Thiết kế lắp đặt bộ giảm áp DC DC dùng trong hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

B I

THI T K

ANH HUY

ẮP Đ T B

GIẢ

ÁP DC DC

D NG TRONG H THỐNG N NG Ƣ NG
T TRỜI NỐI Ƣ I

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
ã số:

60.52.02.02

UẬN V N THẠC SĨ KỸ THUẬT

Ngƣời hƣớng dẫn khoa học: TS. DƢƠNG

Đà Nẵng - Năm 2018

INH QUÂN

ỜI CA

ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Trong luận văn có
trích dẫn một số tài liệu chuyên ngành điện của Việt Nam và của một số tổ chức khoa
học trên thế giới về hệ thống năng lượng mặt trời.
Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác.
Tác giả luận văn

B i

Anh Hu


TRANG TÓ
THI T K

TẮT TI NG VI T, TI NG ANH

ẮP Đ T B GIẢ ÁP DC/DC D NG TRONG H THỐNG
N NG Ƣ NG
T TRỜI NỐI Ƣ I

Học viên: i Lê nh Huy Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202 Khóa: K34 t i Nha Trang. Trường Đ i học ách khoa - ĐHĐN
Tóm tắt: Trư c t nh tr ng nguồn n ng lư ng truyền thống có nguy c thiếu h t n ng lư ng và
g y nhi m tr m trọng Nguồn n ng lư ng tái t o trong đó có n ng lư ng mặt trời đang đư c

nghiên c u và ng ng r ng rãi trong nhiều l nh v c
Xu hư ng s
ng điện n ng lư ng mặt trời nối lư i là gi i pháp vận hành đ n gi n và r t th n
thiện v i m i trường Hệ thống kh ng s
ng c quy nên gia đ nh oanh nghiệp kh ng ph i tốn chi
ph
o tr
o ư ng Hệ thống t m pin n ng lư ng mặt trời đư c l p đặt trên mái nhà nhà xưởng
mặt hồ giúp h p thu ánh n ng mặt trời và t o ra nguồn điện s ch để hòa vào lư i điện cung c p tr c
tiếp cho các thiết ị điện Tuy nhiên nguồn pin mặt trời chịu nhiều nh hưởng o thời tiết làm cho
điện áp lu n thay đổi V vậy các
iến đổi điện t c ng su t c n đư c t ch h p kèm theo phư ng
pháp điều khiển
V i thời gian có h n luận v n này ch m phỏng m ch gi m áp trên Matla Simulink thiết kế
điều khiển PI để điều khiển điện áp đ u ra c a m ch gi m áp C C T kết qu này thiết kế l p đặt
gi m áp C C có điều khiển để đ m o đ ổn định điện áp đ u ra cho các ph t i C v i m c
đ ch kiểm ch ng kh n ng ho t đ ng th c tế so v i l thuyết Kết qu đ t đư c cho th y m ch th c tế
ho t đ ng r t ổn định các đáp ng thu đư c g n giống v i quá tr nh m phỏng Nhờ vào đó đề tài có
thể phát triển theo hư ng nối lư i sau này
Từ khóa: DC/DC; Buck; PID; Hệ thống n ng lư ng mặt trời; N ng lư ng điện mặt trời nối lư i
Abstract: Traditional energy sources are at risk of energy shortages and serious pollution.
Renewable energy sources which include solar energy are being researched and widely applied in
many fields.
The trend of usage solar electric on – grid is simple and environmental friendly method. Because
the system oesn’t use atteries people an usinesses on’t have to spen maintenance costs Solar
cells panel system are installed on roofs, factories, lakes and so on which absorb sunlight and generate
clean electricity to match the electricity supply directly to electrical devices. However, solar cells is
influenced by the weather, so the voltage always changes. Therefore, power electronics converters
need to be integrated with the control method.
Because of the limited time, this thesis only simulates buck on the Matlab/ Simulink, designing

the PI controller to control the output voltage of the DC/DC buck. From this result, the design buck is
to ensure the output voltage stabilization for the DC loads for the purpose of verifying actual operating
performance against the theory. The results show that the actual circuit is very stable and the response
is close to the simulation process. Thanks to this task, the topic could be developed according to the
solar electric on – grid connection later.
Key words: DC/DC, Buck, PID, solar energy systems, solar electric on – grid.


C

C

TRANG BÌA
TRANG T M T T TIẾNG VIỆT TIẾNG NH
MỤC LỤC
NH MỤC C C K HIỆU C C CH

VIẾT T T

NH MỤC C C
NG
NH MỤC C C H NH
MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1
1. L o chọn đề tài ................................................................................................1
2. M c đ ch nghiên c u ...........................................................................................1
3. Đối tư ng và ph m vi nghiên c u .......................................................................1
4. Phư ng pháp nghiên c u .....................................................................................1
5. ngh a khoa học và th c ti n c a đề tài.............................................................2
6. Bố c c đề tài ........................................................................................................2
CH NG : TỔNG QU N HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TR I VÀ C C

