- Thời gian trong ngày: sáng, trƣa, chiều
Các tấm năng lƣợng mặt trời đƣợc lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản
xuất đã đảm bảo đƣợc các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mƣa bão, sự ăn mòn
của nƣớc biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm
1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lƣợng mặt trời
Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm
môdun đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
- Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
- Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Trong thực tế phƣơng pháp ghép hỗn hợp đƣợc sử dụng nhiều hơn để đáp
ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện.
a. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm môdun mặt trời.

7


Hình 1.2. Hai môđun pin mặt trời ghép nối tiếp và
đường đặc trưng V - A của các môđun và của cả hệ
Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đƣờng đặc tính V-A giống hết
nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau và độ chiếu
sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta sẽ
có:
I = I1 = I2 = … = Ii

(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)

Trong đó:

I, P, V: là dòng điện, công suất và hiệu điện thế của cả hệ.
Ii, Vi, Pi: là dòng điện, công suất, hiệu điện thế của môđun thứ i trong hệ
Iopi, Vopi, Popi: là dòng điện làm việc tối ƣu, điện thế làm việc tối ƣu, công
suất làm việc tối ƣu của các môđun thứ i trong hệ.
Iop, Vop, Pop: là dòng điện làm việc tối ƣu, điện thế làm việc tối ƣu, công
suất làm việc tối ƣu của hệ
Khi tải có giá trị 0 < R <  , Các môđun làm việc nhƣ các máy phát tƣơng
đƣơng. Đƣờng đặc tính vôn – ampe của hệ bằng tổng hình học của hai đƣờng
đặc trƣng của mỗi môđun.
b. Ghép song song các môđun mặt trời.
8


Cách ghép này, ta cũng giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đƣờng
đặc tính V-A giống hết nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch
VOC bằng nhau và cƣờng độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau.

Hình1.3. Hai môđun pin mặt trờ ghép song song
và đường đặc trưng VA của các môđun và của cả hệ
Khi đó ta có:
U = U1 = U2 = … = Ui

(1.5)
(1.6)

(1.7)

(1.8)
Đƣờng đặc tính VA của hệ cũng đƣợc suy ra bằng cách cộng các giá trị
dòng điện I ứng với các giá trị điện thế V không đổi. Trong trƣờng hợp này, các

pin cũng làm việc nhƣ các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R <  .
1.3. Giới thiệu về hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung đƣợc chia
thành 2 loại cơ bản:
- Hệ PV làm việc độc lập
- Hệ PV làm việc với lƣới
9


Hệ PV độc lập thƣờng đƣợc sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi
mà lƣới điện không kéo đến đƣợc. Sơ đồ khối của hệ này nhƣ sau:
Pin
mặt trời

Bộ biến đổi
DC/DC

Ắc quy

Bộ biến đổi
DC/AC

Tải
xoay chiều

Tải 1 chiều

MPPT

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

Còn trong hệ PV làm việc với lƣới, mạng lƣới pin mặt trời đƣợc mắc với
lƣới điện qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lƣợng. Trong hệ này, bộ
biến đổi DC/AC làm việc với lƣới phải đồng bộ với lƣới điện về tần số và điện
áp.
a. Hệ quang điện làm việc độc lập
Hệ PV làm việc độc lập gồm có 2 thành phần chính là:
- Thành phần lƣu giữ năng lƣợng.
- Các bộ biến đổi bán dẫn.
+ Thành phần lưu giữ năng lượng.
Hệ quang điện làm việc độc lập cần phải có khâu lƣu giữ điện năng để có
thể phục vụ cho tải trong những thời gian thiếu nắng, ánh sáng yếu hay vào ban
đêm. Có nhiều phƣơng pháp lƣu trữ năng lƣợng trong hệ PV. Phổ biến nhất vẫn
là sử dụng ắc quy để lƣu trữ năng lƣợng. Ắc quy cần phải có một bộ điều khiển
nạp để bảo vệ và đảm bảo cho tuổi thọ của ắc quy.
b. Hệ quang điện làm việc với lưới.
Hệ thống này cho phép tự duy trì hoạt động của tải bằng nguồn năng
lƣợng dự trữ và đồng thời cũng có thể bơm phần năng lƣợng dƣ thừa vào lƣới
điện để bán. Khi nguồn pin mặt trời (hay máy phát pin mặt trời) sinh ra nhiều
năng lƣợng thì nguồn năng lƣợng dƣ thừa này sẽ đƣợc chuyển vào trong lƣới
điện, còn trong những điều kiện thời tiết xấu, không có nắng hay mây mƣa, máy
phát pin mặt trời không sinh ra đủ năng lƣợng để đáp ứng cho phụ tải thì hệ sẽ
10


