Đồ án tốt nghiệp Mô phỏng và thiết kế Inverter cho năng lượng mặt trời

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

i


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................
...............................................................................................................................................

ii


LỜI CẢM ƠN

Không có sự thành công nào mà phía sau đó không có những nỗ lực và cố gắng. Có
thể nói luận văn tốt nghiệp này là kết quả mà chúng em đạt được sau những ngày nghiên
cứu tại phòng thí nghiệm. Đó không chỉ là sản phẩm của quá trình học tập và tìm hiểu của
mỗi sinh viên mà còn là sự giúp đỡ hậu phương từ phía gia đình, thầy cô và bạn bè.
Lời đầu tiên, chúng em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy/ Cô và ban chủ
nhiệm khoa Điện - Điện tử trường đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tụy
giảng dạy và truyền đạt những kiến thức cho sinh viên trong nhiều năm qua.
Tiếp theo chúng em xin gửi lời cảm ơn đặc biệt sâu sắc đến thầy Nguyễn Đình
Tuyên đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và nhắc nhở chúng em trong suốt quá trình thực

hiện luận văn tốt nghiệp này. Chúng em cũng không quên cảm ơn chân thành đến các anh
ở phòng thí nghiệm điện tử công suất đã nhiệt tình giúp đỡ, giải đáp thắc mắc và tạo điều
kiện thuận lợi cho chúng em hoàn thành luận văn trong suốt thời gian qua.
Chúng em xin chân thành cảm ơn!
TP.Hồ Chí Minh, tháng 04 năm 2019
Sinh viên

Lê Trung Nam

iii

Đỗ Thanh Tùng


TÓM TẮT ĐỀ TÀI

Nhu cầu về năng lượng trong thời đại khoa học kỹ thuật không ngừng gia tăng.
Tuy nhiên các nguồn năng lượng truyền thống đang được khai thác như: than đá, dầu mỏ,
khí đốt, khí thiên nhiên và ngay cả thủy điện… đang ngày càng cạn kiệt. Không những
thế chúng còn có tác hại xấu với môi trường như: gây ra ô nhiễm môi trường, ô nhiễm
tiếng ồn, mưa axit, trái đất ấm dần lên, thủng tầng ozon… Do đó việc tìm ra và khai thác
nguồn năng lượng mới như: năng lượng hạt nhân, năng lượng địa nhiệt, năng lượng gió
và năng lượng mặt trời… là rất cần thiết.
Việc nghiên cứu năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút sự quan tâm của các
nhà nghiên cứu, nhất là trong tình trạng thiếu hụt nghiêm trọng nguồn năng lượng như
hiện nay. Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng sạch, dồi dào, hoàn toàn miễn phí,
không gây ra ô nhiễm môi trường và ô nhiễm tiếng ồn… Hiện nay năng lượng mặt trời
đang dần dần đi vào cuộc sống con người, chúng được áp dụng khá rộng rãi trong dân
dụng và trong công nghiệp dưới nhiều hình thức khác nhau.
Pin mặt trời có rất nhiều ưu điểm ưu việt nhưng giá thành của tấm pin mặt trời còn

đắt nên việc nâng cao hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của pin trở thành một vấn đề rất quan
trọng. Để tăng hiệu suất và tuổi thọ của pin thì cần phải có một hệ thống pin mặt trời hoạt
động ổn định. Do đó chúng em chọn đề tài: “ Mô phỏng và thiết kế Micro Inverter sử
dụng T-type Inverter”.

iv


MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƢỚNG DẪN.......................................................................................... i
NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN............................................................................................ ii
LỜI CẢM ƠN .............................................................................................................................................. iii
TÓM TẮT ĐỀ TÀI ..................................................................................................................................... iv
MỤC LỤC ..................................................................................................................................................... v
DANH SÁCH HÌNH VẼ ........................................................................................................................... viii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU....................................................................................................................... xii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................................... xiii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI........................................1
1.1

Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ...............................................................................................1

1.2

Giới thiệu về pin mặt trời ............................................................................................................2

1.2.1

Định nghĩa .............................................................................................................................2

1.2.2

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loạt pin mặt trời ..................................................2