CHUYỂN
ĐỔI N NG L

NG ......................................................................................................3

1.1 Tổng Quan Về N ng Lư ng Mặt Trời ......................................................................3
. . Tình hình tổng quát về ngu n năng lượng mặt trời Việt Nam ...................3
. . hả năng phát tri n về ngu n năng lượng mặt trời Việt Nam ...................5
1.2 Pin N ng Lư ng Mặt Trời .........................................................................................8
. . iới thiệu .......................................................................................................9
. .
ô hình hóa .................................................................................................10
1.3 Thuật Toán B t Điểm Công Su t C c Đ i MPPT ..................................................15
. . iới thiệu các thuật toán
T ..................................................................15
. . Thuật toán
...........................................................................................17
1.4 Các B Chuyển Đổi N ng Lư ng Thường Đư c S
ng Cho Nguồn N ng
Lư ng Mặt Trời .............................................................................................................21
.4. Bộ chuy n đổi DC/DC .................................................................................21
.4. Bộ chuy n đổi DC/AC ..................................................................................21
CH NG 2: T NH TO N THIẾT KẾ
GI M P C C ..................................23
2.1 Gi i Thiệu Chung Về B Chuyển Đổi DC/DC .......................................................23
. . hân loại các bộ chuy n đổi ........................................................................23
. . Cấu trúc chi tiết và nguyên lý hoạt động .....................................................24


2.2 M ch Điều Khiển Cho B Chuyển Đổi DC/DC .....................................................31

. .

iới thiệu các phương pháp điều khi n .......................................................31

. . hương pháp băm xung
– Các khâu c n thiết...................................33
. . hương pháp điều khi n ID ......................................................................35
2.3 Thiết Kế
Gi m p DC/DC ................................................................................40
. . Cấu trúc, nguyên lý hoạt động .....................................................................40
. .
ô hình toán học bộ giảm áp Buck theo phương pháp trung bình không
gian trạng thái .......................................................................................................40
. . Tính toán các ph n tử của bộ giảm áp ........................................................42
CH

NG 3: M PHỎNG VÀ L P ĐẶT

GI M P C

C .............................45

3.1 L a Chọn Thông Số M Phỏng...............................................................................45
3.2 Mô Phỏng B Điều Khiển PI...................................................................................46
3.3 Mô Phỏng Kết Qu Và Phân Tích ...........................................................................47
3.4 L p M ch Gi m p C C Th c Tế .....................................................................48
.4. Cấu tạo mạch động lực thực tế ....................................................................48
.4.
ạch điều khi n ...........................................................................................50
3.5 Kết Qu Đo Th c Tế ...............................................................................................52

KẾT LU N VÀ KIẾN NGH ....................................................................................... 55
TÀI LIỆU TH M KH O ............................................................................................. 56
PHỤ LỤC
QUYẾT Đ NH GI O ĐỀ TÀI LU N V N THẠC SĨ ( N S O)
N S O KẾT LU N CỦ H I ĐỒNG
N S O NH N XÉT CỦ CÁC
PH N IỆN


DANH

C CÁC K HI U, CÁC CH

Ký hiệu
BXMT

VI T TẮT

Giải thích
c x mặt trời

DC/AC

Direct Current/ Alternating Current

DC/DC

Direct Current/ Direct Current

IGBT

Isulated Gate Bipolar Transistor

MOSFET

Metal – Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor

MPP

Maximum Power Point

MPPT

Maximum Power Point Tracking

NLMT

N ng lư ng mặt trời

OP

Operational amplifier

PID

Proportional Integral Derivative

PV

Photovoltaic System

PWM

Pulse – Width – Modulation

TOE

Ton of Oil Equivalent


DANH
Số

T n bảng

hiệu
1.1

Số liệu về

Trang

c x mặt trời t i Việt Nam

Lư ng tổng x
1.2

C CÁC BẢNG

c x mặt trời trung

7
nh ngày c a các tháng

trong n m ở m t số địa phư ng c a nư c ta (đ n vị:
MJ/m2.ngày)

8


DANH
Số
hiệu
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15

2.1
2.2
2.3
2.4
2.5
2.6
2.7
2.8
2.9
2.10

C CÁC H NH

Tên hình

Trang

n đồ c x mặt trời Việt Nam
Máy nư c nóng n ng lư ng mặt trời
S đồ tổng thể hệ thống nhà máy điện mặt trời
S đồ khối hệ thống điện mặt trời cho t i C
C u t o c a m t tế ào pin mặt trời
S đồ m ch điện tư ng đư ng c a PV
M h nh m phỏng àn PV khi nhiệt đ cường đ
cx
thay đổi
Đặc t nh tư ng quan c a PV khi c x mặt trời thay đổi
Đặc t nh tư ng quan c a PV khi nhiệt đ thay đổi
V
t m pin mặt trời đư c m c tr c tiếp

Đường đặc t nh làm việc c a pin và c a t i thu n trở có giá trị
điện trở thay đổi đư c
Đường đặc t nh làm việc c a pin khi cường đ
c x thay đổi
ở c ng m t m c nhiệt đ

4
5
6
9
9
10

Đặc t nh làm việc I – V c a pin
C u trúc điều khiển MPPT c a àn PV
Đường đặc t nh P-V và thuật toán P&O

17

Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển
Phư ng pháp t m điểm làm việc c ng su t l n nh t P&O
S đồ khối tổng quát về
chuyển đổi C C
S đồ nguyên l c a m ch gi m áp
Tr ng thái làm việc c a m ch gi m áp khi khóa S đóng
Tr ng thái làm việc c a m ch gi m áp khi khóa S mở
ng sóng điện áp và òng điện c a m ch gi m áp trong m t
chu kỳ
S đồ nguyên l c a m ch t ng áp
Tr ng thái làm việc c a m ch t ng áp khi khóa S đóng