lấy điện từ lƣới. Do đó hệ PV này có thể cần hoặc không cần ắc quy để dự trữ
năng lƣợng. Bộ biến đổi trong hệ này không chỉ giúp ổn định nguồn năng lƣợng
tạo bởi nguồn pin mặt trời mà còn phải đảm bảo nguồn điện năng ra khỏi hệ
quang điện phải đồng bộ với lƣới.
Hệ quang điện mặt trời có thể trở thành một phần của lƣới điện lớn. Cấu
trúc của hệ còn phụ thuộc vào quy mô của hệ và đặc tính phụ tải sử dụng. Khi hệ

quang điện đƣợc mắc với lƣới, nguồn công suất có hai chiều hƣớng. Lƣới sẽ hấp
thụ nguồn điện mặt trời và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi mà hệ PV
không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc ban đêm. Đây là hình
thức đang đƣợc khuyến khích phát triển ở nhiều nơi trên thế giới.
+ Yêu cầu về nối lưới.
Hệ pin mặt trời đƣợc nối với lƣới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ ở
cuối đầu ra của bộ đổi điện. Dòng chảy công suất phụ thuộc vào cả hai hƣớng
của điểm tiếp nối với bộ ngắt. Các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm nối là
nhƣ sau:
- Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng
công suất. Điện áp đƣợc điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp và/hoặc góc
mở bộ DC/AC trong hệ điều khiển mạch vòng kín.
- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lƣới bằng cách sử dụng tần số hệ
làm tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC.
- Hệ PV phải đƣợc bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống
sét và bảo vệ tách biệt…

11


CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC MẠCH CÔNG SUẤT CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DCAC TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
2.1. Giới thiệu về van công suất IGBT
2.1.1. Cấu tạo
IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng
chịu tải lớn của transistor thƣờng. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển
bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.

Hình 2.1. Cấu tạo IGBT
Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác nhau là có
thêm lớp p nối với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emito với

colecto. có thể coi IGBT tƣơng đƣơng với một transitor p-n-p với dòng bazo
đƣơc điều khiển bởi một Mosfet.
2.1.2. Nguyên lý làm việc
Dƣới tác dụng của điện áp điều khiển Uge > 0 kênh dẫn với các hạt mang
điện là các điện tử đƣợc hình thành giống nhƣ ở cấu trúc Mosfet các điện tử di
chuyển về phía colecto vƣợt qua lớp tiếp giáp n-p nhƣ ở cấu trúc giữa bazo và
colecto ở transistor thƣờng tạo nên dòng colecto.
a. Quá trình mở IGBT: diễn ra giống với quá trình này ở Mosfet khi điện áp
điều khiển vào tăng tử 0 đến giá trị Ug. Trong thời gian trễ khi mở I0 tín hiệu
điều khiển nạp điện cho tụ Cgc làm điện áp giữa cực điều khiển và emiter tăng
theo quy luật hàm mũ từ 0 đến giá trị ngƣỡng Uge (3 đến 5v). Chỉ bắt đầu từ đó
Mosfet trong cấu trúc của IGBT mới bắt đầu mở ra. Dòng điện giữa colectoremiter tăng theo quy luật tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gian Tg.Trong
thời gian Tr điện áp giữa cực điểu khiển và emite tăng đến giá trị Uge xác định
12


