Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC DC sử dụng thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ANH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018


1

Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Dương Minh Quân

Phản biện 1: TS. Đoàn Anh Tuấn
Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Hồng Anh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn
tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 09 tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

Bách khoa
 Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nhu cầu điện năng ngày một tăng cao đòi hỏi phải có các giải
pháp phát triển nguồn điện, đồng thời phải giảm thiểu các tác động
tiêu cực đến môi trường do các nguồn điện truyền thống gây nên. Để
giải quyết vấn đề trên, năng lượng tái tạo là một trong những giải
pháp hàng đầu, đang nhận được sự quan tâm nghiên cứu phát triển
mạnh mẽ, dần tích hợp vào lưới điện và trong tương lai gần sẽ trở
thành bộ phận quan trọng hệ thống điện quốc gia. Với các loại hình
năng lượng tái tạo hiện nay, Năng lượng mặt trời ngày càng có xu
hướng được chú trọng đầu tư cao, nhất là tại Việt Nam. Quyết định
số 428/QĐ-TTg ngày 18/03/2016, thông tư 16/2017/TT-BCT ban
hành ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế
khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời cho thấy được sự
quan tâm của chính phủ Việt Nam về loại hình năng lượng sạch này.
Tuy nhiên, năng lượng mặt trời lại chịu sự ảnh hưởng quá nhiều
từ các vấn đề thời tiết: nhiệt độ, bức xạ,… làm cho năng lượng thu
được thiếu sự ổn định. Các bộ chuyển được kết hợp sử dụng để giữ
ổn định nhưng lại không thể thu được hiệu suất năng lượng cao nhất
từ các hệ thống pin mặt trời nếu thiếu các phương pháp bắt điểm
công suất cực đại-MPPT tích hợp trong đó. Hiện nay, hai phương
pháp MPPT sử dụng phổ biến là: Thuật toán nhiễu loạn và quan sát
P&O (Perturb and Observe) và Thuật toán điện dẫn gia tăng INC
(Incremental Conductance), song hai phương pháp này vẫn còn tồn
tại nhiều nhược điểm: khả năng đáp ứng chậm, gây thất thoát một

phần năng lượng,… Do đó, các thuật toán cải tiến cần phải được
nghiên cứu thêm.
Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài:


2
“Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật
toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời”.
Nội dung luận văn tập trung vào phân tích các thuật toán MPPT,
đánh giá ưu nhược điểm các thuật toán đang sử dụng, từ đó đưa ra
một thuật toán cải tiến với mục đích khắc phục các nhược điểm còn
tồn tại. Dưa trên các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và lắp đặt
mạch chuyển đổi thực tế, kết quả của thuật toán mới sẽ được so sánh
và đánh giá cụ thể.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích khả năng hoạt động, ưu nhược điểm của các thuật toán
MPPT đang được sử dụng. Đưa ra thuật toán MPPT cải tiến sử dụng
phương pháp lai để khắc phục các nhược điểm còn tồn tại của thuật
toán trước đây. Phân tích, đánh giá kết quả thu được thông qua mô
phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp lắp đặt mạch
chuyển đổi thực tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại của hệ thống năng
mặt trời;
- Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng thuật toán;
- Thiết kế và lắp mạch chuyển đổi thực tế.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu các thuật toán MPPT thường sử dụng trong hệ
thống mặt trời;

- Nghiên cứu thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai;
- Thiết kế mạch chuyển đổi thực tế;
- Thời gian nghiên cứu: 06 tháng.
4. Nội dung nghiên cứu
Đề tài “Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng


3
thuật toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời”
tập trung nghiên cứu và mô phỏng mạch chuyển đổi năng lượng kết
hợp với các thuật toán MPPT, đưa ra các nhược điểm còn tồn tại từ
đó đề xuất giải phái cải tiến bằng cách sử dụng phương pháp lai. Đề
tài được xây dựng dựa trên ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời.
Phương pháp đề xuất được kiểm tra tính đúng đắn bằng phương pháp
mô phỏng trên công cụ toán học Matlab/Simulink kết hợp với lắp đặt
mạch chuyển đổi thực tế.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng trong các nghiên cứu về năng
lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Mô hình
hóa hệ thống năng lượng mặt trời sử dụng các thuật toán bắt điểm
công suất cực đại. Thiết kế lắp đặt mạch tăng áp DC/DC (Boost
Converter) có sử dụng các thuật toán điều khiển bắt điểm công suất
cực đại. Kiểm chứng giữa lí thuyết và thực tế.
Tính thực tiễn: Xây dựng được thiết kế cơ sở cho bộ chuyển đổi
tăng áp DC/DC sử dụng thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT
lai. Đề tài có khả năng phát triển tạo thành một bộ chuyển đổi hoàn
thiện cho năng lượng mặt trời kết nối với lưới điện phân phối ở cấp
điện áp 0.4kV.
6. Bố cục đề tài
Chương 1: Tổng quan hệ thống điện mặt trời và mô hình các bộ

chuyển đổi DC/DC.
Chương 2: Một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT
Chương 3: Thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT sử
dụng phương pháp lai
Chương 4: Thiết kế mạch tăng áp Boost Converter ở mức công
suất 1500W.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị


4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC
1.1. Tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo
1.2. Một số mô hình khai thác năng lượng mặt trời
1.3. Pin năng lượng mặt trời
1.3.1. Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời
1.3.2. Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời
1.4. Các bộ chuyển đổi DC/DC
1.4.1. Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter)
Mạch tăng áp [9-13] được sử dụng phổ biến với khả năng điều
chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào (Vo>Vin).
L
D

+

Vin

S

-

+

C

Vout

LOAD

Hình 1.13. Sơ đồ nguyên lý của mạch DC/DC tăng áp Boost
Mạch tăng áp làm việc luân phiên ở 2 trạng thái: khóa S đóng và
khóa S mở. Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ đóng cắt TS
[10-11]:
(1.6)
𝑇𝑆 = 𝑇𝑜𝑛 + 𝑇𝑜𝑓𝑓
Trong đó: Ton là thời gian khóa S đóng, Toff là thời gian khóa
S mở.
IL

L

Vin

-

+

+

+
C

On

Vout

LOAD

-

-

Hình 1.14. Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng


5
Khi khóa S đóng (Ton) thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng
lên rất nhanh, dòng điện chạy vòng qua cuộn cảm về nguồn, đây là
thời gian nạp năng lượng cho cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm
tăng lên. Trong khi đó, dòng điện không qua diode do phân cực
ngược lúc này điện áp cung cấp cho tải được tạo ra từ năng lượng
tích trữ ở tụ. Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện. Ở chu
kỳ đầu, có thể nói chỉ có nguồn và cuộn cảm là việc ở trạng thái này,
tụ điện chưa tích điện do đó tải chưa được cung cấp năng lượng làm
việc. Ở trạng thái làm việc của những chu kỳ tiếp theo, khi tụ điện
được nạp năng lượng ở những giai đoạn Toff của khóa thì điện áp
của đầu ra sẽ được duy trì và có trạng thái làm việc của các phần tử
được mô tả như hình 1.15.
IL

Vin

L
+

+
-

C
Off

LOAD

Vout

-

Hình 1.15: Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở
Hình 1.15 mô tả trạng thái làm việc của tải và chiều dòng điện
chạy trong mạch. Khi khóa S mở (Toff), lúc này ở cuối cuộn cảm
xuất hiện một suất điện động được tạo nên từ việc thay đổi độ lớn
dòng điện chạy qua cuộn cảm. Điện áp được tạo ra có xu hướng làm
giảm sự thay đổi của dòng điện, lúc này cuộn cảm làm việc giống
như một nguồn điện nối tiếp với nguồn điện ban đầu. Điện áp tại đầu
ra lúc này bằng tổng điện áp nguồn cấp và điện áp ở cuộn cảm, thông
qua diode cấp cho tải và đồng thời nạp cho tụ điện.
Dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng sóng của điện áp và dòng
điện ta có thể thiết lập được mối liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện

6
áp đầu ra như sau:
Do:
𝑣𝐿 = 𝐿.

