Điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới điện bằng biến tần

Luận văn Thạc sĩ

Chương 1

TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu
Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và
vấn đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến
phát điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái
tạo đã được thừa nhận rộng rãi. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng
lượng mặt trời không phát ra bất kỳ chất độc nào làm ô nhiễm nước, không khí hay
đất, và hơn nữa, năng lượng mặt trời là vô tận, không bao giờ hết được. Một trong
các cách để sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả là dùng pin quang điện (PVPhotovoltaic) kết nối lưới điện với quy mô lớn. Số hệ thống PV được nối với lưới
điện đã gia tăng theo số mũ.
Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử
lý tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng
tâm trong lĩnh vực điện tử công suất. So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông
thường, bộ chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau:
-

Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp

-

Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp

-

Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn. Ngoài ra, việc sử

dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ.

-

Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất

đóng cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối
PV với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai
đoạn hiện nay.
* Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV
với lưới được tóm tắt như sau:

1


Luận văn Thạc sĩ

[1] N.A. Rahim, J. Selvaraj, C. Krismadinata, “Five-level inverter with dual
reference modulation technique for grid-connected PV system”, Crown
Copyright 2009 Published by Elsevier Ltd.
Bài báo này trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha
với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch
tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu
PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt
và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2V dc, Vdc, - 1/2Vdc,
và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong
DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với
tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra
được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm
so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD.
* Ưu điểm:

- Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin
- Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so
với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%)
- Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm
việc của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công
suất cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99)
- Kích cỡ bộ lọc nhỏ
- Nhiễu điện từ (EMI) thấp
* Hạn chế:
- Hiệu suất BNL đưa ra (90%) thấp hơn so với BNL 3 bậc thông thường
(92%)
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.

2


Luận văn Thạc sĩ

[2]. Longhua Zhou, Qing Fu, Xiangfeng Li, and Changshu Liu, “A Novel
Photovoltaic Grid-connected Power Conditioner Employing Hybrid Multilevel
Inverter”, 2009.
Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và
giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối
lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai. Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi
pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi
hai MBA lưới để phát ra 9 mức điện áp. Bộ PVPC được tích hợp với việc bù công
suất phản kháng và công suất tác dụng, theo cách này, PVPC không chỉ cung cấp

công suất tác dụng và công suất phản kháng mà còn nâng cao chất lượng điện năng
trong hệ thống điện. Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian
được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng
dụng của phương pháp PWM lai. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng trên phòng thí
nghiệm 380V/13kW sẽ được trình bày để chứng minh hệ thống PVPC được đưa ra.
* Ưu điểm:
Các đặc điểm hấp dẫn của bộ PVPC đa bậc được đưa ra được tóm tắt như sau:
1. Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp): THD I <
2%.
2. Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường
3. Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng
4. Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp
5. Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng
truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái cân bằng.
6. Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp
ghép tầng.
* Hạn chế:
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.

3


Luận văn Thạc sĩ

[3]. Seul-Ki Kim, Jin-Hong Jeon, Chang-Hee Cho, Eung-Sang Kim, JongBo Ahn, “Modeling and simulation of a grid-connected PV generation
system for electromagnetic transient analysis”, Korea Electro-technology
Research Institute, Seongju-dong 28-1, Changwon, Republic of Korea, 2009.
Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang

điện nối lưới (GCPS) để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của
GCPS trong việc thiết kế hệ thống. Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt
trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính
cơ bản. Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của
nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử
dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó
được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Mô hình được mô tả với sự
xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ
hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích
để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá
hiệc quả bảo vệ và điều khiển của GCPS về mặt phân tích quá độ điện từ.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển GCPS với sự phân tích chi
tiết các vấn đề như:
- Hiệu quả điều khiển công suất của GCPS.
- Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua bộ điều
khiển bảo vệ.
- Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để cung cấp
công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới.
- Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) của dòng ngõ ra BNL bằng 2,5%.
* Hạn chế:
- Tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao.

