Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN ĐÌNH KHÁT

NGHIÊN CỨU
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU BA BẬC NPC
CHO BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018


Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa -ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :.........................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :...............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :...............................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày...........tháng .... năm...................
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1.....................................................................
2.....................................................................
3 .................................................................
4 .................................................................

5 .................................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận
văn đã được sửa chữa (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA......................


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phan Đình Khải......................................................MSHV: 1670347.................
Ngày, tháng, năm sinh: 20/02/1991...................................................Noi sinh: Lâm Đồng...........
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện..........................................................Mã số : 60520202
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đồi
năng lượng mặt trời.....................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phưorng pháp điều khiển bộ nghịch lưu..
NPC cho năng lượng mặt hời nối lưói và thực hiện mô phỏng trên Matlab..................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 15/01/2018.........................
IV.

NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:(Ghi theo trong QĐ giao đề tài)17/06/2018

V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):...............................................

PGS. TS. Nguyễn Vãn Nhờ............................................................................................................
Tp. HCM, ngày.... thảng.. . . năm 20....
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA.................
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện với đề tài “Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch
lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời” là kết quả của quá trình cố gắng không
ngừng của bản thân và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy, bạn bè và người thân.
Qua trang viết này tôi xin gửi lời cảm om tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian
học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.
Tôi xin tỏ lòng kính ừọng và biết om sâu sắc đối với thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ,
người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết
cho luận văn này.
Xin chân thành cảm om Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, khoa
Điện - Điện tử đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình.
Cuối cùng tôi xin chân thành cảm om bạn bè và gia đình đã luôn ủng hộ, giúp đỡ tôi ửong
suốt quá trình thực hiện.
TÁC GIẢ

Phan Đình Khải

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn này đã thực hiện thiết kế và mô phỏng hệ thống điện tử công suất dùng cho năng
lượng mặt trời nối lưới. Trong đó đưa ra các lý thuyết cơ bản về năng lượng mặt trời, các bộ
biến đổi cũng như các tiêu chuẩn nối lưới để nghiên cứu và khảo sát.
Từ thông số kỹ thuật của tấm pin mặt ười ưong thực tế, phần mềm Simulink đã giúp mô
phỏng lại tấm pin mặt ười. Thông qua hệ thống gồm hai giai đoạn, năng lượng từ pin mặt trời
được biến đổi. Đầu tiên là bộ biến đổi Boost giúp khuếch đại điện áp từ pin mặt ười và dò tìm
điểm công suất cực đại với thuật toán Perturb and Observe. Sau đó công suất được biến độ DCAC bằng bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiển ưong hệ quy chiếu đồng bộ. Vòng khóa pha
thực hiện đồng bộ pha với lưới. Ngõ ra của bộ nghịch lưu được lọc thông qua bộ lọc LCL và
sau đó nối lên lưới. Lưới điện có điện áp pha 400V hiệu dụng.
Luận văn này còn thực hiện khảo sát hệ thống khi xảy ra điện áp không cân bằng ưên lưới.
Đồng thời khảo sát bộ điều khiển phân tầng đồng bộ kép giúp hệ thống hoạt động tốt kể cả khi
lưới không cân bằng.
Cuối cùng, kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm và phân tích. Từ đó đưa ra nhận xét và kết
luận.


ABTRACT
In this thesis, the designing of a grid-connected photovoltaic system for the power
electronic simulation has been carried out. The relevant topics and literature regarding the
elements in a photovoltaic system and grid connection standards have been studied and
reviewed.
A system, with the capacity and ratings of solar modules currently available in the
laboratory, has been designed in Simulink. The designed system in a multistage system. Perturb
and Observe algorithm is used for maximum power point tracking. Boost converter is used to
amplify the photovoltaic array voltage. The inverter used is a three-phase two-level inverter.
The conttol structure for inverter is designed in synchronous reference frame. PLL extracts the
necessary information of grid voltage phase. The grid has a Line to Line voltage of 400Vrms.
An LCL filter is used to interconnect inverter output to the grid.