Tr ng thái làm việc c a m ch t ng áp khi khóa S đóng
ng sóng điện áp và òng điện c a m ch t ng áp trong m t
chu kỳ
S đồ nguyên l c a m ch đ o u điện áp

19

11
13
14
15
15
16

18
18
20
23
24
24
25
25
27
27
27
28
29


Số

hiệu
2.11
2.12
2.13
2.14
2.15
2.16
2.17
2.18
2.19
2.20
2.21
2.22
2.23
2.24
2.25
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
3.9
3.10
3.11
3.12

Tên hình

Tr ng thái làm việc c a m ch đ o u điện áp khi khóa S
đóng
Tr ng thái làm việc c a m ch đ o u điện áp khi khóa S mở
ng sóng điện áp và òng điện
S đồ c u trúc m ch điều khiển m xung m t chiều kiểu
PWM
S đồ c u trúc m ch điều khiển
M ch so sánh (a) M t cổng; ( ) Hai cổng
Các s đồ c u trúc khối khuếch đ i xung
M t số m ch phối h p xung
Đồ thị PV theo thời gian (Kp Ki K là h ng số)
Đồ thị PV theo thời gian (Kp Ki K là h ng số)
Đồ thị PV theo thời gian (Kp Ki K là h ng số)
S đồ nguyên l m ch gi m áp
S đồ m ch điện
gi m áp gi m áp (a) S đồ m ch điện
gi m áp uck tr ng thái ; ( ) S đồ m ch điện
gi m áp
uck tr ng thái 2
Điện áp ra c a gi m áp gi m áp (chưa có điều khiển PI)
Đồ thị m phỏng s thay đổi điện áp đ u ra khi điện c m thay
đổi
M ch m phỏng
M ch điều khiển PWM kết h p PI
M phỏng PI
S thay đổi c a hệ số m xung
Xung k ch mở van án n
Các điện áp trong m ch m phỏng
Điện áp đ u ra và điện áp tham chiếu trong m phỏng
Pin n ng lư ng mặt trời s

ng t o nguồn đ u vào
M ch đ ng l c m ch gi m áp
M ch điều khiển
Điện áp đ u vào th c tế c a m ch gi m áp
Đáp ng điện áp đ u ra m ch gi m áp

Trang
30
30
31
32
32
33
34
35
37
37
38
40
40
43
44
45
45
46
46
47
47
48
49

50
51
53
53


1

MỞ ĐẦU
DO CHỌN Đ T I
Ngày nay khi các v n đề nhi m m i trường g y nh hưởng đến s c khỏe con
người nhiên liệu hóa th ch (than
u ) ngày càng c n kiệt đòi hỏi chúng ta ph i
thay đổi hư ng phát triển và t m cách khai thác tối đa nguồn n ng lư ng tái t o (mặt
trời gió ) V i những ưu điểm nổi ật như: v tận s ch rẻ; n ng lư ng tái t o càng
đư c ng ng r ng rãi trên h u hết các nư c trên thế gi i Tuy nhiên ên c nh những
ưu điểm kể trên chúng cũng có nhiều h n chế về hiệu su t làm việc cũng như chịu nh
hưởng ởi điều kiện thời tiết o đó các
iến đổi điện t c ng su t c n ph i đư c
t ch h p Ngoài ra là m t người làm c ng tác gi ng y trong ngành Kỹ thuật điện tôi
muốn ch ng minh kh n ng ho t đ ng th c tế c a m ch chuyển đổi điện áp m t chiều
có điều khiển so v i l thuyết để ph c v c ng tác gi ng y
Để gi i quyết v n đề này t i đã chọn đề tài: Thiết Kế L p Đặt
Gi m p
C C ng Trong Hệ Thống N ng Lư ng Mặt Trời Nối Lư i”
N i ung luận v n tập trung thiết kế t m ra các th ng số c a m ch gi m áp m
phỏng trên Matla Simulink Thiết kế
điều khiển PI để điều khiển điện áp đ u ra
c a m ch gi m áp C C T kết qu này thiết kế l p đặt
gi m áp C C th c tế

Ph n nối lư i là phư ng hư ng phát triển tiếp theo sau này c a luận v n
2.
C Đ CH NGHI N C U
- Tính toán l a chọn các thông số phù h p cho m ch gi m áp DC/DC;
- Thiết kế b điều khiển PI;
- Phân tích kết qu thông qua việc mô phỏng b ng ph n mềm Matlab/Simulink;
- Thiết kế l p đặt
gi m áp C C có điều khiển th c tế.
3. ĐỐI TƢ NG V PHẠ VI NGHI N C U
3.1. Đối tƣợng nghi n cứu
- Thông số c a m ch gi m áp DC/DC;
- B điều khiển PI;
1.