𝑑𝐼𝐿
𝑑𝑡

(1.7)

Trong đó:
IL = IC + Io là dòng điện qua cuộn cảm,
IC là dòng điện qua tụ điện
Io =

Vo
R

là dòng điện tải

Vì Vo = VC nên khi khóa S đóng (Ton):
∆𝐼𝐿 ∙ 𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 . 𝑇𝑜𝑛
Khi khóa S mở (Toff):

(1.8)

∆𝐼𝐿 ∙ 𝐿 = (𝑉𝑜 − 𝑉𝑖𝑛 ). 𝑇𝑜𝑓𝑓

(1.9)

Từ (3.3) và (3.4) suy ra:
𝑉𝑜 =

𝑉𝑖𝑛
𝑇
1− 𝑜𝑛
𝑇𝑠

𝑉

𝑖𝑛
= 1−𝐷

Trong đó:
- Vo (V) là điện áp đầu ra,
- Vin (V) là điện áp đầu vào
- 𝐷=

𝑇𝑜𝑛
𝑇𝑆

là hệ số làm việc của khóa S

- Io (A) là dòng điện đầu ra,
- ∆𝐼𝐿 (A) là độ lớn dao động dòng điện qua cuộn cảm L


7
CHƯƠNG 2 CÁC THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT

CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING)
2.1. Giới thiệu chung
2.2. Đường đặc tính Vôn-Ampe và đặc tính công suất của tấm
pin

Hình 2.2: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở
có giá trị điện trở thay đổi được
Từ đặc tính ta có nhận xét như sau: Khi cho R thay đổi từ ∞
(tương ứng với trường hợp hở mạch) đến 0 (tương ứng với trường
hợp ngắn mạch) thì điện áp tấm pin thay đổi từ VOC đến 0, dòng điện
của tấm pin thay đổi từ 0 đến ISC, công suất thay đổi theo đường cong
P.
2.3. Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại
2.3.1. Thuật toán P&O
Bắt đầu P&O
Đo V(k), I(K)

P(k)=V(k)I(k)
ΔP=P(k)-P(k-1)
ΔV=V(k)-V(k-1)

S

Đ

Đ

ΔP>0

ΔV>0

ΔV>0

S
Δ=Δ+ΔD

Đ

S

Δ=Δ-ΔD

Δ=Δ+ΔD

Δ=Δ-ΔD

V(k-1)=V(k)
P(k-1)=P(k)

Hình 2.4: Lưu đồ thuật toán P&O


8
 Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp
V, sau đó tính toán độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:
- Nếu ∆V.∆P > 0 thì giảm D để tăng giá trị điện áp đầu ra tấm
pin.
- Nếu ∆V.∆P < 0 thì tăng D để giảm giá trị điện áp điện áp đầu
ra tấm pin.

Sau đó thuật toán cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước
đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc
tiếp theo.
2.3.2. Thuật toán
Conductance)

điện

dẫn

gia

tăng

INC

(Incremental

Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán INC
 Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V
tại thời điểm k-1 và tại thời điểm k, sau đó tính toán độ sai lệch ∆I,
∆V rồi so sánh:
- Trong trường hợp ∆V = 0, nếu ∆I>0 thì tăng Vref, ∆I<0 thì


9
sẽ giảm Vref và sẽ giữ nguyên Vref nếu ∆I = 0.
- Nếu ∆V ≠ 0, bộ điều khiển sẽ tăng điện áp Vref khi ∆I/∆V >
-I/V và giảm Vref khi ∆I/∆V < -I/V. Vref sẽ được giữ nguyên nếu

∆I/∆V = -I/V.
Sau khi các thuật bước so sánh trên đã hoàn thành, bộ điều
khiển sẽ cập nhật các giá trị mới của I và V rồi tiến hành tiếp tục
vòng lặp.
2.3.3. Thuật toán leo đồi (Hill Climbing)
Start

Đo I(k-1), V(k-1)
P(k-1)=I(k-1)*V(k-1)

Đo I(k), V(k)
DI = I(k)-I(k-1)
DV = V(k)-V(k-1)
DP = DV *DI
DD =D(k)-D(k-1)

DP=0

No

YES

DP>0

No

DP<0
YES

YES

YES

DD>=0

DD<0

DD>=0

DD<0

YES

YES

YES

YES

D = D+DD

D = D-DD

D = D-DD

D = D+DD

D(k-1)=D(k)
I(k-1)=I(k)
V(k-1)=V(k)