A study on unbalanced grid voltage has been implemented. A proposed controller is
DDSRF has been used to resolve the grid fault and keep power constant.
After that the results of the designed simulation are discussed. In the end, discussion about
this thesis, conclusion and recommendations for future work are presented.


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các số liệu
sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết
quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và
phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa tùng được công bố ừong bất kỳ
nghiên cứu nào khác.


DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1. Sản lượng điện từ pin mặt trời tăng trưởng nhanh chóng......................................2
Hình 2.2. Dưới tác dụng của photon, tại lớp tiếp xúc p-n tạo ra một cặp electron và lỗ ưống
.....................................................................................................................................................3
Hình 2.3. Mạch tương đương te bào quang điện...................................................................3
Hình 2.4. Hai thông số quan trọng của te bào quang điện: Dòng điện ngắn mạch
(Isc) và Điện áp hở mạch (Voc)....................................................................................................3
Hình 2.5. Đặc tuyến lý tưởng dòng-áp của te bào quang điện............................................4
Hình 2.6. Đặc tuyến dòng áp có xét tới tổn hao Rs và Rp...................................................4
Hình 2.7. Mạch tương đương chính xác của pin mặt trời với điện trở ký sinh nối tiếp và
song song.....................................................................................................................................5
Hình 2.8. Đặc tính I-V và công suất ngõ ra của tế bào quang điện.......................................6
Hình 2.9. Đặc tuyến dòng-áp theo cường độ bức xạ và nhiệt độ của một tấm pin mặt
tròi..............................................................................................................................................7
Hình 2.10. Cấu trúc hệ thống pin mặt ười...........................................................................8
Hình 2.11. Hệ thống PV sử dụng bộ chuyển DC-DC..........................................................10

Hình 2.12. Hệ thống đơn giai đoạn.....................................................................................11
Hình 2.13. Hệ thống hai giai đoạn.......................................................................................12
Hình 2.14. Vị ưí đặt tụ phân tầng cho hệ thống đom giai đoạn...........................................12
Hình 2.15. Vị trí đặt tụ phân tầng cho hệ thống hai gian đoạn............................................13
Hình 2.16. Sơ đồ giải thuật P&Oa.......................................................................................14
Hình 2.17. Sơ đồ giải thuật IC.............................................................................................15
Hình 2.18. Sợ đồ mạch bộ nghịch lưu 3 pha NPC...............................................................18
Hình 2.19. Điều chế Sin PWM với hai

sóng mang đồng pha.......................................19

Hình 2.20. Tín hiệu xung kích cho các

khóaưên một nhánh của bộ nghịch lưu..........19

Hình 2.21. Mối quan hệ giữa a0 và dq.................................................................................21
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống.............................................................................................27
Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển trong miền abc.....................................................................28
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển ưong miền a0.....................................................................29


Hình 3.4. Hệ thống điều khiển ttong miền dqO..................................................................29
Hình 3.5. Điều khiển dòng điện lặp vòng phối hợp chéo....................................................31
Hình 3.6. Thiết lập thông số mô phỏng PV Array...............................................................32
Hình 3.7. Đặc tuyến I-V và P-V khi công suất thay đổi ở lkw và 0.25kW........................32
Hình 3.8. Đặc tuyến I-V và P-V khi nhiệt độ tấm pin thay đổi...........................................33
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý vòng khóa pha PLL..................................................................34
Hình 3.10. Cấu trúc bên ttong vòng khóa pha.....................................................................34
Hình 3.11. Góc pha và điện áp dq: (a) truờng hợp sụt áp đều ừên cả ba pha, (b) truờng hợp
sụt áp không sin, (c) truờng hợp ba pha không cân bằng..........................................................35