1.3

Đặc tính làm việc của pin mặt trời..............................................................................................4

1.3.1

Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin mặt trời ..................................................................................4

1.3.2

Đặc tính của pin mặt trời .....................................................................................................6

1.3.3

Những yếu tố bên ngoài ảnh hƣởng tới pin mặt trời.........................................................9

1.4

Kết luận chƣơng 1 ......................................................................................................................11

CHƢƠNG 2: GIỚI THIỆU VỀ BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ GIẢI THUẬT MPPT ............................13
2.1

Bộ biến đổi DC/DC .....................................................................................................................13

2.2

Thuật toán bám điểm công suất cực đại...................................................................................16

2.3

Kết luận chƣơng 2 ......................................................................................................................20

CHƢƠNG 3: GIỚI THIỆU VỀ BỘ NGHỊCH LƢU DC-AC VÀ CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN
DÒNG ĐIỆN ...............................................................................................................................................21
3.1

Bộ nghịch lƣu DC/AC ................................................................................................................21

3.2

Vòng khóa pha ............................................................................................................................26

3.3

Điều khiển điện áp Vbus ..............................................................................................................27

3.4

Điều khiển dòng điện cộng hƣởng.............................................................................................27

3.5

Kết luận chƣơng 3 ......................................................................................................................29

CHƢƠNG 4: GIỚI THIỆU VỀ MẠCH LỌC DÒNG ĐIỆN LCL ........................................................30
v


4.1

Giới thiệu.....................................................................................................................................30

4.2

Bộ lọc LCL ..................................................................................................................................30

4.3

Kết luận chƣơng 4 ......................................................................................................................31

CHƢƠNG 5: TÍNH TOÁN VÀ MÔ PHỎNG SỬ DỤNG PHẦN MỀM PSIM ....................................32
5.1

Giới thiệu phần mềm Psim ........................................................................................................32

5.2

Xây dựng mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu hòa lƣới một pha..............................................33

5.2.1

Mô phỏng pin mặt trời .......................................................................................................33

5.2.2

Mô phỏng bộ biến đổi DC/DC và thuật toán MPPT .......................................................35

5.2.3

Mô phỏng bộ nghịch lƣu DC/AC và thuật toán điều khiển dòng điện cộng hƣởng .....38

5.3

Mô hình mô phỏng hoàn chỉnh .................................................................................................40

5.4

Kết quả mô phỏng ......................................................................................................................42

CHƢƠNG 6: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MẠCH NGHỊCH LƢU T-TYPE 5 BẬC ..........................45
6.1

Giới thiệu các linh kiện cần thiết ..............................................................................................45

6.1.1

Khóa đóng ngắt IGBT........................................................................................................45

6.1.2

Tụ điện đầu vào ..................................................................................................................46

6.1.3

Cuộn cảm và tụ điện của mạch lọc LCL ..........................................................................47

6.1.4

Mạch kích khóa bán dẫn ...................................................................................................48

6.1.5

Kit vi điều khiển LAUNCHXL - F28379D .......................................................................49

6.1.6

Op-amp LM358 ..................................................................................................................51

6.1.7

Cảm biến hall ACS712 20A ...............................................................................................51

6.1.8

Các cổng logic .....................................................................................................................52

6.2

Thiết kế mạch .............................................................................................................................53

6.2.1

Giới thiệu về phần mềm Altium ........................................................................................53

6.2.2

Thiết kế mạch công suất ....................................................................................................54

6.2.3

Thiết kế mạch đo điện áp, dòng điện và mạch cổng logic ...............................................54

6.3

Thi công mạch ............................................................................................................................56

CHƢƠNG 7: LẬP TRÌNH VÀ THỬ NGHIỆM .....................................................................................60
7.1

Giới thiệu phần mềm Code Composer Studio .........................................................................60

7.2

Lập trình điều khiển vòng hở ....................................................................................................60

7.3
PLL

Lập trình điều khiển vòng kín dòng điện khi kết nối với tải độc lập có sử dụng thuật toán
68

CHƢƠNG 8: KẾT QUẢ VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ............................................................80
8.1

Kết quả ........................................................................................................................................80

vi


8.1.1

Các nội dung đã làm đƣợc .................................................................................................80