Hình 2.7. Giải thuật Hill Climbing dò tìm điểm công suất cực đại
 Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển sử dụng hai thông số là ∆P, ∆D để kiểm tra.
- Nếu công suất tăng (∆P>0) khi độ rộng xung điều khiển tăng
(∆D>=0) thì tiếp tục tăng độ rộng xung điều khiển D.
- Nếu công suất tăng (∆P>0) khi độ rộng xung điều khiển
giảm (∆D<0) thì giảm độ rộng xung điều khiển D.
- Nếu công suất giảm (∆P<0) khi độ rộng xung điều khiển


10
tăng (∆D>0) thì giảm độ rộng xung điều khiển D.
- Nếu công suất giảm (∆P<0) khi độ rộng xung điều khiển
giảm (∆D<0) thì tăng độ rộng xung điều khiển D.
- Nếu ∆P=0 thì giữ nguyên độ rộng xung điều khiển D.
Sau khi các bước so sánh trên đã hoàn thành, bộ điều khiển sẽ
cập nhật các giá trị mới của D, ∆P và ∆D rồi tiến hành tiếp tục vòng
lặp.
2.4. Mô phỏng các thuật toán trên Matlab Simmulink
2.4.1. Giới thiệu

Hình 2.9. Mô hình trong mô phỏng
2.4.2. Giải thích các khối hàm trong mô hình Matlab simulink
2.4.3. Các kết quả mô phỏng


Hình 2.14. Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại P&O:

11

Kết quả mô phỏng thuật toán thuật toán INC được trình bày
trong hình 2.15.


Hình 2.15. Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại INC

12

 Phân tích ưu nhược điểm của thuật toán P&O và INC:
- Thuật toán P&O và INC được xây dựng dựa dựa trên đường
đặc tính công suất của tấm pin khi bức xạ mặt trời và nhiệt độ của
tấm pin là không đổi.
- Xét trong trường hợp bức xạ hoặc nhiệt độ của tấm pin thay


13
đổi, lúc này điểm công suất làm việc sẽ di chuyển từ đường đặc tính
này sang đường đặc tính khác (đặc tính công suất cực đại là một họ
đặc tính theo nhiệt độ của tấm pin và bức xạ mặt trời).
- Trong thời gian bức xạ thay đổi nhanh hoặc nhiệt độ thay đổi
thì điểm công suất làm việc của tấm pin không bám vào điểm cực đại
của của họ đường đặc tính công suất cực đại.
 Qua các kịch bản mô phỏng cho các quá trình làm việc
của hệ tấm pin khi bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tấm pin thay
đổi ta có nhận xét như sau:
- Ở các trường hợp bức xạ giảm hoặc nhiệt độ tăng (công suất
của tấm pin giảm), thuật toán P&O và INC làm việc tốt bám điểm
công suất cực đại của tấm pin.
- Ở các trường hợp bức xạ tăng hoặc nhiệt độ giảm (công suất

của tấm pin tăng), thuật toán P&O và INC làm việc không bám được
điểm công suất cực đại của tấm pin. Hay nói cách khác công suất
của hệ pin PV tăng lên khi nhiệt độ trên tấm pin giảm hoặc do bức
xạ mặt trời tăng lên thì thuật toán P&O và INC chưa bám được điểm
MPP của hệ tấm pin.
Với những lý do trên, để hệ thống làm việc tốt hơn tôi đưa ra
thuật toán MPPT lai để cải thiện việc bám điểm công suất cực đại tốt
hơn trong bộ điều khiển.
2.5. Kết luận


14
CHƯƠNG 3 THUẬT TOÁN BẮT ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC
ĐẠI MPPT SỬ DỤNG PHƯƠNG PHÁP LAI
3.1. Giới thiệu
3.2. Thuật toán MPPT lai
3.2.1. Sơ đồ thuật toán MPPT lai
Start

Đo I(k-1), V(k-1)
P(k-1)=I(k-1)*V(k-1)

Đo I(k), V(k)
DI = I(k)-I(k-1)
DV = V(k)-V(k-1)
DP = DV *DI
DD =D(k)-D(k-1)

DP=0

Đ

S
DP>0

S

Đ

DV>0
S

DD>0

Đ

DV>0

S

Đ

D = D+DD

D = D-DD

Đ
D = D-DD

D = D+DD

D(k-1)=D(k)
I(k-1)=I(k)
V(k-1)=V(k)

Hình 3.1 Sơ đồ thuật toán MPPT sử dụng phương pháp lai
3.2.2. Chương trình thuật toán
3.2.3. Kết quả mô phỏng thuật toán MPPT lai


15

3.3. So sánh thuật toán MPPT lai với các thuật toán INC và
P&O:
Kết quả so sánh công suất thu được giữa các thuật toán được
thể hiện qua hình 3.3.