4


Luận văn Thạc sĩ

[4] Gabriele Grandi, Darko Ostojic, Claudio Rossi, “Dual Inverter

Configuration

for

Grid-Connected

Photovoltaic

Generation

Systems”,

Department of Electrical Engineering, University of Bologna, Italy, 2007.
Bài báo này trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối
lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời. Bộ điều hòa công suất đưa ra sử
dụng một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi để nâng cao công suất định mức cực đại trên
cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau:
- Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc
thông thường.
- Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực
với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng.
- Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác.
- Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng.
- Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng
điện thứ tự không trong mạch.
* Hạn chế:
- Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường.
- Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD).

- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và
các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới
là vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay.
Công trình nghiên cứu này có thể làm tài liệu tham khảo và là nền tảng để
phát triển cho các hướng nghiên cứu sau này.
Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới
điện bằng biến tần lai.

5


Luận văn Thạc sĩ

1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ
thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán
điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
a. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần
đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần
mềm MATLAB.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.

- Đánh giá kết quả mô phỏng.
- Kết luận
b. Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua
mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc
tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).
- Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu.
- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.
- Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng.

6


Luận văn Thạc sĩ

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Năng lượng mặt trời
Năng lượng Mặt trời là một trong các nguồn năng luợng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta đồng thời nó cũng là nguồn
gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh
khối, năng lượng các dòng sông… Năng lượng Mặt trời có thể nói là vô tận, tuy
nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và
tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tới bề mặt Quả đất.
Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan

tâm và đầu tư. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn
đề lớn. Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu
về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ
nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các
quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than, v.v.
Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia
bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng
với bước sóng ( λ ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ
từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang
điện silicon. Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt
trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap
(hiểu như mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh
của chúng) của silicon (hν < Eg). 30,2 % khác cũng bị mất đi ở các vùng năng
lượng (hν > Eg). Chỉ có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang
điện”.

7


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trời [ERDA/NASA-1997]
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
tập 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 nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán dẫn
tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên
liệu.
Đề tài này sẽ trình bày về pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời và xây
dựng mô hình sử dụng tối ưu công suất từ pin quang điện và kết nối lưới điện.
2.2 Pin quang điện (PV)
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng.
Kỹ thuật tạo PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor,

8


Luận văn Thạc sĩ

diode… Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác
thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.
Có thể nói PV là sự ngược lại của diode quang. Diode quang nhận điện năng
tạo thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng.

Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV.
Phân tích dòng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đưa đến phương trình
diode quen thuộc như sau:

I d = I 0 (e

qV
kT

− 1)

Với: I0 là dòng điện ngược của diode

9

(2.1)


Luận văn Thạc sĩ

q : điện tích electron = 1.602 x 10-19 C
k : hằng số Boltzman = 1.381 x 10-23 J/K
T : nhiệt độ tuyệt đối (oK)
2.2.2 Mạch tương đương của PV

Hình 2.3: Mạch tương đương của PV.
Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch Voc.

Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV.
Điên áp hở mạch Voc là hiệu điện thế được đo khi hở mạch ngoài của PV khi
chịu tác động ở mức chiếu độ chuẩn, được lấy ở chiếu độ đỉnh tương ứng 1kW/m2
ở 25oC của cell PV.
Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện được đo trong mạch của PV khi nối tắc mạch
ngoài, lúc đó V = 0 và cũng trong điều kiện như trên. Ở nhiệt độ chuẩn 25 oC công
thức tương đương sẽ như sau:

I = I sc − I 0 (e38.9V − 1)

(2.2)

I sc
+ 1)
I0

(2.3)

Voc = 0.0257 ln(

2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao
Cũng như diode, pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn
hao này là các thông số Rs và Rp

10


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế.