8.1.2

Các nội dung chƣa làm đƣợc .............................................................................................80

8.2

Hƣớng phát triển đề tài .............................................................................................................80

PHỤ LỤC ....................................................................................................... Error! Bookmark not defined.
TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................................................81

vii


DANH SÁCH HÌNH VẼ

Hình 1. 1: Cấu trúc bộ nghịch lưu hòa lưới một pha dùng điện mặt trời ............................ 1
Hình 1. 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [4] ......................................... 2
Hình 1. 3: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) và đa tinh thể (poly)[2] .................................. 4
Hình 1. 4: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời [4] ........................................... 4
Hình 1. 5: Mô hình lý tưởng của tế bào pin mặt trời ........................................................... 6

Hình 1. 6: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng [4] ........................... 7
Hình 1. 7: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của Rsh [4] .............................. 8
Hình 1. 8: Đặc tính I-V khi có điện trở Rsh [4] ................................................................... 8
Hình 1. 9: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của điện trở Rs [4] .................. 9
Hình 1. 10: Đặc tính I-V khi có điện trở Rs [4] ................................................................... 9
Hình 1. 11: Đặc tính I-V và P-V khi cường độ chiếu sáng thay đổi [4] ............................ 10
Hình 1. 12: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi [4] ...................... 11
Hình 2. 1: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của mạch Flyback Converter [11] ................. 13
Hình 2. 2: Nguyên lý hoạt động và dạng sóng dòng điện khi mạch flyback hoạt động ở
chế độ CCM ứng với trạng thái 1 và 2 [11]........................................................................ 14
Hình 2. 3: Nguyên lý hoạt động và dạng sóng dòng điện khi mạch flyback hoạt động ở
chế độ DCM ứng với trạng thái 1,2 và 3 [11] .................................................................... 15
Hình 2. 4: Mạch tương đương của biên áp Flyback [7] ..................................................... 15
Hình 2. 5: Cấu tạo của mạch Flyback Interleaved [8] ........................................................ 16
Hình 3. 1: Cấu trúc bộ nghịch lưu một pha đa bậc, (a) half-bridge, (b) full-bridge, (c)
hybrid-bridge [24]............................................................................................................... 21
Hình 3. 2: Bộ nghịch lưu một pha loại T 5 bậc [24] .......................................................... 22
Hình 3. 3: Ba chế độ hoạt động của các khóa đóng ngắt, (a) chế độ 1, (b) chế độ 2, (c) chế
độ 3 ..................................................................................................................................... 23
Hình 3. 4: Dạng sóng bộ nghịch lưu T-type 5 bậc, (a) tín hiệu các khóa đóng ngắt trong
một chu kì, (b) nút điện áp van(t) và dòng điện trong nữa chu kỳ dương [24] .................. 25
Hình 3. 5: Thời điểm chuyển đổi chế độ phụ thuộc vào sự khác biệt điện áp đặt trước giữa
điện áp đầu ra (vo(t)) và một nửa điện áp bus (Vin/2) ....................................................... 26
Hình 3. 6: Sơ đồ khối cấu trúc của Vòng khóa pha ............................................................ 26
Hình 3. 7: Vòng điều khiển điện áp Vbus .......................................................................... 27
Hình 3. 8: Sơ đồ khối của vòng điều khiển dòng điện [10]................................................ 28

