Mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới

ðại Học Quốc Gia TP. Hồ Chí Minh
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
−−−−−−−−−−

MAI BÁ LỘC

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
Chuyên ngành: Thiết bị, Mạng và Nhà máy ñiện

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2009


CƠNG TRÌNH ðƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA
ðẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH

Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS. TS. NGUYỄN HỮU PHÚC...............
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
.................................................................................................................
(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 ñược bảo vệ tại HỘI ðỒNG CHẤM BẢO VỆ LUẬN VĂN
THẠC SĨ TRƯỜNG ðẠI HỌC BÁCH KHOA, ngày … tháng 08 năm 2009


Lời cảm ơn
Con cảm ơn bố mẹ! Bố mẹ đã nuôi nấng, dạy dỗ con
nên người và luôn là chỗ dựa tinh thần vững chắc cho con
trong cuộc đời.
Em xin gửi lời cảm ơn thầy Nguyễ
Nguyễn Hữu Phúc với sự
trân trọng và lòng biết ơn sâu sắc về sự hướng dẫn nhiệt
tình của thầy. Thầy đã dẫn dắt em, tạo cho em cách tư duy
làm việc độc lập trong suốt thời gian hoàn thành luận văn.
Em xin chân thành cảm ơn các thầy cô đã hết lòng
truyền đạt những kiến thức quý báu, nhờ đó em đã được
trang bị một nền tảng kiến thức vững chắc để có thể vững
vàng trong công việc chuyên môn của mình sau này.
Tôi xin cảùm ơn tất cả các bạn đã cùng học tập, giúp
đỡ, động viên tôi trong quãng thời gian hai năm vừa qua.

Học viên: Mai Bá Lộc

TP. Hồ Chí Minh, tháng 07 naêm 2009


Lời nói đầu

LỜI NĨI ðẦU

Nằm trong vùng nhiệt đới, có tổng năng lượng bức xạ mặt trời trung bình
khoảng 1700kWh/m2.năm, Việt Nam ñược xem là quốc gia tiềm năng về nguồn
năng lượng sạch và vô tận này. Tuy nhiên, cho ñến nay, ứng dụng của năng
lượng mặt trời ở nước ta chủ yếu vẫn là làm giàn đun nước nóng; ñiện mặt trời ít
ñược quan tâm do giá thành quá cao (chủ yếu là do giá pin mặt trời cao và hiệu
suất chuyển ñổi năng lượng của pin thấp) và thường chỉ ñược dùng cho các vùng
sâu, vùng xa, hải ñảo… nơi mà ñiện lưới quốc gia chưa thể ñến ñược. Tuy nhiên,
các nhà khoa học ñã dự báo, trong khoảng 10 – 15 năm tới, công nghệ vật liệu sẽ
có những bước tiến vượt bậc, đẩy giá pin mặt trời xuống thấp và làm tăng cao
hiệu suất của pin. Khi ấy việc thương mại hóa điện mặt trời ở cấp độ hộ gia đình
ở nước ta là khả thi. Viễn cảnh trong tương lai sẽ là mỗi gia đình có thể có một
hệ thống điện mặt trời riêng, kết nối với lưới. ðiện mặt trời sản xuất được khơng
chỉ tự dùng cho nhu cầu của gia đình mà cịn có thể tải lên lưới khi dư thừa.
Giới khoa học thế giới ñã ñề xuất việc nối lưới hệ thống điện mặt trời từ
lâu, cho cơng bố nhiều mơ hình, nhiều chiến lược ñiều khiển khác nhau. Và hiện
tại, chúng vẫn ñang là ñề tài thu hút sự chú ý của các nhà nghiên cứu, nhằm hoàn
thiện hơn nữa các kỹ thuật điều khiển đã có. Tuy nhiên, tại Việt Nam, điện mặt
trời vẫn cịn là một vấn đề khá mới mẻ, chỉ ñược ñề cập ñến vài năm trở lại đây.
Cũng vì vậy mà việc nghiên cứu mới chỉ ở những bước ñi ñầu tiên. ðề tài nghiên
cứu cấp ðại học Quốc Gia TP.HCM (ðHQG HCM): “Nghiên cứu, thiết kế hệ
thống điện mặt trời nối lưới, cơng suất 1kW” của PGS. TS. Nguyễn Hữu Phúc
cùng các cộng sự tại ðH Bách khoa – ðHQG HCM là một trong số ñó. Mục tiêu