Hình 3.12. Kết nối vòng khóa pha vào hệ thống.................................................................36
Hình 3.13. Sơ đồ khối DDSRF............................................................................................38
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý bộ biến đổi Boost....................................................................40
Hình 3.15. Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện...................................................................44
Hình 3.16. Dòng điện dq đo đuợc duới tác động phối hợp chéo.........................................45
Hình 3.17. Vòng lặp điều khiển dòng đồng bộ kép.............................................................46
Hình 3.18. Sơ đồ vòng lặp dòng DDSRF............................................................................47
Hình 3.19. Mô phỏng luới điện...........................................................................................47
Hình 3.20. Giản đồ hàm truyền hệ thống............................................................................49
Hình 3.21. Sơ đồ hàm truyền vòng lặp điện áp...................................................................50
Hình 4.1. Đồ thị mô phỏng sụ thay đổi của cuờng độ bức xạ và nhiệt độ theo thời gian. . .53
Hình 4.2. Công suất ngõ ra PV Array..................................................................................53
Hình 4.3.Điện áp ngõ ra PV Array.....................................................................................54
Hình 4.4. Điều chỉnh hệ số D cho bộ biến đổi DC-DC.......................................................55
Hình 4.5. Điện áp tham chiếu và điện áp DC Link thục tế..................................................56
Hình 4.6. Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu.......................................56
Hình 4.7. Dạng sóng điện áp và dòng điện của hệ thống hòa lưới......................................57
Hình 4.8. Phân tích sóng hài dòng điện phát lên lưới và THD............................................58
Hình 4.9. Công suất cấp lên lưới.........................................................................................58


Hình 4.10. Dạng sóng các tín hiệu điều khiển Id (màu tím) và Iq (màu xanh dương) cho bộ
điều khiển dòng thông thường SRF: (0-0.17s) lưới điện ổn định, (0.17-0.34s) lưới điện không
cân bằng.....................................................................................................................................59
Hình 4.11. Loại bỏ dao động tín hiệu Id, Iq nhờ DDSRF-PLL...........................................60
Hình 4.12. Dạng sóng các tín hiệu điều khiển cho bộ điều khiển dòng thứ tự nghịch
DDSRF: (0-0.2s) Lưới điện ổn định, (0.2-0.4s) Lưới điện không cân bằng..............................61
Hình 4.13. Dòng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển thông thường khi
lưới không cân bằng...................................................................................................................62
Hình 4.14. Dòng điện, điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRF khi lưới

không cân bằng..........................................................................................................................63
Hình 4.15. Dòng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển thông thường khi
lưới bị sụt áp...............................................................................................................................63
Hình 4.16. Dòng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRF khi lưới
bị sụt áp......................................................................................................................................64
Hình 4.17. Công suất ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển thông thường khi lưới không
cân bằng.....................................................................................................................................65
Hình 4.18. Công suất ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRF khi lưới không cân
bằng............................................................................................................................................65
Hình 4.19. Công suất tác dụng và công suất phản kháng thứ tự nghịch với bộ điều khiển
SRF, hài cơ bản và hài bậc hai...................................................................................................66
Hình 4.20. Công suất tác dụng và công suất phản kháng thứ tự nghịch với bộ điều khiển
DDSRF, hài cơ bản và hài bậc hai..............................................................................................66
Hình 4.21. Thời gian quá đọ (ms) với bộ điều khiển SRF và DDSRF................................68
Hình 4.22. Đồ thị đánh giá THD..........................................................................................70


DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Ví dụ tiêu chuẩn kết nối lưới cho hệ thống PV.....................................................9
Bảng 2.2. Vị ừí 12 vector tưomg ứng 12 vùng....................................................................16
Bảng 2.3. Bảng ửạng thái đóng ngắt bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC.............................17
Bảng 2.4. Điện áp pha tưomg ứng mỗi trạng thái...............................................................17
Bảng 2.5. Bảng giá ừị hắng số co dãn.................................................................................21
Bảng 3.1. Thông số cor bản của hệ thống............................................................................48
Bảng 3.2. Thông số hệ thống ttong hệ đom vị tưomg đối...................................................48
Bảng 4.1. Thông số bộ biến đổi Boost.................................................................................52
Bảng 4.2. Thông số bộ lọc và bộ điều khiển.......................................................................52
Bảng 4.3. Độ vọt lố tín hiệu dòng điện................................................................................67
Bảng 4.4. Đối chiếu sóng hài dòng điện với tiêu chuẩn IEC61727....................................69
Bảng 4.5. So sánh THD của các bộ điều khiển theo công suất...........................................69

MỤC LỤC
1.