- L p m ch th c tế.
3.2. Phạm vi nghi n cứu
- Nghiên c u thiết kế
điều khiển PI a trên phư ng pháp Ziegier- Nichols;
- Thiết kế l p đặt
gi m áp C C
4. PHƢƠNG PHÁP NGHI N C U
Đề tài Thiết Kế L p Đặt
Gi m p C C
ng Trong Hệ Thống N ng
Lư ng Mặt Trời Nối Lư i” tập trung nghiên c u và m phỏng m ch gi m áp và áp
ng các kiểu điều khiển khác nhau để đưa ra điện áp đ u ra như mong muốn Đề tài
đư c x y ng a trên ng ng cho hệ thống điện mặt trời nối lư i Các m ch tính


2

toán thiết kế đư c kiểm tra t nh đúng đ n ng phư ng pháp m phỏng trên c ng c
toán học Matla Simulink sau đó th c hiện l p đặt gi m áp C C
5.
NGHĨA KHOA HỌC VÀ TH C TI N C A Đ TÀI
ngh a khoa học: Ứng d ng các nghiên c u về n ng lư ng mặt trời. Tính toán,
thiết kế, mô phỏng s ho t đ ng c a c a m ch gi m áp C C có điều khiển.
T đó có thể phát triển đề tài theo hư ng kết nối lư i hệ thống chuyển đổi sau
này.
- Tính th c ti n: Kiểm ch ng kh n ng ho t đ ng và s ổn định c a hệ thống
chuyển đổi C C Góp ph n phát triển hệ thống n ng lư ng mặt trời nối lư i,
ng d ng vào th c tế cu c sống. Ngoài ra, ch ng minh kh n ng ho t đ ng
th c tế c a m ch ph c v cho công tác gi ng d y.
6. BỐ C C Đ TÀI
Mở đ u;
Chư ng : Tổng quan hệ thống điện mặt trời và các
chuyển đổi n ng lư ng;
Chư ng 2: T nh toán thiết kế
gi m áp C C;
Chư ng 3: M phỏng và l p đặt
gi m áp C C;
Kết luận và kiến nghị.


3

CHƢƠNG 1: T NG QUAN H THỐNG ĐI N
CHUY N Đ I N NG Ƣ NG

T TRỜI V

CÁC B

1.1 T ng Quan V Năng ƣợng
t T ời
Mặt trời là qu c u l a khổng lồ v i đường k nh trung nh kho ng 36 triệu km
và ở cách Trái đ t kho ng 50 triệu km Theo các số liệu hiện có nhiệt đ ề mặt c a
mặt trời vào kho ng 6 000K trong khi đó nhiệt đ ở v ng trung t m c a mặt trời r t
l n vào kho ng 8 06K đến 40 06K Mặt trời đư c xem là m t lò ph n ng nhiệt
h ch ho t đ ng liên t c o lu n lu n c x n ng lư ng vào trong vũ tr nên khối
lư ng c a mặt trời sẽ gi m n Điều này n đến kết qu là đến m t ngày nào đó mặt
trời sẽ th i kh ng tồn t i nữa Tuy nhiên o khối lư ng c a mặt trời v c ng l n nên
thời gian để mặt trời còn tồn t i cũng v c ng l n ên c nh s iến đổi nhiệt đ r t
đáng kể theo hư ng k nh m t điểm đặc iệt khác c a mặt trời là s ph n ố khối
lư ng r t kh ng đồng đều V
khối lư ng riêng ở vị tr g n t m mặt trời vào
3
kho ng 00g cm trong khi đó khối lư ng riêng trung nh c a mặt trời ch vào
kho ng 4 g cm3.
Các kết qu nghiên c u cho th y kho ng cách t mặt trời đến Trái đ t kh ng hoàn
toàn ổn định mà ao đ ng trong kho ng ± 7% xoay quanh giá trị trung nh đã tr nh
ày ở trên Trong kỹ thuật n ng lư ng mặt trời (NLMT) người ta r t chú đến khái
niệm h ng số mặt trời (Solar Constant) Về mặt định ngh a h ng số mặt trời đư c hiểu
là lư ng c x mặt trời ( XMT) nhận đư c trên ề mặt có iện t ch 01m2 đặt ên
ngoài u kh quyển và thẳng góc v i tia t i T y theo nguồn tài liệu mà h ng số mặt
trời sẽ có m t giá trị c thể nào đó các giá trị này có thể khác nhau tuy nhiên s sai
iệt kh ng nhiều
1.1.1
Khi nguồn n ng lư ng hóa th ch đang suy gi m n o trữ lư ng có h n mà nhu
c us
ng ngày càng l n kèm theo đó là việc tiêu th nguồn n ng lư ng này đang

g y ra nhi m m i trường nghiêm trọng Trong khi đó tiềm n ng để phát triển n ng
lư ng mặt trời là r t l n sẽ góp ph n gi m tiêu hao n ng lư ng hóa th ch đồng thời
gi m khí th i nhà k nh o đó nguồn điện đư c s n xu t ra t n ng lư ng mặt trời
đang đư c xem là s ổ sung l tưởng cho s thiếu h t điện n ng và kh ng ch giúp đa
ng hóa các nguồn n ng lư ng mà còn góp ph n ph n tán r i ro t ng cường đ m o
an ninh n ng lư ng Quốc gia
Việt Nam đư c xem là m t quốc gia có tiềm n ng r t l n về n ng lư ng mặt trời
đặc iệt ở các v ng miền trung và miền nam c a đ t nư c v i cường đ
c x mặt
2
trời trung nh kho ng 5 kWh m Trong khi đó cường đ
c x mặt trời l i th p h n
2
ở các v ng ph a c ư c t nh kho ng 4 kWh m o điều kiện thời tiết v i trời nhiều
m y và mưa ph n vào m a đ ng và m a xu n Ở Việt Nam
c x mặt trời trung nh