giá trị dòng I0 qua colecto. D0 diode D0 còn đang dẫn dòng tải I0 nên điện áp Uce
vẫn bị găm lên mức điện áp nguồn 1 chiều Udc. Tiếp theo quá trình mở diễn ra
theo 2 giai đoạn t1 và t2. Trong suốt hai giai đoạn này điện áp giữa cực điều
khiển giữ nguyên Uge để duy trì dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng
phóng tụ Cgc. IGBT vẫn làm việc trong chế đô tuyến tính. Trong giai đoạn đầu
diễn ra quá trình khóa và phục hổi của diode D0 dòng phục hồi của diode D0 tạo
nên xung dòng trên mức dọng I0 của IGBT. Điện áp Uce bắt đầu giảm.IGBT
chuyển điểm làm việc qua vùng chế độ tuyến tính để sang vùng bão hòa. Giai
đoạn 2 tiếp diễn quá trình giảm điện trở trong vùng thuần trở của colector dẫn
đến điện trở colector - emiter về đến giá trị Ron khi bão hòa hoàn toàn.
Uce= I0.Ron.
Sau thời gian mở Ton khi tụ Cgc đã phóng điện xong, điện áp giữa cực điều
khiển và emitor tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số thời gian CgcRg
đến giá trị cuối cùng Ug.

Hình 2.2. Quá trình mở IGBT
13


b. Quá trình khóa IGBT

Hình 2.3. Quá trình đóng IGBT
2.1.3. Van công suất IGBT SPW20N60C3

Hình 2.4. Cấu tạo IGBT SPW20N60C3
14


Hình 2.5. Thông số IGBT SPW20N60C3
2.2. Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC đƣợc sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với
mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một
chiều có thể điều khiển đƣợc.
2.2.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC
a. Mạch Buck
L

K

V1

Đ

C1

C2

V2

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck
Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT.
Mạch Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy.
Khóa điện tử K đƣợc đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa đƣợc
xác định theo công thức sau:
15


D

Ton
 Ton.f dãngc¾t
T

(2-1)

Khi khóa K thông cho dòng đi qua, nguồn một chiều nạp vào tụ C2 và cấp
năng lƣợng cho tải qua cuộn kháng L. Khi K đóng lại, không cho dòng qua nữa
năng lƣợng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải vẫn đƣợc cung cấp đầy đủ
điện nhờ năng lƣợng lƣu trên cuộn kháng và tụ điện do Điot khép kín mạch.
Nhƣ vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lƣu giữ năng lƣợng trong thời gian
ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
T

V1

t

toff

ton
Vin-Vo
-Vo

IL

t

I
L

t

IK

t

ID

t

Hình 2.7. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lƣợng qua chu kỳ đóng cắt của
khóa: Năng lƣợng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lƣợng thu từ
nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lƣợng cấp cho tải trong suốt thời gian K

khóa bằng năng lƣợng lấy từ cuộn kháng và tụ điện trong thời gian K khóa.
a. Mạch Boost

16


Đ
L
V1

K

C1

C2

V0

Hình 2.3. Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống nhƣ bộ Buck, hoạt động của bộ Boost đƣợc thực hiện qua cuộn
kháng L. Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (t on)
cuộn kháng tích năng lƣợng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lƣợng
qua điôt tới tải.
V1  V0  L .

dI L
dt

(2-2)

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp
ra. Khi khóa K mở, cuộn cảm đƣợc nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dòng
điện cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp
ra đƣợc tính theo:
Vout 

Vin
1 D

(2-3)

Với phƣơng pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục
để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo.
b. Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy
Đ

V1

C

K
L

V0

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Từ công thức (2-3): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Do
đó Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có
thể giảm điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck –
Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào.

17


Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện
cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hƣớng duy trì
dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điot phân cực thuận. Tùy vào tỷ
lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn,
bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trƣờng hợp thì dấu của điện áp
ra là ngƣợc với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm
dần theo thời gian.
Ta có công thức:
Vout 

Vin D
1 D

(2-4)

Công thức (2-4) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp
vào tùy thuộc vào hệ số làm việc D.
Khi D = 0.5 thì Vin = Vout
Khi D < 0.5 thì Vin > Vout
Khi D > 0.5 thì Vin < Vout
Nhƣ vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của cả ba bộ biến đổi trên đều
bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào
trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng.
c. Mạch Cúk

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Cúk

Bộ Cúk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cúk dùng một tụ điện để lƣu
giữ năng lƣợng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cúk ít gây tổn hao trên
khoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao. Nhƣợc điểm của Cúk là điện áp ra có cực
tính ngƣợc với điện áp vào nhƣng bộ Cúk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có