viii

Hình 4. 1: Các bộ lọc cơ bản, (a) bộ lọc L, (b) bộ lọc LC, (c) bộ lọc LCL ........................ 30
Hình 5. 1: Các đối tượng ứng dụng của phần mềm Psim ................................................... 32
Hình 5. 2: Sơ đồ khối chi tiết bộ nghịch lưu hòa lưới một pha .......................................... 33
Hình 5. 3: Thông số pin mặt trời Redsun 220W khi nhập vào Solar Module của PSIM ... 34
Hình 5. 4: Mô phỏng pin mặt trời kết nối với tải thuần trở ................................................ 35
Hình 5. 5: Điện áp làm việc tại điểm cực đại của pin mặt trời khi ghép với tải R=3.76Ω. 35
Hình 5. 6: Mô phỏng một khối flyback với các thông số đã được tính toán như trên ....... 36
Hình 5. 7: Mô phỏng bộ MPPT P&O bằng phần mềm PSIM ............................................ 37
Hình 5. 8: Mô phỏng ghép nối pin mặt trời, Flyback Interleaved và MPPT lại với nhau . 37
Hình 5. 9: Điện áp đầu ra của pin mặt trời ......................................................................... 38
Hình 5. 10: Bộ nghịch lưu T-type 5 bậc kết hợp với thuật toán điều khiển dòng điện cộng
hưởng .................................................................................................................................. 39
Hình 5. 11: Mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp Vbus ................................................. 39
Hình 5. 12: Mô phỏng vòng khóa pha PLL ........................................................................ 39
Hình 5. 13: Mô phỏng thuật toán điều khiển dòng điện cộng hưởng ................................. 40
Hình 5. 14: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu hòa lưới một pha dùng điện mặt trời ........ 41
Hình 5. 15: Điện áp pin mặt trời ......................................................................................... 42
Hình 5. 16: Điện áp Vbus ..................................................................................................... 42
Hình 5. 17: Điện áp ngõ ra inverter (đỏ) và điện áp lưới (xanh dương) ........................... 43
Hình 5. 18: Dòng điện ngõ ra Inverter ............................................................................... 43

Hình 6. 1: IGBT STGW40N120KD của hãng STMicroelectronics .................................. 46
Hình 6. 2: Tụ hóa 470uF 450V ........................................................................................... 47
Hình 6. 3: Cuộn lọc và tụ lọc của mạch lọc LCL ............................................................... 48
Hình 6. 4: Mạch kích khóa bán dẫn DA962D6 của hãng Pwrdriver. ................................ 49
Hình 6. 5: Kit vi điều khiển LAUNCHXL- F28379D ....................................................... 50
Hình 6. 6: Sơ đồ chân kit LAUNCHXL- F28379D ........................................................... 51
Hình 6. 7: Op-amp LM358 và sơ đồ cấu tạo chân của nó. ................................................. 51
Hình 6. 8: Module cảm biến hall ACS712 20A ................................................................. 52
Hình 6. 9: IC logic 74HC32N (OR), 74HC08N (AND), 74HC04N (NOT) ...................... 53

Hình 6. 10: Mạch công suất được thiết kế trên Altium ...................................................... 54
Hình 6. 11: Sơ đồ nguyên lý mạch đo điện áp [20,28] ....................................................... 55
Hình 6. 12: Sơ đồ nguyên lý mạch đo dòng điện [20,28] .................................................. 55
Hình 6. 13: Mạch đo áp, dòng và mạch cổng logic được thiết kế trên Altium .................. 56
Hình 6. 14: Mạch PCB công suất ....................................................................................... 56
Hình 6. 15: Mạch PCB đo điện áp, dòng điện và mạch cổng logic ................................... 57
Hình 6. 16: Mạch công suất sau khi hoàn thành ................................................................ 57
ix


Hình 6. 17: Mạch đo áp, dòng và logic sau khi hoàn thành ............................................... 58
Hình 6. 18: Mô hình mạch nghịch lưu T-type 5 bậc .......................................................... 59

Hình 7. 1: Trình biên dịch CCS 7.4 .................................................................................... 60
Hình 7. 4: Sơ đồ điều khiển vòng hở qua tải ...................................................................... 61
Hình 7. 5: Diode chỉnh lưu 6RI100G-160 của hãng FUJI ................................................. 61
Hình 7. 6: Tải gồm sáu bóng đèn mắc song song............................................................... 62
Hình 7. 7: Điện áp inverter trước khi lọc, không tải khi m=0.6 ......................................... 62
Hình 7. 8: Điện áp inverter trước khi lọc, có tải khi m=0.6 ............................................... 63
Hình 7. 9: Điện áp inverter sau khi lọc, có tải khi m=0.6 .................................................. 63
Hình 7. 10: Dòng điện inverter có tải khi m=0.6 ............................................................... 64
Hình 7. 11: Điện áp inverter trước khi lọc, không tải khi m=0.8 ....................................... 64
Hình 7. 12: Điện áp inverter trước khi lọc, có tải khi m=0.8 ............................................. 65
Hình 7. 13: Điện áp inverter sau khi lọc, có tải khi m=0.8 ................................................ 65
Hình 7. 14: Dòng điện inverter có tải khi m=0.8 ............................................................... 66
Hình 7. 15: Điện áp inverter trước khi lọc, không tải khi m=1 .......................................... 66
Hình 7. 16: Điện áp inverter trước khi lọc, có tải khi m=1 ................................................ 67
Hình 7. 17: Điện áp inverter sau khi lọc, có tải khi m=1 ................................................... 67
Hình 7. 18: Dòng điện inverter có tải khi m=1 .................................................................. 68
Hình 7. 19: Sơ đồ điều khiển vòng kín dòng điện qua tải .................................................. 69