4
230-250 kcal/cm2 theo hư ng t ng n về ph a Nam chiếm kho ng 2 000 - 5.000
giờ n m v i ư c t nh tiềm n ng l thuyết kho ng 43 9 tỷ TOE N ng lư ng mặt trời ở
Việt Nam có sẵn quanh n m khá ổn định và ph n ố r ng rãi trên các v ng miền khác
nhau c a đ t nư c Đặc iệt số ngày n ng trung nh trên các t nh c a miền trung và
miền nam là kho ng 300 ngày n m N ng lư ng mặt trời đư c khai thác s
ng ch
yếu cho các m c đ ch như: s n xu t điện và cung c p nhiệt

H nh 1.1:

n đồ

c x mặt trời Việt Nam


5
Tuy vậy trong th c tế các c ng tr nh phát triển nguồn điện này ở nư c ta v n
đang còn khiêm tốn việc khai thác v n còn h n chế m i ch l p đặt th nghiệm ở m t
số n i chưa có lư i điện như v ng s u v ng xa h i đ o v i c ng su t nhỏ Mặc
các
nhà đ u tư đã t đ u đẩy m nh nghiên c u x y ng
án điện mặt trời t i Việt
Nam nhưng theo t m hiểu h u hết các
án v n còn n m trên gi y ên c nh đó, trình
t th t c xin c p phép x y ng ổ sung
án điện mặt trời vào quy ho ch điện l c
c a Quốc gia và t ng địa phư ng còn rườm rà Và đ y ch nh là những rào c n đòi hỏi
các c quan qu n l các c p ch nh quyền ph i vào cu c tháo g trong thời gian t i để
điện mặt trời có thể phát triển đ t m c tiêu đề ra
1.1.2
V n đề s
ng NLMT đã đư c các nhà khoa học trên thế gi i và trong nư c quan
tâm. Mặc
tiềm n ng c a NLMT r t l n nhưng tỷ trọng n ng lư ng đư c s n xu t
t NLMT trong tổng n ng lư ng tiêu th c a thế gi i v n còn khiêm tốn Các ng
ng NLMT phổ iến hiện nay ao gồm các l nh v c ch yếu sau:
- Nhiệt mặt trời: s
ng các thiết ị đun nư c nóng ếp đun ng các ng t m
thu NLMT thiết ị s y NLMT thiết ị chưng c t nư c ng NLMT thiết ị
làm l nh và điều hòa kh ng kh
ng NLMT hay ng NLMT ch y các đ ng

c nhiệt (đ ng c Stirling)

H nh 1.2: Máy nư c nóng n ng lư ng mặt trời
- Điện mặt trời: c sở là s
ng các pin mặt trời ở các quy m khác nhau quy
m nhỏ kh ng nối lư i thường là các t m pin mặt trời t o ra điện t n ng
lư ng mặt trời và s d ng tr c tiếp (như dùng trong chiếu sáng, c p điện sinh
ho t hoặc cho các thiết bị v n phòng, các máy đo t đ ng, vi n th ng ); quy
mô nhỏ có nối lư i thường là các dàn pin mặt trời đư c l p đặt trên các mái
nhà c a h gia đình hay công sở và quy mô l n nối lư i.


6

àn pin n ng lư ng mặt trời

B chuyển đổi (Inverter)

Hệ thống
truyền t i

Hệ thống giám sát/điều khiển

Điện
t
ng

Hệ thống tr m nâng

H nh 1.3: S đồ tổng thể m t hệ thống nhà máy điện mặt trời

Điều kiện t nhiên có vai trò r t quan trọng trong việc khai thác NLMT nh t là
khai thác ư i ng điện mặt trời quy m l n Đối v i quy m khai thác nhỏ lẻ điều
kiện t nhiên kh ng có nh hưởng đáng kể song hiệu su t khai thác và hiệu qu kinh
tế l i r t th p Những khu v c tập trung đ ng n cư như các thành phố thị tr n, các
khu c ng nghiệp hoặc ở các làng xóm th n n ch có thể khai thác NLMT ư i
ng điện ở trên các mái nhà n trên s n thư ng c a các c ng sở x nghiệp
để
ph c v tr c tiếp cho t ng h gia đ nh v n phòng c quan hoặc m t c m n cư nh t
định Để khai thác có hiệu qu nguồn NLMT c n triển khai các
án điện mặt trời
quy m l n có nối lư i Đối v i quy m như vậy để có thể thu n ng lư ng v i c ng
su t l n c n r t nhiều iện t ch thu ở những khu v c có mặt ng trống tr i r ng l n và
địa h nh tư ng đối ng phẳng Muốn vậy ch có thể là những khu v c đ t trống đồi
trọc đ t hoang hóa hoặc các đ m l y Miền Trung Việt Nam là n i có khá nhiều khu
v c thỏa mãn đư c điều kiện đó C thể như:
- Hiện nay, các t nh duyên h i Nam Trung b có diện t ch đ t trống đồi núi trọc
khá l n (g n 1,2 triệu ha đ t hoang đồi núi và h n 60 000 ha đ t hoang đồng
b ng trên tổng diện t ch đ t t nhiên h n 3 triệu ha). Ở đ y có những d i cồn
cát kéo dài khá liên t c t Đà Nẵng đến Bình Thuận góp ph n gây nên sa m c
hóa, nh t là ở các t nh: Qu ng Ngãi nh Định Khánh Hòa nhưng điển hình là
2 t nh Ninh Thuận và Bình Thuận. Theo các nhà khoa học thu c Viện Khoa
học Kỹ thuật nông nghiệp duyên h i Nam Trung b , khu v c Ninh Thuận, Bình
Thuận kh nóng quanh n m nh t là ở Ninh S n (Ninh Thuận), Tuy Phong và
B c Bình (Bình Thuận) đã t o thành vùng cát hoang m c hóa trên diện t ch h n
131.000 ha. Hai huyện Tuy Phong và B c Bình có diện t ch đ t cát hoang hóa
kho ng 35.000 ha phân bố trên chiều dài 50 km bờ biển.