18


cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính từ ƣu điểm chính này của Cúk (tức là có đặc tính
dòng vào và dòng ra tốt.
Nguyên lý hoạt động của Cúk là chế độ dẫn liên tục. Ở trạng thái ổn định,
điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchôp ở
vòng mạch ngoài cùng hình 2.6 ta có:
VC1 = VS + Vo

(2-5)

Giả sử tụ C1 có dung lƣợng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc
dù nó lƣu giữ và chuyển một lƣợng năng lƣợng lớn từ đầu vào đến đầu ra.
Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào đƣợc cấp và khoá SW khoá không
cho dòng chảy qua. Điốt D phân cực thuâ ṇ , tụ C1 đƣợc nạp. Hoạt động của
mạch đƣợc chia thành 2 chế độ.
- Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng.

Hình 2.7. Sơ đồ mạch bộ Cúk khi khoá SW mở thông dòng.
Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngƣợc và Điốt khoá. Tụ C1 phóng
sang tải qua đƣờng SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng
dòng điện trên cuộn cảm không gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:
IC1 = IL2

(2-6)

- Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho dòng chảy qua.

Hình 2.8. Sơ đồ mạch Cúk khi khoá SW đóng
Tụ C1 đƣợc nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1. Năng lƣợng lƣu trên
cuộn cảm L2 đƣợc chuyển sang tải qua đƣờng D, C2, và Rtải. Vì vậy ta có:
19


IC1 = IL2

(2-7)

Để hoạt động theo chu kỳ, dòng điện trung bình của tụ là 0. Nên ta có:
I C1 SW on .DT  I C1 SW off .(1  D)T  0

(2-8)

- IL2.DT + IL1.(1 – D)T = 0

(2-9)

I L1
D

IL2 1  D

(2-10)

Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khoá SW (0 < D < 1) và T là chu kỳ
đóng cắt.
Giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tƣởng, công suất trung bình do nguồn
cung cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ đƣợc.
Pin = Pout

(2-11)

VS.IL1 = Vo.IL2

(2-12)

I L1 Vo

I L 2 VS

(2-13)

Từ công thức (2 - 10) và (2 – 13) vào ta có:
Vo
D

Vs 1  D

(2-14)

Từ công thức (2 – 14):
- Nếu 0 < D < 0,5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào.
- Nếu D = 0,5: Đầu ra bằng đầu vào.
- Nếu 0,5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào.

Từ công thức (2 – 14) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ
biến đổi DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW.
 Nhận xét:
Nhƣ vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều
bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào
trong hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng.
Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt đƣợc điểm làm việc
tối ƣu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn
nhất (MPPT) sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở chƣơng tiếp sau.
20


2.2.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC
Các cách thƣờng dùng để điều khiển bộ DC/DC là:
a. Mạch vòng điện áp phản hồi.
Bộ điều khiển Rv là bộ PI . Điện áp ra ở đầu cực của pin đƣợc sử dụng
nhƣ một biến điều khiển cho hệ. Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ sát với điểm
làm việc có công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp của pin phù hợp với
điện áp theo yêu cầu.
Phƣơng pháp này cũng có những nhƣợc điểm sau:
- Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời.
- Không đƣợc áp dụng rộng rãi cho hệ thống lƣu giữ điện năng.
Vì vậy, phƣơng pháp điều khiển này chỉ thích hợp dƣới điều kiện độ bức
xạ ổn định, chẳng hạn nhƣ hệ thống vệ tinh, vì nó không thể tự động xác định
điểm làm việc tối ƣu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi.

PV

DC/DC

PWM

Rv
Vin

-

Vref

MPPT

Hình 2.9. Mạch vòng điều khiển điện áp
21


b. Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi
PV

DC/DC

PWM

Ri
I

-

Iref

MPPT

Hình 2.10. Mạch vòng dòng điện phản hồi
Ri trong mạch điều khiển là bộ PI.
Phƣơng pháp này chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lƣợng
điều khiển là dòng điện
c. Phương pháp điều khiển phản hồi công suất.
Có thể điều khiển công suất tối ƣu bằng cách cho đạo hàm dP/dV = 0
trong điều khiển phản hồi công suất. Nguyên tắc hoạt động của phƣơng pháp
này là đo và khuếch đại công suất của tải.
Ƣu điểm của phƣơng pháp này là không cần quan tâm đến đặc tính làm
việc của pin. Tuy nhiên, phƣơng pháp này khuếch đại công suất của tải chứ
không phải là công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời.
Mặc dù một bộ biến đổi có kết hợp phƣơng pháp MPPT có thể sẽ cho hiệu
quả cao trên dải rộng các điểm làm việc, nhƣng đối với một bộ biến đổi không
tốt, toàn bộ công suất có thể sẽ không đến đƣợc tải do sự tổn thất năng lƣợng. Vì
vậy, phƣơng pháp này đòi hỏi một bộ biến đổi thật hoàn hảo.