Hình 7. 20: Điện áp inverter trước khi lọc khi I_ref = 1A ................................................. 70
Hình 7. 21: Điện áp inverter sau khi lọc khi I_ref = 1A..................................................... 70
Hình 7. 22: Dòng điện inverter khi I_ref = 1A ................................................................... 71
Hình 7. 23: Điện áp inverter trước khi lọc khi I_ref = 2A ................................................. 71
Hình 7. 24: Điện áp inverter sau khi lọc khi I_ref = 2A..................................................... 72
Hình 7. 25: Dòng điện inverter khi I_ref = 2A ................................................................... 72
Hình 7. 26: Điện áp inverter trước khi lọc khi I_ref = 3A ................................................. 73
Hình 7. 27: Điện áp inverter sau khi lọc khi I_ref = 3A..................................................... 73
Hình 7. 28: Dòng điện inverter khi I_ref = 3A ................................................................... 74
Hình 7. 29: Điện áp inverter trước khi lọc khi I_ref = 4A ................................................. 74
Hình 7. 30: Điện áp inverter sau khi lọc khi I_ref = 4A..................................................... 75
Hình 7. 31: Dòng điện inverter khi I_ref = 4A ................................................................... 75
Hình 7. 32: Điện áp inverter trước khi lọc khi I_ref = 5A ................................................. 76
Hình 7. 33: Điện áp inverter sau khi lọc khi I_ref = 5A..................................................... 76
Hình 7. 34: Dòng điện inverter khi I_ref = 5A ................................................................... 77
Hình 7. 35: Điện áp inverter trước khi lọc khi I_ref = 6A ................................................. 77
Hình 7. 36: Điện áp inverter sau khi lọc khi I_ref = 6A..................................................... 78
Hình 7. 37: Dòng điện inverter khi I_ref = 6A ................................................................... 78
Hình 7. 38: Điện áp lưới (CH1) và điện áp inverter (CH2) khi I_ref = 6A ....................... 79
x


xi


DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1. 1: Thông số pin năng lượng mặt trời Redsun [1] .................................................... 1

xii

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

MPPT - Maximum Power Point Tracking
MPP - Maximum power point
CCM - Continuous Conduction Mode
DCM - Discontinuous Conduction Mode
BCM - Boundary Conduction Mode
P&O - Perturbation and Observation
InC

- Incremental Conductance

ZVS - Zero Voltage Switching
PLL - Phase Locked Loop
PD

- Phase Detector

LF

- Loop Filter

VCO - Voltage Controlled Oscillator

xiii


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA
LƢỚI

1.1 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

Hình 1. 1: Cấu trúc bộ nghịch lưu hòa lưới một pha dùng điện mặt trời
Đối tượng nghiên cứu của đề tài này là bộ Microinverter có cấu trúc cơ bản như hình
1.1, các thành phần cơ bản của bộ Microinverter bao gồm:
-

Tấm pin mặt trời: có các thông số kỹ thuật cơ bản trong điều kiện tiêu chuẩn
(bức xạ mặt trời 1000W/m2 và nhiệt độ 25oC) được liệt kê như bảng 1.1:

Bảng 1. 1: Thông số pin năng lượng mặt trời Redsun [1]
Thông số

Ký hiệu

Giá trị

Công suất lớn nhất

Pmax

220 W

Điện áp tại điểm làm việc cực đại

VMPP

29.2 V

Dòng điện tại điểm làm việc cực đại

IMPP

7.53 A

Điện áp hở mạch

VOC

36.66 V

Dòng điện ngắn mạch

ISC

8.09 A

-

Bộ biến đổi DC-DC Flyback Interleaved: có nhiệm vụ đóng cắt khóa bán dẫn
để thay đổi trở kháng vào của pin mặt trời và biến đổi điện áp ngõ ra.
1


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

-

Bộ điều khiển MPPT: làm cho hệ thống pin mặt trời bám được công suất cực
đại, giúp tăng hiệu suất làm việc của hệ thống pin mặt trời.

-

Bộ nghịch lƣu DC-AC T-type 5 bậc: giúp chuyển đổi điện áp một chiều sang
điện áp xoay chiều với 5 bậc điện áp.

-

Bộ điều khiển điện áp: điều khiển điện áp đầu vào bộ nghịch lưu ở một giá trị
thiết lập.

-

Vòng khóa pha: giúp lấy được pha của lưới điện để đồng bộ.

-

Bộ điều khiển dòng điện: điều khiển dòng điện đầu ra của bộ nghịch lưu có pha
và tần số đồng bộ với pha và tần số của lưới điện.

Phạm vi nghiên cứu của đề tài này là: nghiên cứu lý thuyết và mô phỏng bộ biến đổi
DC-DC, bộ nghịch lưu DC-AC và các giải thuật MPPT, điều khiển điện áp, vòng khóa
pha, điều khiển dòng điện. Đồng thời trong luận văn này chúng em cũng thiết kế thực
nghiệm phần cứng bộ nghịch lưu T-type 5 bậc.
1.2 Giới thiệu về pin mặt trời
1.2.1

Định nghĩa

Pin mặt trời hay còn gọi là pin quang điện, là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện
trong lớp bán dẫn (thường gọi là hiện tượng quang điện trong – quang dẫn) để tạo ra dòng
điện một chiều khi được chiếu sáng.
1.2.2

Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và phân loạt pin mặt trời

Hình 1. 2: Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của pin mặt trời [4]
a.

Cấu tạo pin mặt trời [5]

Gồm 3 phần chính như đã mô tả ở hình 1.2
2


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

-

Mặt ghép bán dẫn p - n: sử dụng tinh thể Silic, đây là thành phần chính của pin
mặt trời, lớp n thường mỏng để ánh sáng có thể chiếu tới lớp tiếp xúc p - n.

-

Điện cực: là thành phần dẫn điện ra phụ tải, vật liệu làm điện cực vừa phải có độ
dẫn điện tốt, vừa phải bám dính tốt vào chất bán dẫn.

-

Lớp chống phản quang: nếu sự phản xạ ánh sáng càng nhiều sẽ làm cho hiệu suất
của pin giảm. Vì vậy phải phủ một lớp chống phản quang.

b.

Nguyên lý hoạt động [5]

Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời dựa trên hiện tượng quang điện trong được mô
tả trong hình 1.2. Khi lớp p - n hấp thụ ánh sáng, cặp điện tử - lỗ trống được tạo ra và trở
thành các hạt tải điện tự do. Điện tử di chuyển về phía cực của bán dẫn loại n và lỗ trống
di chuyển về phía cực của bán dẫn loại p. Nếu bên ngoài có tải nối giữa cực của bán dẫn
loại n và bán dẫn loại p thì sẽ xuất hiện dòng điện.
c.

Phân loại pin mặt trời [5]

Cho tới nay vật liệu để chế tạo pin mặt trời chủ yếu là Silic và được chia thành ba
loại sau [5]:
-

Đơn tinh thể: có hiệu suất cao và loại này thường đắt tiền do được cắt từ các thỏi
hình ống.

-

Đa tinh thể: làm từ thỏi đúc từ Silic nóng chảy, sau đó làm nguội và làm rắn.
Loại này rẻ hơn đơn tinh thể nhưng hiệu suất lại thấp hơn.