7
ng 1-1: Số liệu về

GIỜ NẮNG

VÙNG

Đ ng

c x mặt trời t i Việt Nam

TRONG N

BXMT
(kWh/m2, ngày)

NG
D NG

1600 – 1750

3,3 – 4,1

Trung bình

c

1750 – 1800

4,1 – 4,9

Trung bình

c Trung

1700 – 2000

4,6 – 5,2

Tốt

2000 – 2600

4,9 – 5,7

R t tốt

2200 – 2500

4,3 – 4,9

R t tốt

1700 – 2500

4,6

Tốt

T y

c

CƢỜNG Đ

Tây Nguyên và Nam
Trung
Nam
Trung

nh c nư c

- Miền Trung Việt Nam đặc biệt là khu v c Nam Trung B có tiềm n ng NLMT
r t đáng kể. Ngoài việc tiếp t c mở r ng triển khai các ng d ng n ng lư ng
mặt trời quy mô nhỏ ư c đ u miền Trung đã t đ u xây d ng đư c m t số
nhà máy điện mặt trời. V i điều kiện t nhiên r t thuận l i nhưng su t đ u tư
cho điện mặt trời hiện v n còn cao nên nhà đ u tư chưa thật yên tâm. Tiềm
n ng về NLMT đã đư c khẳng định m c khá cao ở nhiều khu v c thu c các
t nh ven biển miền Trung v i tổng lư ng b c x c n m t 1300 kWh/m2 đến
trên 2400 kWh/m2 và có xu hư ng t ng t B c vào Nam Tư ng t , số giờ n ng
ở khu v c này đều trên 1400 giờ n m và cũng có xu hư ng t ng t B c vào
Nam Điều kiện về đ t đai tài ch nh và ch nh sách cũng đã đư c phân tích
nh m giúp các nhà đ u tư có thêm tư liệu để tiến hành lập d án xây d ng nhà
máy nhiệt điện mặt trời ở khu v c này góp ph n đưa tỷ lệ điện mặt trời t ng lên
trong tư ng lai g n.


8
ng 1-2: Lư ng tổng x

c x mặt trời trung

nh ngày c a các tháng trong n m

ở m t số địa phư ng c a nư c ta (đ n vị: MJ m2.ngày)

TT

Đ A PHƢƠNG

1

Cao

ng

2

Móng Cái

3

S n La

4

Láng (Hà N i)

5

Vinh

6

Đà Nẵng

7

C n Th

8

Đà L t

T NG XẠ B C XẠ
T TRỜI C A CÁC THÁNG
TRONG N
(đ n vị: MJ m2.ngày)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
8,21
8,72

10,43
12,70
16,81
17,56
18,81
19,11
17,60
13,57
11,27
9,37
18,81
19,11
17,60
13,57
11,27
9,37
17,56
18,23
16,10
15,75
12,91
10,35
11,23
12,65
14,45
16,84
17,89
17,47
11,23
12,65

14,25
16,84
17,89
17,47
8,76
8,63
9,09
12,44
18,94
19,11
20,11
18,23
17,22
15,04
12,40
10,66
8,88
8,13
9,34
14,50
20,03
19,78
21,79
16,39
15,92
13,16
10,22
9,01
12,44
14,87

18,02
20,28
22,17
21,04
22,84
20,78
17,93
14,29
10,43
8,47
17,51
20,07
20,95
20,88
16,72
15,00
16,68
15,29
16,38
15,54
15,25
16,38
16,68
15,29
16,38
15,54
15,25
16,38
18,94
16,51

15,00
14,87
15,75
10,07

1.2 Pin Năng ƣợng
t T ời
Hệ thống điện mặt trời (Photovoltaic System) PV đang đư c s
ng ngày càng
r ng rãi ở các nư c trên thế gi i nói chung và nư c ta nói riêng V t nh c p thiết c a
nhu c u n ng lư ng đang ngày càng gia t ng các hệ thống n ng lư ng s ch đang ngày
càng phát triển và có xu hư ng kết nối đến điện lư i để làm gi m gánh nặng cho các
hệ thống điện truyền thống (các nhà máy nhiệt điện ch y ng than kh đốt ) Nh n
chung hệ thống điện mặt trời có thể chia làm hai lo i:
- Hệ thống PV làm việc ở h tiêu th đ n lẻ;
- Hệ thống PV làm việc v i lư i.
Hệ thống làm việc c a PV ao gồm: hệ thống pin mặt trời
chuyển đổi n ng
lư ng m t chiều C C
t điểm c ng su t c c đ i (MPPT)
điều khiển PWM
và t i C đư c m t như h nh .4.