22


2.3. Bộ biến đổi DC/AC
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 chiều. Nhìn chung,
bộ biến đổi DC/AC trong hệ PV độc lập 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 lập có những đặc điểm sau:
- Điện áp ra hình Sin.
- Điện áp và tần số nằm trong giới hạn cho phép.

- Bám sát đƣợc 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 hƣ hại đến các thiết bị điện khác nhƣ tivi,
tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị.
- Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trƣờng hợp dòng khởi
động lớn nhƣ của máy bơm…
- Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch….
- Dung lƣợng đặc tính.
- Tổn hao không tải thấp
2.4. Cấu trúc điều khiển
Cấu trúc liên kết bộ biến đổi DC/AC:

Hình 2.11. Cấu trúc liên kết bộ biến đổi DC/AC

23


Có rất nhiều phƣơng pháp điều chế độ rộng xung hình sin (Sinusoid Pulse
Width Modulation) điều khiển cấu trúc liên kết để có đầu ra AC. Trong số các
phƣơng pháp có thể đƣợc chia cho các cách sau :
- Điều chế cực đơn
- Điều chế lƣỡng cực
a. Điều chế cực đơn
Một ví dụ về điều chế cực đơn thể hiện trong hình 2.12.

Hình 2.12. Điều chế cực đơn
Chúng ta có thể thấy trong chu kỳ tích cực của sóng sin, điện áp đầu ra bộ
biến đổi DC/AC đƣợc thay đổi từ Vdc đến 0V, trong khi chu kỳ tiêu cực là –
Vdc đến 0V. Vì vậy, trong chu kỳ tích cực, nếu nhiệm vụ của Q1 là d, ta có thể

có đƣợc mối quan hệ giữa điện áp đầu ra V0 và điện áp một chiều Vbus:
V0 = dVbus

(2-20)

b. Điều chế lƣỡng cực
Đối với các loại bộ biến đổi điện áp hiện nay, đầu ra hiện tại sẽ đƣợc kiểm
soát. Bên cạnh đó, trong hầu hết các hệ thống biến đổi năng lƣợng mặt trời có
một phần phía trƣớc của mạch DC- AC là mạch biến đổi DC-DC đƣợc dùng để
điều chỉnh điện áp một chiều và thực hiện điều khiển MPPT để đƣa vào bộ biến
đổi DC-AC. Bộ biến đổi DC- DC sẽ điều khiển đầu ra DC và dùng làm đầu vào
cho bộ biến đổi DC-AC.

24


Hình 2.13. Cấu trúc bộ bộ biến đổi điện áp trong hệ thông pin năng lượng
mặt trời điển hình
Điện áp một chiều ở đầu ra của bộ biến đổi DC-DC là điện áp đầu vào của
bộ biến đổi DC-AC. Xét trên bộ biến đổi DC-AC, khi điện áp một chiều ở đầu
vào tăng, dẫn đến điện áp xoay chiều AC ở đầu ra cũng tăng hoặc giảm theo. Vì
vậy, cấu trúc điều khiển điển hình cho bộ biến đổi nhƣ hình 2.14:

Hình 2.14. Vòng lặp điều khiển của phần biến tần trong hệ thống năng
lượng mặt trời
Hệ thống vòng lặp điều khiển đƣợc sử dụng trong hình 2.14. Vòng lặp
trong là dòng điện đầu ra, nó sẽ theo dõi các Iref, đó là sản phẩm của Im và Sine.
Vòng lặp bên ngoài là điện áp DC BUS, nó sẽ giữ cho một chiều đến Vref. Bên
cạnh đó, có một PLL để đảm bảo sự đồng bộ của điện áp lƣới điện và điện áp
đầu ra hiện tại.

25