2.

MỞ ĐẦU.......................................................................................................................1
1.1.

Giới thiệu...............................................................................................................1

1.2.

Mục đích và phạm vi nghiên cứu:.........................................................................1

TỔNG QUAN...............................................................................................................2
2.1.

Tổng quan điện mặt trời........................................................................................2

2.1.1. Giới thiệu.........................................................................................................2
2.1.2. Te bào quang điện............................................................................................3
2.1.3. Khảo sát đặc tuyến I-V và điểm công suất cực đại..........................................5
2.1.4. Cấu trúc hệ thống pin mặt ttời..........................................................................7
2.2.

Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống PV kết nối lưới.............................................8

2.3.

Các bộ biến đổi công suất....................................................................................9

2.4.

Các giai đoạn trong quá trình biến đổi công suất................................................11

2.4.1. Hệ thống đơn giai đoạn..................................................................................11
2.4.2. Hệ thống hai giai đoạn...................................................................................12
2.5.

Phân tầng công suất.............................................................................................12

2.5.1. Các giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) cho PV.....................13
2.5.2. Phương pháp Perturb and Observe (P&O).....................................................13
2.5.3. Phương pháp Incremental Conductance (IC).................................................14
2.6.

Kỹ thuật điều khiển PWM cho các bộ biến đổi công suất NPC..........................15

2.7.

Các phép biến đổi tọa độ.....................................................................................19

2.7.1. Mạch tương đương hai pha dùng phép biến đổi a[3 (Clarke)........................20
2.7.2. Biến đổi tọa độ đồng bộ dq (Park).................................................................21


2.8.

Phân tích các thành phần thứ tự...........................................................................22

2.8.1. Phân tích các thành phần thứ tự trong miền tần số.......................................22
2.8.2. Phân tích các thành phần thứ tự ttong miền thời gian..................................23
2.8.3. Phân tích điện áp ba pha không cân bằng......................................................24
3.

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PV VỚI SIMULINK.....................................................27
3.1.

Tổng quan hệ thống PV dùng bộ nghịch lưu nối lưới.........................................27

3.1.1. Điều khiển trong miền abc:............................................................................28
3.1.2. Điều khiển trong miền a/3:............................................................................29
3.1.3. Điều khiển trong miền dqO\...........................................................................29
3.2.
3.3.

PV Array.............................................................................................................31

Vòng khóa pha (PLL)........................................................................................33

3.3.1. Vòng khóa pha cho lưới cân bằng..................................................................33
3.3.2. Vòng khóa pha hỗ ượ lưới không cân bằng...................................................36
3.4.
3.5.

Tính toán thiết kế mạch lọc..................................................................................38

Biến đổi DC-DC và tìm điểm công suất cực đại.................................................40

3.5.1. Tính toán thiết kế mạch tăng áp Boost...........................................................41
3.5.2. Chu kỳ làm việc của bộ biến đổi Boost..........................................................41
3.6.

Điều khiển lặp vòng.............................................................................................42

3.6.1. Vòng lặp áp...................................................................................................42
3.6.2. Vòng lặp dòng điện.......................................................................................43
3.6.3. Tạo xung điều khiển PWM............................................................................44
3.6.4. Điều khiển dòng điện cho lưới không cân bằng.............................................44
3.7.
3.8.

Lưới điện...............................................................................................................47
Tính toán các thông số bộ điều chỉnh...............................................................48


3.8.1. Vòng lặp điều khiển dòng điện......................................................................48
3.8.2. Vòng lặp điều khiển áp..................................................................................50
4.

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG.............................................................................................52

4.1.

Thông số hệ thống.............................................................................................52

4.2.

Khảo sát ảnh hưởng của công suất PV với hệ thống khi lưới điện hoạt

động bình thường..................................................................................................................52
4.2.1. PV Array........................................................................................................52
4.2.2. Bộ biến đổi DC-DC........................................................................................54
4.2.3. Điện áp DC Link............................................................................................55
4.2.4. Biến đổi DC-AC.............................................................................................56
4.2.5. Dạng sóng ba pha ngõ ra của hệ thống..........................................................57
4.2.1. Công suất ngõ ra............................................................................................57
4.3.