Hình 2.6 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rs
Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua Rs:

Hình 2.7 : Đặc tính I-V ảnh hưởng bởi Rp

11


Luận văn Thạc sĩ

Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng cả Rp và Rs:

Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp
Công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rs và Rp:


 q (V + I .RS )    V + I .RS 
I = I SC − I 0 exp 
÷
 − 1 −  R
kT

  

P


(2.4)

Để đơn giản hoá trong tính toán và áp dụng luật Kirchhoff trên hình 2.5, dòng
điện nút được tính như sau:
Isc = I + Id +Ip

(2.5)

Áp dụng công thức (2.1) ở điều khiện chuẩn 25oC, ta suy ra:

I = I SC − I 0 (e38.9Vd − 1) −

Vd

RP

(2.6)

Như vậy, khi biết được thông số Vd, dòng điện cung cấp cho tải được tính từ
công thức (2.6). Và điện áp đặt lên tải tương ứng sẽ là:
V = Vd – I.RS

(2.7)

Phần mô phỏng PV cell sẽ được căn cứ vào hai công thức (2.6) và (2.7) để
thanh lập mô hình tương đương của PV.
2.2.4 Tấm PV
Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ. Một pin PV
có điện áp làm việc khoảng 0.6V. Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải
mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song.

12


Luận văn Thạc sĩ

Một tấm PV thông thường để có điện áp 21.6 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin
PV. Một số mô đun 12 Vdc chỉ cần 20 pin PV.

Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV.

Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I-V của môđun PV
Điện áp của môđun PV:
Vmodule = n(Vd – I.RS )

2.2.5 Hệ thống dãy PV
Kết nối nhiều môđun PV sẽ được Array PV. Muốn tăng áp ngõ ra cần nối nối
tiếp nhiều môđun PV.

Hình 2.11: Array PV nối tiếp

13


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.12: Đường đặc tính I-V của Array PV nối tiếp
Nối song song nhiều môđun PV để tăng dòng điện

Hình 2.13: Array PV nối song song

Hình 2.14: Đường đặc tính I-V của Array PV nối song song
Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng như ở hình 2.15.

14


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp

Hình 2.16: Đường đặc tính I-V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV
Đặc tính của PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt
độ môi trường, hiện tượng bóng râm, v.v. Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công

suất thu được của PV càng cao, dòng Isc tăng lên. Nhưng ngược lại nhiệt độ cao thì
V0 bị suy giảm.
2.3.1 Cường độ chiếu sáng
Biên độ dòng quang điện là lớn nhất trong điều kiện đầy đủ ánh sáng. Vào
những ngày nắng không hoàn toàn, dòng quang điện suy giảm tỷ lệ cường độ chiếu
sáng. Đặc tính I-V dịch xuống phía cường độ chiếu sáng thấp hơn như hình 2.17.
Do đó, vào những ngày có mây dòng ngắn mạch giảm đáng kể. Tuy nhiên, điện áp
hở mạch chỉ giảm một phần nhỏ.

15


Luận văn Thạc sĩ

Hiệu suất chuyển đổi quang điện của tế bào quang điện rất nhạy với bức xạ
mặt trời trong tầm làm việc thực tế. Ví dụ, hình 2.18 cho thấy hiệu suất gần như
không đổi với bức xạ 500W/m2 và 1.000W/m2. Điều này có nghĩa là hiệu suất
chuyển đổi là như nhau vào những ngày nắng gắt và những ngày có mây. Chúng ta
sẽ thu được công suất thấp hơn vào những ngày có mây bởi vì ít năng lượng mặt
trời hơn đi vào tế bào quang điện.

Hình 2.17: Đặc tính I-V dịch xuống khi chiếu độ giảm và có sự giảm nhẹ về điện áp

Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này
ổn định khi bức xạ tăng.