của ñề tài là nhằm mang lại sự hiểu biết về một vấn đề cịn khá mới cho những
người có quan tâm, kiểm chứng các lý thuyết điều khiển bằng thực nghiệm. ðề
tài ñược thực hiện trong 2 năm (2007-2009) với kinh phí 300 triệu đồng.
Là một bộ phận của đề tài nói trên, luận văn sẽ tập trung nghiên cứu nhằm
đưa ra một mơ hình hệ thống điện mặt trời cơng suất nhỏ, khơng có acquy tồn
trữ, sử dụng cho hộ gia đình và có kết nối với lưới. Mơ hình, chiến lược điều
khiển hệ thống sẽ ñược mô phỏng bằng công cụ Matlab/Simulink.

iv


Mục lục

MỤC LỤC
Trang
Nhiệm vụ ................................................................................................................................................. i
Nhận xét của cán bộ hướng dẫn, cán bộ phản biện ................................................................................ii
Lời cảm ơn.............................................................................................................................................iii
Lời nói đầu............................................................................................................................................. iv
Mục lục................................................................................................................................................... v
Chương 1. MƠ HÌNH HỆ THỐNG ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI ................................................ 1
1.1.

Solar Cell Array .................................................................................................................. 1

1.2.

DC/DC Converter ............................................................................................................... 5

1.3.

Inverter ................................................................................................................................ 6

1.4.

Filter.................................................................................................................................... 6

1.5.

Load .................................................................................................................................... 6

1.6.

Utility Grid.......................................................................................................................... 6

Chương 2. CHIẾN LƯỢC ðIỀU KHIỂN HỆ THỐNG.................................................................... 7
2.1.

ðiều khiển công suất của giàn pin ...................................................................................... 7

2.2.

ðiều khiển Inverter ........................................................................................................... 11

Chương 3. MƠ PHỎNG HỆ THỐNG BẰNG MATLAB/SIMULINK ......................................... 15
3.1.

Mơ hình mô phỏng............................................................................................................ 15

3.2.

Kết quả mô phỏng ............................................................................................................. 31

Tổng kết và hướng phát triển ñề tài....................................................................................................... 38
Tài liệu tham khảo ................................................................................................................................. 39

v


Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

Chương 1

MƠ HÌNH HỆ THỐNG
ðIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
Luận văn ñề xuất hệ thống ñiện mặt trời nối lưới ba pha, 380V, tần số
50Hz, khơng có ắcquy tồn trữ theo mơ hình như sau:

Hình 1.1 – Mơ hình hệ thống ñiện mặt trời nối lưới

1.1 SOLAR CELL ARRAY
Solar cell array là giàn pin mặt trời. Pin mặt trời có tên tiếng Anh là
photovoltaic hay solar cell (trong luận văn, ñể tránh lặp từ quá dài, pin mặt trời
ñược gọi tắt là pin). Pin được chế tạo thành các cell có kích thước nhỏ, các cell
ghép lại thành module, và nhiều module hợp lại thành array (Hình 1.2).

1


Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

Hình 1.2 - Pin mặt trời ở dạng cell, module, array

ðặc tính của pin mặt trời
ðồ thị bên phải Hình 1.3 mơ tả đặc tuyến dịng-áp, cơng suất-điện áp của
một tấm pin. Theo đó, khi điện áp tăng từ 0V (ngắn mạch) đến 16V, dịng điện
vẫn ở mức cao và suy giảm rất ít. Nhưng kể từ 16V trở đi thì dịng giảm nhanh
và bằng 0A khi áp đạt 22V (hở mạch). Ta cũng thấy rằng công suất mà tấm pin
phát ra khơng như nhau tại mọi điểm, nó đạt giá trị cực ñại khi áp bằng 16V, và
giảm dần về hai phía.
ðồ thị bên trái Hình 1.3 cho thấy sự dịch chuyển đặc tuyến cơng suất-điện
áp của pin khi cường ñộ bức xạ mặt trời thay ñổi. Bức xạ giảm làm dòng và áp
suy giảm theo. Hệ quả là cơng suất cũng sẽ suy giảm tương ứng.
Khi nhiệt độ tăng dịng ngắn mạch khơng đổi nhưng áp hở mạch lại giảm
(Hình 1.4)
Cơng suất của pin cịn phụ thuộc vào góc tới của các tia bức xạ. Theo đó,
góc tới (góc hợp bởi phương của tia bức xạ và pháp tuyến của bề mặt tấm pin)
càng nhỏ thì hiệu suất của pin càng lớn.