9

B chuyển
đổi DC/DC

B t điểm

công su t
c cđ i
MPPT

T i DC

PWM

H nh 1.4: S đồ khối hệ thống điện mặt trời cho t i C
1.2.1
Pin mặt trời (pin quang điện) là m t thiết ị chuyển đổi tr c tiếp n ng lư ng c a
ánh sáng mặt trời thành điện n ng nhờ hiệu ng quang điện (hiệu ng quang điện là
kh n ng phát ra điện t (electron) khi đư c ánh sáng chiếu vào c a vật ch t) Hiện
nay h u hết các
chuyển đổi quang điện trong pin mặt trời đư c s
ng vật liệu
án n ư i ng m t đường nối p-n. Lo i án n th ng ng nh t là silic tinh thể
Khi ị ánh sáng hay nguồn nhiệt k ch th ch các điện t ị t ra khỏi liên kết: các điện
t nh y t v ng hóa trị lên v ng n và để l i m t lỗ trống điện t ch ư ng trong v ng
hóa trị Lúc này ch t án n sẽ t o nên đường n cho các điện t t o

H nh 1.5: C u t o c a m t tế ào pin mặt trời
Về n ch t pin quang điện là m t đi-ốt án n ao gồm hai t m án n lo i p
và n đặt sát nhau Trên ề mặt c a pin có m t l p chống ph n x m t ph n ánh sáng
sẽ ị h p th khi truyền qua l p n và m t ph n ánh sáng sẽ đến đư c l p chuyển tiếp
n i có các cặp điện t t ch điện m và lỗ trống n m ở ề mặt gi i h n Các ư c sóng
th ch h p sẽ truyền cho điện t m t n ng lư ng đ l n để thoát khỏi liên kết để ịch
chuyển theo con đường p-n đã đư c t o ra Khi kết nối v i hai điện c c ta sẽ đo đư c
m t hiệu điện thế

10
T m pin n ng lư ng đư c t o thành t nhiều pin mặt trời có thể gồm 36 đến 72
pin mặt trời m c nối tiếp v i nhau V những t m pin mặt trời có c ng su t khá nhỏ
nên thường đư c liên kết v i nhau và đặt trên m t iện t ch l n để đáp ng đư c
nguồn n ng lư ng đ l n nh m đáp ng nhu c u c a các thiết ị s
ng
Mỗi t m pin mặt trời thường có điện áp là 2VDC đáp ng các m c c ng su t khác
nhau như: 30Wp 40Wp 50Wp 75Wp 00Wp 25Wp 50Wp T y theo nhu c u s
ng (về điện áp òng điện) mà nhà l p đặt sẽ ghép nối các t m pin l i v i nhau để
t o thành m t àn pin mặt trời
1.2.2
Pin PV có m ch điện tư ng đư ng như m t đi-ốt m c song song v i m t nguồn
điện quang sinh Ở cường đ ánh sáng ổn định pin PV có m t tr ng thái làm việc nh t
định òng điện quang sinh kh ng thay đổi theo tr ng thái làm việc o đó trong m ch
điện tư ng đư ng có thể xem như là m t nguồn òng ổn định Iph Trên th c tế trong
quá tr nh chế t o pin PV o tiếp xúc điện c c mặt trư c và sau cũng có thể o n
th n vật liệu có m t điện trở su t nh t định V vậy trong m ch điện tư ng đư ng c n
ph i m c thêm vào m t điện trở nối tiếp Rs và m t điện trở song song Rsh v i t i RL.
Như vậy m ch điện tư ng đư ng c a pin PV đư c thể hiện trên h nh .6.

PV l tưởng

RS

IPV
+

ID
Iph

D

Rsh

VPV
_

H nh 1.6: S đồ m ch điện tư ng đư ng c a PV
òng điện qua đi-ốt:
(1.1)
Theo định luật Kirchhoff về cường đ

òng điện:
(1.2)

Theo định luật Kirchhoff về điện thế:
(1.3)
Trong đó:
- ID: òng điện qua đi-ốt (A);


11
- IS: òng điện bão hòa c a đi-ốt (A);
- q: điện tích c a electron (1,602.10-19C);
- k: h ng số Boltzman (1,381.10-23J/K);
- T: nhiệt đ l p tiếp xúc (K);
- n: hệ số l tưởng c a diode;
- VD: điện áp đi-ốt (V);
- IPV: òng điện ra c a PV (A).
T các phư ng tr nh ( ) ( 2) ( 3) suy ra phư ng tr nh đặc t nh I-V c a m t tế

bào PV.
(

(

)

(1.4)

)

T các phư ng tr nh ( ) ( 2) ( 3) ( 4) và t s đồ tư ng đư ng c a àn PV
ta có thể x y ng đư c m h nh m phỏng c a àn PV khi nhiệt đ và cường đ
c
x thay đổi như hình 1.6 S đồ m phỏng s
ng lo i PV òng Mono-cell do hãng
osch (Đ c) s n xu t có những th ng số c
n đo ở điều kiện tiêu chuẩn ( 000W m2,
25oC) như sau: Pmax = 50 W, VMPP = 16,5 V, IMPP = 2,77 A, Voc = 22,01 V, Isc = 3,1 A.
M phỏng thu đư c đường cong quan hệ V-I, P-V và P-I c a PV như h nh .7, 1.8.