16


Luận văn Thạc sĩ

2.3.2 Góc chiếu sáng
Dòng ngõ ra tế bào quang điện được cho bởi I =I 0 cos θ, trong đó I0 là dòng
điện trong điều kiện mặt trời bình thường (để tham khảo), và θ là góc chiếu sáng
được đo trong điều kiện bình thường. Luật cosin đảm bảo góc chiếu sáng dao động
từ 0° đến 50°. Ngoài 50°, ngõ ra điện lệch đáng kể khỏi luật cosin , và tế bào quang
điện không phát ra công suất ngoài 85°, mặc dù luật cosin toán cho biết sẽ phát ra
7.5 phần trăm công suất. Đường cong công suất- góc của tế bào quang điện được
gọi là cosin Kelly, và được chỉ ra trong hình 2.19 và bảng 2.1.

Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0° đến 90°

Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic
2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ
Hệ thống pin quang điện có thể bao gồm nhiều dãy pin nối tiếp mắc song song.
Hai dãy được minh họa trong hình 2.20. Hệ thống pin quang điện lớn có thể bị hiện
tượng bóng mờ một phần do kết cấu của hệ thống. Nếu một tế bào trong dãy dài bị
che phủ hoàn toàn, nó sẽ mất điện áp quang điện, nhưng vẫn còn mang dòng điện

17


Luận văn Thạc sĩ

của cả dãy pin do việc mắc nối tiếp các tế bào trong một dãy. Điện áp bên trong
không sinh ra , nó không thể sinh ra công suất. Thay vào đó, nó sẽ hoạt động như
tải, sinh ra công suất tổn hao I 2R và nhiệt. Các tế bào còn lại trong dãy phải hoạt
động ở điện áp cao hơn để bù điện áp bị mất do hiện tượng bóng mờ. Điện áp sẽ cao
hơn trong các tế bào hoạt động bình thường có nghĩa là dòng điện trong một dãy sẽ
thấp hơn như trên đặc tính I-V của dãy. Điều này được chỉ ra trong vùng dưới bên

trái của hình 2.20. Việc hao hụt dòng điện không tỷ lệ với điện tích bị che mờ. Tuy
nhiên, nếu nhiều tế bào bị che mờ với số lượng vượt ra ngoài giới hạn cho phép,
đường cong I-V sẽ có điện áp hoạt động của dãy rất thấp, làm cho dòng dãy giảm
đến giá trị zero, lúc đó tất cả công suất của dãy sẽ không còn nữa.

Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện . Việc giảm công suất
không đáng kể đến khi bóng mờ vượt quá giới hạn cho phép

18


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công
suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều.
Phương pháp thường hay dùng nhất để loại bỏ tổn hao của dãy do hiệu hứng
bóng mờ là chia nhỏ chiều dài mạch thành nhiều phần có diode thông (bypass
diode) (hình 2.21). Diode của phần bị che mờ sẽ nối tắt qua phần của dãy pin. Việc
này làm hao hụt tương ứng điện áp và dòng điện dãy pin mà không bị mất toàn bộ
công suất dãy pin. Một số hệ thống pin quang điện hiện đại được lắp diode thông ở
bên trong.
2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, dòng ngắn mạch của tế bào tăng trong khi đó điện áp hở
mạch giảm (hình 2.22). Hiệu ứng nhiệt độ đối với công suất được đánh giá định
lượng bằng cách kiểm tra hiệu ứng trên dòng và áp một cách riêng biệt. I 0 và U0 là
dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch tại nhiệt độ tham khảo T, và α, β là hệ số nhiệt
độ tương ứng. Nếu nhiệt độ hoạt động tăng lên khoảng ∆T , dòng và điện áp mới
đươc cho bởi phương trình sau:
Isc=Io(1+α.ΔT) and Voc=Vo(1−β.ΔT)

(2.8)

Bởi vì dòng và điện áp hoạt động thay đổi xấp xỉ tỷ lệ với dòng ngắn mạch và
điện áp hở mạch, công suất mới có phương trình là
P = V.I = Io(1+α.∆T).Vo(1−β.ΔT)

(2.9)

Có thể được rút gọn bằng cách bỏ đi lượng nhỏ không đáng kể
P = Po.[1+(α-β).∆T]

(2.10)

Đối với những tế bào Si đơn tinh thể điển hình, α là 500µu/°C và β là 5mu/°C.
Vì vậy, công suất là:
P = Po.[1+(500μu −5 mu).ΔT] hoặc Po[1−0.0045ΔT]

19

(2.11)


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V. Tế bào sinh ít dòng nhưng
nhiều điện áp hơn với việc đạt được công suất ngõ ra khi nhiệt độ thấp.

Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V. Tế bào phát ra nhiều công suất hơn
khi nhiệt độ thấp
Điều này cho thấy khi nhiệt độ hoạt động tăng 1°C, vượt qua nhiệt độ tham

khảo, công suất ngõ ra tế bào quang điện Si giảm 0.45%. Bởi vì việc tăng dòng điện
thì ít hơn nhiều việc so với việc giảm điện áp, nên việc ảnh hưởng đến toàn bộ công
suất là không đáng kể ở nhiệt độ hoạt động cao.
Ảnh hưởng của việc thay đổi nhiệt độ đối với công suất ngõ ra được chỉ ra
trong đặc tính P-V tại hai nhiệt độ họat động hình 2.23. Hình vẽ cho thấy công suất
cực đại có sẵn ở nhiệt độ thấp cao hơn ở nhiệt độ cao. Do đó, nhiệt độ thấp thực sự
tốt hơn cho pin quang điện, vì nó phát ra nhiều công suất hơn. Tuy nhiên, hai điểm

20


Luận văn Thạc sĩ

công suất cực đại không cùng giá trị điện áp. Để trích ra công suất lớn nhất tại tất cả
các nhiệt độ, hệ thống pin quang điện phải được thiết kế sao cho điện áp ngõ ra pin
quang điện có thể tăng tới V 2 để nhận được công suất Pmax2 ở nhiệt độ thấp hơn và
có thể giảm tới V1 để nhận được Pmax1 ở nhiệt độ cao hơn.
2.3.5 Hiệu ứng thời tiết
Trong những ngày ít mây, hệ thống pin quang điện có thể phát ra 80% công
suất chiếu sáng. Thậm chí trong những ngày đầy mây, nó có thể sinh ra khoảng 30%
công suất. Tuyết không tích tụ nhiều trên tấm pin quang điện do nó có góc nghiêng
nhất định và khi có ánh sáng mặt trời nó sẽ tan chảy. Ngoài ra, hệ thống còn được
thiết kế có xem xét đến hiện tượng mưa đá.
2.3.6 Hòa hợp tải điện
Điểm hoạt động của bất kì hệ thống năng lượng nào là giao của đường đặc tính
nguồn với đặc tính tải. Nếu nguồn , có đặc tính I-V và P-V được vẽ trên hình 2.24
(a), đang cấp công suất cho tải trở R l, nó sẽ hoạt động tại điểm A1. Nếu điện trở tải
tăng tới R2 hoặc R3, điểm hoạt động sẽ di chuyển đến A2 hoặc A3. Công suất cực
đại được trích ra từ hệ thống pin quang điện khi điện trở tải là R2 (hình 2.24b).
Việc hòa hợp tải với nguồn như thế luôn cần thiết cho việc trích công suất cực

đại ra từ hệ thống pin quang điện.
Việc hoạt động với tải công suất là hằng số được chỉ ra trên hình 2.24 (c) và
(d). Đặc tính tải công suất hằng số có hai điểm giao với đặc tính nguồn, được minh
họa bởi B1 và B2. Chỉ điểm B2 là ổn định, bất kì sự dao động nào từ nó cũng phát
ra công suất dự trữ để trở về điểm hoạt động B2. Vì thế, hệ thống sẽ vận hành tại
điểm B2.
Điều kiện cần thiết cho sự ổn định vận hành điện của pin quang điện là

 dP 
 dP 
> 
 dV 
  load  dV  source

21

(2.12)