Khảo sát hệ thống làm việc với lưới không cân bằng.......................................59

4.3.1. Tín hiệu điều khiển........................................................................................59
4.3.2. Dạng sóng dòng điện ngõ ra dùng bộ điều khiển thông thường và bộ
điều khiển DDSRF...........................................................................................................62
4.3.3. Công suất tác dụng dùng bộ điều khiểnSRF và DDSRF...............................64
4.3.4. Dao động công suất do
4.4.

thành phần thứ tự nghịch.....................................65

Đánh giá chất lượng hệ thống...........................................................................67

4.4.1. Độ vọt lố.........................................................................................................67
4.4.2. Thời gian quá độ............................................................................................67
4.4.3. Độ méo dạng do sóng hài (THD)...................................................................68
5. KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỀN........................................................71
5.1.

Kết luận................................................................................................................71


5.2.

Định hướng phát triển..........................................................................................72

6. TÀI LIỆU THAM KHẢO..............................................................................................74


1. MỞ ĐÀU
1.1. Giới thiệu
Cách mạng Công nghiệp Thứ Tư đang nảy nở từ cuộc cách mạng lần ba, nó kết hợp các
công nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới giữa vật lý, kỹ thuật số và sinh học. Cùng với đó là
nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh tạo ra áp lực lớn lên các nguồn cung cấp. Hệ thống
lưới điện bị quá tải dẫn đến nhiều vấn đề như mất điện cục bộ, mất ổn định lưới, giảm chất
lượng điện năng, an ninh năng lượng... Để cân bằng cung cầu đòi hỏi phải có nguồn năng lượng
mới, đặc biệt là năng lượng tái tạo được chú ưọng phát triển. Trong đó nguồn năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học là các giải pháp tốt nhất hiện nay.
Với các ưu điểm là nguồn cung cấp luôn có sẵn, phong phú và không gây hại cho môi
trường, năng lượng mặt trời đang rất được ưa chuộng sử dụng. Nhưng do tính chất điện áp phát
ra bởi pin mặt ttời là một chiều (DC), chúng ta cần phải chuyển đổi thành nguồn xoay chiều
(AC) trước khi đấu nối vào lưới điện bằng bộ nghịch lưu. Điện áp và tần số ngõ ra của bộ
nghịch lưu cần phải giống với điện áp và tần số lưới điện. Phưorng pháp điều khiển bộ nghịch
lưu thường gặp nhất trong các hệ thống Photovoltaic (PV) là phưomg pháp điều rộng xung
(PWM).
Từ các nhu cầu kể trcn đòi hỏi phải có các nghiên cứu để khảo sát phưomg pháp điều khiển
bộ nghịch lưu dùng cho hệ thống pin mặt trời tối ưu nhất, đáp ứng yêu cầu của lưới điện.
1.2. Mục đích và phạm vỉ nghiên cứu:
Đề tài tập trung vào thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu cho hệ thống năng lượng mặt trời

nối lưới trên nền Matlab Simulink nhằm:
•

Phân tích các kỹ thuật điều khiển PWM cho bộ biến đổi công suất NPC

•

Nghiên cứu hệ thống PV dùng bộ nghịch lưu ba bậc NPC nối lưới để đáp ứng các yêu
cầu kỹ thuật hiện nay

•

Nghiên cứu tính ổn định của hệ thống, đánh giá đáp ứng quá độ và xác lập



2

EtH

W)

406

3M

200

IM
R s 8 s ff B18SB8IS8808

=

'PJ n Japan
Aesl oí --------------------------►
U.S. 0


3

2.1.2.