H nh 1.7: M h nh m phỏng àn PV khi nhiệt đ

cường đ

c x thay đổi


12

13

H nh 1.8: Đặc t nh tư ng quan c a PV khi

c x mặt trời thay đổi


14

H nh 1.9: Đặc t nh tư ng quan c a PV khi nhiệt đ thay đổi
Như vậy vị tr c a điểm MPP trên đường đặc t nh là kh ng iết trư c và nó lu n
thay đổi ph thu c vào điều kiện c x và nhiệt đ
o đó c n có m t thuật toán để
theo õi điểm MPP thuật toán này ch nh là trọng t m c a
điều khiển MPPT


15
1.3 Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT
1.3.1
a) iới thiệu chung
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phư ng pháp ò t m điểm làm việc có
công su t tối ưu c a hệ thống nguồn điện pin mặt trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng
mở khóa điện t dùng trong b
C C Phư ng pháp MPPT đư c s d ng r t phổ
biến trong hệ thống pin mặt trời làm việc đ c lập và đang n đư c áp d ng trong hệ
quang điện làm việc v i lư i. MPPT b n ch t là thiết bị điện t công su t ghép nối
nguồn điện PV v i t i để khuyếch đ i nguồn công su t ra khỏi nguồn pin mặt trời khi
điều kiện làm việc thay đổi và t đó có thể n ng cao đư c hiệu su t làm việc c a hệ

thống MPPT đư c ghép nối v i b biến đổi DC/DC và m t b điều khiển.
Khi m t t m PV đư c m c tr c tiếp vào m t t i điểm làm việc c a t m PV đó sẽ
là giao điểm giữa đường đặc tính làm việc I–V và đường đặc tính I–V c a t i. Gi s
nếu t i là thu n trở th đường đặc tính t i là m t đường thẳng t p v i đ dốc là 1/Rt i.
+

PV

V

I

R

_

H nh 1.10: V
t m pin mặt trời đư c m c tr c tiếp
v i m t t i thu n trở có thể thay đổi giá trị điện trở đư c

H nh 1.11: Đường đặc t nh làm việc c a pin
và c a t i thu n trở có giá trị điện trở thay đổi đư c
Nói cách khác, trở kháng c a t i ám theo điều kiện làm việc c a pin. Nói chung,
điểm làm việc hiếm khi ở đúng t i vị trí có công su t l n nh t, vì vậy nó sẽ không sinh


16
ra công su t l n nh t. M ng nguồn pin mặt trời thường bị quá t i khi ph i bù cho m t
lư ng công su t th p vào thời gian ánh sáng yếu kéo ài như trong m a đ ng S
không thích ng giữa t i và các t m pin mặt trời thường làm cho nguồn pin mặt trời bị

quá t i và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống Để gi i quyết v n đề này phư ng pháp
MPPT đư c s d ng để uy tr điểm làm việc c a nguồn điện pin t i đúng điểm có
công su t l n nh t MPP. Phư ng pháp MPPT có thể xác định ch nh xác đến 97% điểm
MPP. Ph n này đề cập đến đặc tính làm việc I–V c a mô đun pin mặt trời và t i, s
tư ng th ch c a c t i và pin phư ng pháp điều khiển MPPT.
B điều khiển MPPT có thể là b điều khiển tư ng t truyền thống. Tuy nhiên,
việc s d ng b điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm h n
b điều khiển tư ng t . B điều khiển số có thể lập tr nh đư c vì vậy kh n ng th c
hiện các thuật toán cao c p sẽ d dàng h n Nó
àng mã hóa iểu th c, ví d x =
yxz h n là thiết kế m t m ch điện tư ng t để th c hiện cùng m t biểu th c đó Nhờ
lý do này mà việc hiệu ch nh ở b điều khiển số đư c th c hiện d àng h n nhiều so
v i b điều khiển tư ng t . Mặt khác b điều khiển số không bị nh hưởng bởi s thay
đổi về nhiệt đ và thời gian vì b này ho t đ ng rời r c, bên ngoài các thành ph n
tuyến tính. Vì vậy, b điều khiển số có tr ng thái ổn định l u h n Không ch có vậy,
b điều khiển MPPT số không ph thu c vào dung sai c a các b phận khác vì nó th c
hiện thuật toán ở ph n mềm n i mà các th ng số có thể đư c giữ ổn định hoặc thay
đổi đư c.
b) Thuật toán xác định đi m làm việc có công suất lớn nhất
T
Như đã nói ở trên điểm làm việc có công su t l n nh t MPP định trên đường đặc
tính I–V lu n thay đổi ư i điều kiện nhiệt đ và cường đ b c x thay đổi. Chẳng
h n, hình vẽ thể hiện đường đặc tính làm việc I–V ở những m c cường đ b c x khác
nhau t ng n ở cùng m t giá trị nhiệt đ (25oC) và hình 1.12 thể hiện các đường đặc
tính làm việc ở cùng m t m c cường đ b c x nhưng v i nhiệt đ t ng n.

H nh 1.12: Đường đặc t nh làm việc c a pin
khi cường đ
c x thay đổi ở c ng m t m c nhiệt đ