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.24: Hoà hợp tải và ổn định vận hành với tải trở và tải công suất hằng số.
Một vài loại tải như lò hơi có điện trở cố định, công suất thay đổi tỷ lệ bình
phương điện áp. Mặt khác, một vài tải như động cơ cảm ứng hoạt động giống tải
công suất cố định, tạo ra nhiều dòng hơn tại điện áp thấp hơn. Trong hầu hết các hệ
thống lớn có tải hỗn hợp, công suất thay đổi xấp xỉ tỷ lệ tuyến tính với điện áp.
2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời
Nhiều năng lượng hơn được thu thập vào cuối ngày nếu hệ thống pin quang
điện được lắp đặt trên bộ xoay theo hướng mặt trời, có bộ điều chỉnh để theo hướng
mặt trời tạo thành hình bông hướng dương (hình 2.25). Có hai loại bộ xoay chính:

• Loại bộ xoay một trục: sẽ xoay theo mặt trời từ hướng Đông sang hướng Tây
suốt cả ngày.
• Loại bộ xoay hai trục sẽ xoay theo mặt trời từ hướng Đông sang hướng Tây
suốt cả ngày, và từ hướng Bắc sang hướng Nam trong suốt mùa của năm.

22


Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.25: Bộ xoay hai trục xoay theo măt trời giống như bông hướng dương
Thiết kế bộ xoay theo hướng mặt trời có thể tăng năng lượng cung cấp lên tới
40% trong cả năm so với thiết kế dãy pin cố định. Bộ theo xoay theo hướng mặt trời
hai trục được thực hiện bởi hai động cơ điều khiển tuyến tính, hai động cơ… Suốt
cả ngày, nó sẽ xoay theo hướng mặt trời từ Đông sang Tây. Vào buổi tối, nó xoay
sang hướng Đông để định vị cho mặt trời buổi sáng hôm sau. Bộ xoay cũ thực hiện
việc này sau khi hoàng hôn xuống dùng bộ acqui NiCad nhỏ. Thiết kế mới bỏ ắc qui
bằng cách thực hiện vào lúc nhá nhem tối hoặc lúc bình minh.
2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT
2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP)
Điểm công suất cực đại MPP (Maximun Power Point ), tức là điểm làm việc
hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được. Do sự thay đổi theo
nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong
quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP. Xét một đường
cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện
trở thuần R , thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ
và có độ dốc với trục 0V với tgα =1/R; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và R
là điểm làm việc. Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho

23

Luận văn Thạc sĩ

tải , nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của PV được cung cấp cho tải. Như
vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất.
Do đó, ở mỗi điểm làm việc khác nhau ta sẽ có một công suất khác nhau, vấn
đề là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất.

Hình 2.26 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ
Để đơn giản vấn đề xét tải là một điện trở, có công thức Ohm mô tả như sau:

V = I .R

or

1
I =  ÷V
R

(2.12)

Khi kết nối tải với nguồn PV, ta sẽ có điểm làm việc là giao điểm của 2 đường
đặc tính như hình vẽ sau:

Hình 2.27: Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R

24

Luận văn Thạc sĩ

Hình 2.28: Điểm MPP của PV.
Ta thấy rằng cùng với một pin PV hoạt động dưới điều kiện nhất định, khi thay
đổi tải khác nhau ta thu được các điểm làm việc khác nhau, tương ứng là các công
suất thu được khác nhau P = U x I.
Trong vô số điểm làm việc khác nhau, có một điểm mà tại đó công suất thu
được cực đại ta gọi là điểm MPP, tương ứng với nó là các thông số Vm, Im, Pm.
Nếu giữ cố định điện trở ta thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ta thu được
một họ các đường đặc tính PV, và đồng thời cũng có vô số các điểm làm việc khác
nhau. Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực
đại.

Hình 2.29: Các điểm làm việc của tải thuần trở.

25