2


Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

Hình 1.3 - ðường đặc tính I-V của pin theo cường ñộ bức xạ
và ñường cong I-V, P-V của một tấm pin điển hình

Hình 1.4 - ðường đặc tính I-V của pin theo nhiệt độ

Với những đặc tính như trên, ñể sử dụng hiệu quả pin mặt trời, ta cần có

bộ điều chỉnh tải (điều chỉnh dịng và áp) sao cho cơng suất pin sinh ra ln đạt
giá trị gần nhất với giá trị cực đại (có tính đến sự thay đổi về cường độ bức xạ,
nhiệt độ, góc tới v.v…). Do đó, vấn đề theo dấu cơng suất cực ñại (Maximum

3


Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

Power Point Tracking – MPPT) của pin có ý nghĩa quyết ñịnh ñến hiệu suất
chuyển ñổi năng lượng của cả hệ thống.
Các cell có đặc tính về dịng và áp ñộc lập nhau; do ñó, muốn có ñiện áp
lớn ta mắc các cell nối tiếp, muốn có dịng lớn ta phải mắc chúng song song.

Hình 1.5 - Nối nối tiếp nhiều module để tăng điện áp

Hình 1.6 - Nối song song nhiều module để tăng dịng điện

4


Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

Hình 1.7 - Nối hỗn hợp các module để tăng áp và dịng
Trong mơ phỏng, giàn pin được thiết kế ñể ở ñiều kiện chuẩn (bức xạ
o
2
1000W/m , nhiệt ñộ 27 C) sẽ có điện áp hở mạch 150V, dịng ngắn mạch 7.34A,
cơng suất cực đại 1026W đạt tại (142.1V, 7.22A).

1.2 DC/DC CONVERTER
DC/DC Converter có cấu trúc là một bộ boost converter (bộ tăng thế), có
nhiệm vụ điều khiển giàn pin hoạt động lân cận điểm cơng suất đạt cực ñại
(trong ñiều kiện có sự thay ñổi của cường ñộ bức xạ mặt trời và nhiệt độ mơi
trường, v.v…). ðiều này giúp hệ thống ln hoạt động ở chế độ tối ưu, tận dụng
hết khả năng phát ñiện của giàn pin.
Khi linh kiện IGBTb đóng, dịng điện IL đi ra từ cực dương giàn pin sẽ
chạy qua cuộn cảm Lb, ñi tắt qua IGBTb rồi trở về cực âm của giàn. Lúc này
dòng IL tăng, còn áp Vp giữa hai ñầu giàn pin sẽ giảm theo thời gian. Tụ Cb
không ñược nạp, lại mất dần năng lượng do phải cung cấp dịng DC cho bộ
Inverter chuyển hóa thành dịng AC (cung cấp cho tải và lưới) nên ñiện áp hai
ñầu tụ cũng giảm dần.

5


Chương 1: Mơ hình hệ thống điện mặt trời nối lưới

Khi linh kiện IGBTb mở, dịng IL đi về phía tụ Cb, và nạp năng lượng cho
tụ. IL giảm dần giá trị làm cho ñiện áp Vp tăng lên. Tụ ñược nạp năng lượng nên
áp trên hai ñầu tụ cũng có xu hướng tăng (nếu bộ Inverter cung cấp cơng suất
cho tải và lưới hợp lý, và hệ thống ñang ở chế ñộ hoạt ñộng xác lập).

1.3 INVERTER
Inverter là bộ nghịch lưu 3 pha nguồn áp, có cấu trúc như được thể hiện ở
Hình 1.1. Các khóa đóng ngắt (mỗi khóa là một linh kiện IGBT và một diode
song song mắc đối nghịch) của Inverter được điều khiển để có thể cung cấp công
suất cho tải và lưới hợp lý, tùy từng thời điểm; nhằm duy trì một điện áp khơng
đổi trên tụ Cb.
Inverter cũng sẽ có thể hút hoặc cung cấp cơng suất phản kháng theo u

cầu điều khiển.

1.4 FILTER
Filter là bộ lọc, bao gồm các cuộn cảm Lf và tụ Cf (xem Hình 1.1) có tác
dụng lọc bớt các sóng hài bậc cao sinh ra do hoạt động ñóng ngắt của các linh
kiện IGBT trong Inverter. ðiều này là cần thiết vì hệ thống cần đảm bảo chất
lượng ñiện năng cung cấp cho tải và lưới.