-

Dải Silic được tạo từ các miếng phim mỏng từ Silic nóng chảy và có cấu trúc đa
tinh thể. Loại này có hiệu suất thấp nhất, tuy nhiên loại này rẻ nhất trong các loại
vì không cần cắt từ thỏi silicon

3


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

Hình 1. 3: Pin mặt trời đơn tinh thể (mono) và đa tinh thể (poly)[2]
1.3 Đặc tính làm việc của pin mặt trời
1.3.1

Sơ đồ tƣơng đƣơng của pin mặt trời

Hình 1. 4: Mạch tương đương của một tế bào pin mặt trời [4]
Khi được chiếu sáng thì pin mặt trời phát ra một dòng quang điện Iph như hình 1.4,
vì vậy pin mặt trời có thể xem như một nguồn dòng.

4


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

Lớp tiếp xúc p – n có tính chất chỉnh lưu tương đương như một diode D. Tuy nhiên
khi phân cực ngược, do điện trở tiếp xúc có giới hạn nên vẫn có một dòng điện rò qua nó.
Đặc trưng cho dòng điện rò qua lớp tiếp xúc p – n là điện trở shunt Rsh như hình 1.4.

Dòng quang điện chạy trong mạch phải đi qua các lớp bán dẫn p và n, các điện cực,
các lớp tiếp xúc… Đặc trưng cho tổng điện trở của các lớp đó là một điện trở RS mắc nối
tiếp trong mạch. Từ đó xây dựng được sơ đồ tương đương tổng quát của pin mặt trời như
hình 1.4.
Dòng điện qua diode:
= (

1)

(1.1)

Theo định luật Kirchhoff về cường độ dòng điện:
–

–

(1.2)

Theo định luật Kirchhoff về điện thế:
(1.3)
Trong đó:
-

- Điện áp diode (V)

-

– Dòng điện bão hòa của diode (A)

-

- Dòng điện qua diode (A)

-

- dòng điện ngõ ra của PV (A)

-

- điện áp ngõ ra của PV (V)

- k - hằng số Boltzmann (k = 1.381 x
- q - điện tích của electron (q= 1.602 x

J/K)
)

- T - nhiệt độ tấm pin (˚K)
Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3), suy ra phương trình đặc tính I-V của một tế
bào pin mặt trời:

5


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

(

)

(1.4)

Để có công suất cũng như điện áp, dòng điện theo yêu cầu thì phải ghép các tế bào
pin mặt trời lại thành một module pin mặt trời. Giả sử ghép nối tiếp Ns các tế bào pin mặt
trời lại và ghép song song Np các dãy tế bào pin mặt trời nối tiếp lại, thì phương trình đặc
tính I – V tổng quát như sau:
(

)

(1.5)

Các công thức trên được lấy từ tài liệu [3,4].
1.3.2

Đặc tính của pin mặt trời

a. Đặc tính I – V lý tưởng của pin mặt trời
Mô hình lý tưởng của pin mặt trời được mô tả trên hình 1.5, là mô hình không xét
tới những ảnh hưởng của điện trở Rsh và RS, có nghĩa là Rsh = ∞, Rs = 0 [4].

Hình 1. 5: Mô hình lý tưởng của tế bào pin mặt trời
Phương trình đặc tính I – V thu được của pin dựa vào phương trình (1.5) :
(1.6)

6


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

là nguồn dòng có giá trị không đổi ứng với điều kiện thời tiết nhất định,
: đặc tính I-V của diode. Từ đó, theo phương trình (1.6) suy ra dạng đặc tính I-V và
P-V của pin mặt trời ứng với bức xạ 1000W/

và ở

như hình 1.6.

Hình 1. 6: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời ở điều kiện lý tưởng [4]
Theo hình 1.6 cho thấy quan hệ giữa dòng điện và điện áp I(V) và quan hệ giữa công
suất với điện áp P(V) = I.V là những mối quan hệ phi tuyến và các quan hệ phi tuyến này
thay đổi giá trị khi mà thời tiết thay đổi. Ứng với mỗi điều kiện khí hậu cụ thể thì đặc tính
P-V sẽ tồn tại một điểm có công suất lớn nhất gọi là MPP (maximum power point), tại
điểm đó hiệu suất của pin sẽ là lớn nhất. Để hiểu rõ ràng hơn về vị trí và quá trình di
chuyển của điểm MPP thì phần tiếp theo sẽ phân tích ảnh hưởng của các yếu tố bên trong
và yếu tố bên ngoài ảnh hưởng tới đặc tính của pin mặt trời như thế nào?
b.