Tế bào quang điện

Xét mối nối p-n dưới tác dụng của ánh sáng mặt ưòi, khi một photon bị hấp thu sẽ tạo ra
một cặp elecưon-lỗ ưống. Dưới tác dụng của điện trường, lỗ ưống bị đẩy về phía p ưong khi đó
elecưon bị đẩy về phía n như trong Hình 2.2, từ đó tạo ra hiệu điện thế tại chỗ tiếp xúc p-n và
tạo ra dòng điện đến tải.
Pnnlflr

1
1
1
1
í

ê>""*
(-J

■ 'ì
+■ —■

n

■

©

1
1

&

'Mype
1

1
l
1
1 ______1

|“- ■-T--

Electrors

->

©

najjon

+■ +

Hình 2.2. Dưới tác dụng của photon, tại lớp tiếp xúc p-n tạo ra một cặp electron và lỗ
trổng

Hình 2.3. Mạch tương đương tế bào quang điện

(b) Open-arcuit VDltage

Hĩnh 2.4. Hai thông sô quan trọng của tê bào quang điện: Dỏng điện ngăn mạch
(Isc) và Điện áp hở mạch (Voc)
Mạch tương đương của một tế bào quang điện bao gồm một diode nối song song vói nguồn
dòng lý tưởng như trong Hình 2.3.


4

Để khảo sát đặc điểm của tế bào quang điện, người ta thực hiện thí nghiệm hở mạch và
ngắn mạch như sơ đồ ttong Hình 2.4. Khi nối tắt hai đầu tế bào quang điện, ta đo được dòng
ngắn mạch, và để hở hai đầu tế bào quang điện ta đo được điện áp hở mạch. Từ đó ta tính được
dòng điện qua tải theo công thức:
1= 1SC~ 1«

- 1) í 2J )

Từ đó ta vẽ được đặc tuyến lý tưởng dòng-áp của te bào quang điện như Hình 2.5.

Hình 2.5. Đặc tuyến ỉỷ tưởng dòng-áp của tế bào quang điện

Hình 2.6. Đặc tuyên dòng áp có xét tới tôn hao Rs và Rp

5

Tuy nhiên ừong thực tế, ta cần xét tổn hao trên tế bào quang điện. Do đó, ta cần vẽ lại mạch
tương đương chính xác của tế bào quang điện với điện ưở Rp mắc song song và điện ttở R s nối
tiếp (Hình 2.7).
Khi đó điện áp và dòng điện của pin mặt ttời được viết lại theo công thức:
Í(V+I.RSỴ\

I Rp J
Đặc tuyến dòng-áp cũng thay đổi theo như Hình

4- 9 V

2.6.

Q-

Cell

J
ĩy

t'
.... t'
Ỏ

Hình 2.7. Mạch tương đương chỉnh xác của pin mặt trời với điện trở ký sinh nổi
tiếp và song song

2.1.3.

Khảo sát đặc tuyến I-V và điểm công suất cực đại

Xét một tế bào quang điện được dùng để cấp điện cho tải nào đó hoặc ắc quy. Trước khi nối
vói tải, te bào quang điện sẽ tạo ra điện áp hở mạch Voc, nhưng không có dòng điện. Nếu nối tắt
hai đầu tế bào quang điện này, ta được dòng điện ngắn mạch Isc nhưng khi đó điện áp ngõ ra
bằng 0. Trong cả hai trường hợp này công suất đều không được truyền đến tải. Khi đấu tải vào,
công suất được truyền đi và ta cần phải xem xét mối quan hệ I-V sao cho công suất truyền đi là
lớn nhất.


6

Từ Hình 2.8 cho thấy đặc tính I-V của tế bào quang điện phụ thuộc vào nhiều thông số
trong đó có dòng điện hở mạch và điện áp ngắn mạch. Hơn nữa ta thấy được công suất truyền đi
phụ thuộc vào điểm làm việc của tế bào quang điện. Như vậy ta cần phải tìm điểm công suất
cực đại (MPP) để tối ưu hóa hiệu suất của tế bào quang điện.
Trong quá trình làm việc của pin mặt ười, cường độ bức xạ cũng như nhiệt độ luôn thay đổi
dẫn tói công suất ra của tấm pin mặt ười cũng bị thay đổi theo (Hình 2.9).
Dòng điện phát ra nhờ năng lượng mặt ười tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ, vì vậy cường
độ bức xạ tăng cũng làm dòng điện phát ra từ pin mặt ười tăng theo. Trong khi đó, điện áp ngõ
ra của pin mặt ười cũng tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ nhưng thay đổi này rất nhỏ nên người
ta thường bỏ qua khi khảo sát pin mặt ưòi.
Mặt khác, nhiệt độ của tấm pin mặt trời lại ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của pin. Điện áp
hở mạch của pin mặt ười tỷ lệ gần tuyến tính với nhiệt độ như công thức:
Voc(T) = V™ + (T - 273.15) ( 2.3 )
Khi đó điểm làm việc mà tại đó công suất pin đạt cực đại cũng thay đổi theo và cần phải
thiết ke sao cho hệ thống luôn làm việc tại đó. Các thuật toán để dò tìm điểm công suất cực đại
sẽ được mô tả ưong phần sau.