16
Vùng 2

Vùng 1

Hình 3.3. Công suất hệ thống PV thu được giữa các thuật toán
 Phân tích so sánh công suất hệ thống PV của các thuật
toán MPPT:
Xét công suất thu được trong vùng 1: là khoảng thời gian từ 1.5s
đến 2s, lúc này bức xạ mặt trời tăng và nhiệt độ không đổi. Thuật
toán P&O và INC không bám được MPP nên công suất thu được
thấp hơn. Đối với thuật toán MPPT lai đã cải thiện được việc bám

điểm công suất cực đại trong vùng này.
Xét công suất thu được trong vùng 2: là khoảng thời gian từ 4s
đến 5s, lúc này bức xạ mặt trời không đổi và nhiệt độ giảm. Thuật
toán P&O và INC không bám được MPP nên công suất thu được
thấp hơn. Đối với thuật toán MPPT lai đã cải thiện được việc bám
điểm công suất cực đại trong vùng này.
Ở các khoảng thời gian không xét trong vùng 1 và 2 thì công
suất thu được của hệ thống là tương đương nhau đối với các thuật
toán.
3.4. Kết luận


17
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH TĂNG ÁP BOOST
CONVERTER
4.1. Giới thiệu
4.2. Tính chọn thông số bộ biến đổi DC/DC
- Điện áp vào Vin = 200 (VDC)
- Dòng điện vào Iin = 8(A)
-

Điện áp ra Vout = 400(VDC)
Dòng điện ra Iout = 4(A)
Công suất ra lớn nhất Pmax = 1600(W)
Tần số đóng cắt f = 40 (kHz)

4.2.1. Tính toán thiết kế cuộn cảm L
L được tính theo công thức:

L=

Vout *(Vout  Vin )
Vin * DI L * f

DI L = (10  40)%

I out *Vout
Vin

Vậy giá trị dòng điện biến thiên qua cuộn cảm được tính như
sau:

DI L = 0.2* I out *

Vout
400
= 0.2*4*
= 1.6(A)
Vin
200

Giá trị điện cảm L:

L=

Vout *(Vout  Vin ) 400*(400  200)
=
= 1.56(mH )
Vin * DI L * f
400*1.6*40000

Giá trị dòng điện hiệu dụng qua van đóng cắt và cuộn cảm:

IL =

I
DI L
1.6
4
+ out =
+
= 8.8( A)
2 1 D
2 1  0.5

Từ giá trị L và dòng điện qua cuộn cảm IL. Ta thiết kế cuộn


18
cảm như sau:
Chọn tiết diện dây quấn của cuộn cảm:

Ftt =

I L 8.8
=
= 2.5(mm2 )
jkt 3.5

Chọn kiểu dây quấn kép. Mỗi sợi có đường kính 1.4mm2 có

lớp emay cách điện.
Kiểm tra tiết diện dây quấn sau khi chọn:

3.14* d 2
3.14*1.42
= 2*
= 3.07(mm 2 )  Ftt
4
4
4.2.2. Tính toán chọn mạch từ cho dây quấn:
Với tần số làm việc 40kHz, tổn thất trong lõi Ferrite là 0.1
W/cm3, thì giá trị từ cảm cực đại trong mạch từ là Bm = 190 (mT)
Chọn lõi ferrite EE55 (Gồm 2 lõi chữ E ghép lại) với các
thông số:
Hệ số điện cảm của mạch từ khi quấn trên lõi 1 vòng dây: AL
= 1100nH/N2
Số vòng dây của cuộn cảm:
Fqd = n *

N=

L
1.56*103
=
= 37.7
AL
1100*109

(vòng)

Chọn số vòng dây quấn là N=38 (vòng)
Kiểm tra giá trị Bm:

Bm =

L * DI L 1.56*103 *1.6
=
= 0.185 (T)
Ae * N 3.54*104 *38

4.2.3. Tính chọn tụ điện trong mạch
Việc tính chọn tụ C phụ thuộc vào thời gian lưu giữ năng
lượng Dt=1/f. Ta chọn độ gợn điện áp là ΔV=0.5%. Khi đó C được
tính theo công thức sau:


19
𝐷 ∗ 𝐼𝑜
0.5 ∗ 4
=
= 25(𝜇𝐹)
𝑓 ∗ 𝛥𝑉𝑜 40000 ∗ 0.005 ∗ 400
Chọn C =47 (𝜇𝐹)
𝐶>

4.2.4. Chọn khóa S và diode
Dòng qua khoá S và diode ít nhất bằng với dòng điện cực đại
qua cuộn cảm L.
Do đó: IS = IĐ = IL = 8.8 (A)
Điện áp làm việc của MosFet và diode lớn hơn điện áp ra.

US = UĐ >= 400V
Chọn van bán dẫn loại MOSFET IRFP460 loại N. Chọn Diode
loại MUR30600PT.
4.2.5. Thiết kế mạch Mosfet Driver:
Điện áp làm việc của cực cổng (Gate) của mosfet nằm trong
phạm vi 10-20V. Trong khi điện áp ra của vi điều khiển là 3.3V nên
ta cần phải có IC đệm để tạo điện áp điều khiển cho chân cực cổng
của mosfet phù hợp. Ở đây ta chọn IC IR2110.
4.3. Thiết kế mô hình mạch chuyển đổi DC/DC
4.3.1. Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi DC/DC tích hợp thuật
toán MPPT lai:
a) Mạch chuyển đổi DC/DC:
b) Mạch lấy tín hiệu đo lường về vi điều khiển:
c) Mạch bảo vệ quá áp và quá dòng:
d) Mạch Mosfet Driver:
e) Mạch cấp nguồn +5VDC (VCC/VDD) và nguồn +12VDC
f) Mạch vi điều khiển STM32F103:
4.3.2. Thiết kế bảng mạch
a) Bảng thiết kế mạch (kích thước mạch in 125mm x 158mm)


20

Hình 4.10. Mặt trên bảng mạch

Hình 4.11. Mặt dưới bảng mạch

Hình 4.12. Hình ảnh mạch trong chế độ 3D của phần mềm Proteus

21
b) Mô hình mạch lắp đặt thực tế:

Hình 4.13. Mô hình mạch thực tế
4.4. Kiểm tra hiệu suất của mạch chuyển đổi DC/DC:
Từ mô hình mạch lắp đặt thực tế, quá trình đo lường và thu
thập dữ liệu được tiến hành, các kết quả được thể hiện qua hình 4.14.

Hình 4.14. Kết quả đo lường thực tế
Công suất đầu vào bộ chuyển đổi: Pin = PQS1 + PQS2 (hay Pin


22
Bảng 4.3 Kết quả tính toán hiệu suất bộ chuyển đổi
Lần đo
P1(W)
P2 (W)
Pin (W)
Pout (W)
 (%)
104,7
105,53
210,23
203,66
96,87
1
208,86
209,01
417,87
405,16

96,96
2
310,45
311,3
621,75
602,94
96,97
3
412,22
413,34
825,56
799,94
96,90
4
466,01
466,68
932,69
904,48
96,98
5
Hiệu suất (%)

Hiệu suất (%)

100

097

097

097

097

097

090

Hiệu suất (%)

080
070
210,23

417,87

621,75
Công suất (W)

825,56

932,69

Hình 4.15. Đồ thị hiệu suất bộ chuyển đổi
4.5. Kết quả thử nghiệm khi sử dụng thuật toán MPPT tích hợp
trên bộ chuyển đổi DC/DC
Kết quả thử nghiệm khi sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời có
công suất 185 Wats peak.

23
- Trường hợp ngày nắng, bức xạ thay đổi nhiều, thời gian lấy
dữ liệu lúc 11h30 đến 12h00:

Hình 4.13. Kết quả trong trường hợp ngày nắng, bức xạ thay đổi
nhiều
- Trường hợp bức xạ ít thay đổi, thời gian lấy dữ liệu lúc 9h30
đến 10h00:

Hình 4.14. Kết quả trong trường hợp ngày nắng, bức xạ ít thay đổi