Ảnh hưởng của Rs và Rsh lên đặc tính I-V của pin năng lượng mặt trời

Ảnh hưởng của điện trở Rsh tới đặc tính I-V của pin [4]

7


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

Hình 1. 7: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của Rsh [4]
Khi có điện trở Rsh thì dòng điện của pin mặt trời cấp cho bị giảm đi một lượng
so với đặc tính lý tưởng của pin mặt trời nên đặc tính I-V có dạng như hình 1.8.

Hình 1. 8: Đặc tính I-V khi có điện trở Rsh [4]


Ảnh hưởng của điện trở Rs tới đặc tính I-V của pin [4]

8


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

Hình 1. 9: Cấu tạo của pin mặt trời khi xét tới ảnh hưởng của điện trở Rs [4]

Hình 1. 10: Đặc tính I-V khi có điện trở Rs [4]
Khi xét tới ảnh hưởng của Rs thì đường đặc tính thu được bị kéo về phía gốc tọa độ
một lượng ΔV = I.Rs như mô tả trong hình 1.10.
1.3.3

Những yếu tố bên ngoài ảnh hƣởng tới pin mặt trời

9


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

Khí hậu thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của pin mặt trời. Trong đó, nhiệt
độ và cường độ ánh sáng là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng mạnh nhất tới đặc tính của
pin mặt trời, từ đó dẫn tới sự thay đổi điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP của pin.
a. Ảnh hưởng của cường độ ánh sáng
Khi thay đổi điều kiện của cường độ ánh sáng mặt trời từ 600W/

tới 1000W/

ta thu được đặc tính I-V và P-V như hình 1.11 [4].

Hình 1. 11: Đặc tính I-V và P-V khi cường độ chiếu sáng thay đổi [4]
Từ đó có một số kết luận như sau:
- Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng. Cường độ bức xạ
càng lớn thì dòng Isc càng lớn và ngược lại.

10


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

- Do dòng điện tăng dẫn tới công suất hoạt động của pin cũng tăng hay nói cách
khác điểm MPP có công suất lớn nhất cũng tăng lên, di chuyển về phía trên khi
cường độ chiếu sáng của mặt trời tăng.
b. Ảnh hưởng của cường độ nhiệt độ
Thay đổi điều kiện nhiệt độ của pin mặt trời thay từ

đến

, ta thu được

đường đặc tính I-V và P-V như hình 1.12[4]:

Hình 1. 12: Đặc tính I-V và P-V của pin mặt trời khi nhiệt độ thay đổi [4]
Từ hình 1.12 rút ra kết luận:
-

Khi nhiệt độ tăng thì điện áp hoạt động của pin mặt trời giảm mạnh, còn dòng
điện thì tăng ít.

-

Công suất của pin mặt trời giảm khi nhiệt độ tăng.

1.4 Kết luận chƣơng 1

11


CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI HÒA LƢỚI

Trong chương này, sau khi đã khảo sát được ảnh hưởng của các yếu tố bên trong
(Rs, Rsh) và các yếu tố bên ngoài (bức xạ mặt trời, nhiệt độ) lên đặc tính của tấm pin mặt
trời. Cho thấy khi các yếu tố khí hậu bên ngoài thay đổi thì đường đặc tính sẽ thay đổi
theo do đó điểm có công suất lớn nhất cũng di chuyển theo và vị trí của điểm MPP đó
không thể biết trước được nó đang nằm ở đâu. Vì vậy, việc cần thiết để khai thác hiệu quả
tấm pin mặt trời là phải có một thuật toán để theo dõi được quá trình di chuyển, vị trí của
điểm MPP và áp đặt hệ thống năng lương mặt trời phải hoạt động tại điểm MPP đó.
Chương tiếp theo sẽ giới thiệu về bộ biến đổi DC-DC Flyback Interleaved và thuật toán
điều khiển MPPT giúp giải giải quyết các vấn đề nói trên.

12