7


8

Hình 2.9. Đặc tuyến dòng-ảp theo cường độ bức xạ và nhiệt độ của một tấm pin
mặt trời
2.1.4.

Cấu trúc hệ thống pin mặt trời

Dựa ưên cấu trúc và sự thiết kế lắp đặt, người ta chia hệ thống pin mặt ười thành bốn loại
như Hình 2.10.
-

Cấu trúc tập trung: vói hệ thống có câu trúc này, các tấm pin mặt ười được mắc nối tiếp
thành một chuỗi để tăng điện áp nguồn, sau đó các chuỗi này được nối song song với
nhau để đạt được dòng điện ngõ ra lớn hon. Do đó toàn bộ hệ thống được tập trung lại
và sử dụng một bộ nghịch lưu duy nhất. Vì vậy cấu trúc này giúp giảm chi phí bộ
nghịch lưu. Tuy nhiên cách làm như vậy gây tổn hao lớn ưên các chuỗi diode đồng thời
khó khăn ưong dò tìm điểm công suất cực đại, đòi hỏi dùng dây cáp DC cao áp.

-

Cẩu trúc chuỗi: thực tế là dạng thu nhỏ của cấu trúc tập trung với việc dùng 1 inverter
cho 1 chuỗi pin mặt ười. cấu trúc này không cần dùng diode bảo vệ cho từng chuỗi do
đó giảm được tổn hao ưên diode. Đồng thời việc dò tìm điểm công suất cực đại cũng dễ
dàng hơn, giảm ảnh hưởng của bóng che lên mỗi chuồi.

-

Cấu trúc đa chuỗi: là cấu trúc cải tiến của cấu trúc chuỗi và thường được dùng cho hệ
thống công suất lớn. Mỗi chuỗi sẽ có bộ MPPT và bộ biến đổi DC-DC riêng tuy nhiên
chỉ dùng một bộ nghịch lưu giúp tăng hiệu suất, giảm chi phí.


9

-

Module AC: mỗi tấm pin được tích hợp sẵn bộ nghịch lưu cũng như bộ khuếch đại,
MPPT. Như vậy mỗi tấm pin có thể hoạt động độc lập, tăng cao hiệu suất tuy nhiên giá
thành rất cao.
Centralized

Hình 2.10. Cẩu trúc hệ thống pin mặt trời
2.2. Các yêu càu kỹ thuật cho hệ thống PV kết nối lưới
Để có thể kết nối một hệ thống PV vói bộ nghịch lưu lên lưói, công suất nguồn phát ra phải
đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật do nhà cung cấp đặt ra. Một số tiêu chuẩn thường được sử dụng
như IEEE1547, IEC61727, ENC61000-3-2, IEEE929-2000 đặt ra các yêu cầu về chất lượng
công suất, tiêu chuẩn đấu nối, THD... Ngoài ra nó còn giới hạn dòng điện đấu nối tối đa lên
lưói, giói hạn này thưởng rất nhỏ từ 0.5% đến 1% dòng ra định mức và rất khó để đo đạc.
-

IEC 61727 tập trung vào các tiêu chuẩn cho hệ thống năng lượng mặt ttòi nối lưới và sử
dụng các bộ biến đổi năng lượng bằng bán dẫn. Nó chung cấp một số khuyến nghị cho