1.5 LOAD
Load là tải ba pha, 380V, 50Hz ñược sử dụng trong hộ gia đình, cơ quan
hay xí nghiệp có trang bị hệ thống ñiện mặt trời nối lưới.

1.6 UTILITY GRID
Utility grid là lưới ñiện hạ thế ba pha, 380V, 50Hz. Trong luận văn, lưới
điện được giả sử có áp và tần số ln khơng đổi.

6


Chương 2: Chiến lược ñiều khiển hệ thống

Chương 2

CHIẾN LƯỢC ðIỀU KHIỂN HỆ THỐNG

Hình bên dưới giới thiệu lược đồ của bộ điều khiển.

Hình 2.1 - Lược đồ bộ điều khiển

2.1 ðIỀU KHIỂN CƠNG SUẤT CỦA GIÀN PIN

Như đã trình bày ở Chương 1, công suất do pin mặt trời sinh ra phụ thuộc
vào cường ñộ bức xạ mặt trời, góc tới của các tia bức xạ đến bề mặt tấm pin,
nhiệt độ, và tải. Trong đó, cường độ bức xạ là yếu tố khơng thể điều chỉnh được,
nó phụ thuộc vào vị trí địa lý, mùa, thời tiết và thời ñiểm trong ngày.
Hiệu suất của pin sẽ lớn nhất khi các tia bức xạ đến vng góc với bề mặt
pin. Một cơ cấu cơ khí có thể được tích hợp vào hệ thống để điều chỉnh pin ln
quay theo hướng của mặt trời trong ngày, nhằm duy trì một góc tới thích hợp của

7


Chương 2: Chiến lược ñiều khiển hệ thống

các tia bức xạ. Tuy nhiên, người dùng cần cân nhắc giữa chi phí đầu tư với hiệu
quả kinh tế đạt được khi tăng cường cho hệ thống thêm chức năng này. Thông
thường ñối với những hệ thống công suất nhỏ, pin sẽ ñược lắp ñặt ở một góc cố
ñịnh mang lại hiệu suất cao nhất so với các góc cố định khác.
Việc can thiệp ñến nhiệt ñộ của pin hầu như là khơng khả thi khi giàn pin
phải được đặt ở ngồi trời, trong điều kiện khơng có bóng râm, để nhận ñược tối
ña nguồn năng lượng bức xạ. Có chăng việc hạ nhiệt pin được tính đến trong q
trình sản xuất tấm pin, nhất là ở khâu chọn nguyên phụ liệu khơng tích nhiệt, giải
nhiệt tốt? ðây là vấn đề nằm ngồi phạm vi nghiên cứu của luận văn.
Vấn đề kỹ thuật cịn lại là làm thế nào điều chỉnh được tải (dịng và áp)
của giàn pin, sao cho cơng suất sinh ra đạt giá trị tối ưu, có tính đến sự thay đổi
liên tục của cường độ bức xạ, góc tới, và nhiệt độ mơi trường. Kể từ năm 1968
đến nay, hàng trăm bài báo giới thiệu các phương pháp mới, cũng như cải tiến
các phương pháp đã có về vấn đề theo dấu cơng suất cực đại pin mặt trời ñã ra
ñời. Nhưng theo các tác giả [1], nhiều yếu tố phải ñược xem xét khi thiết kế một
bộ biến đổi năng lượng mặt trời, vì vậy mà khơng có phương pháp nào được xem
là tốt nhất. Cũng trong [1], các tác giả đã ơn lại những cải tiến dành cho phương

pháp RCC (ripple correlation control, giới thiệu lần ñầu tiên vào năm 1996),
ñược nhìn nhận là phương pháp ñơn giản mà hiệu quả trong việc theo dấu công
suất cực đại. ðây cũng chính là phương pháp mà luận văn chọn để triển khai
việc mơ phỏng. Nó có những ñặc ñiểm như sau:
− Hội tụ nhanh theo hướng tiệm cận đến điểm cơng suất cực đại.
− Dùng những thay đổi nhỏ (ripple) về dịng và áp, ln tồn tại
trong các bộ DC/DC converter có sử dụng khóa đóng ngắt, ñể
xác ñịnh bước ñiều chỉnh (không cần sử dụng các nhiễu nhân
tạo).
− Hội tụ ở một mức ñộ bị giới hạn bởi thời gian đóng ngắt và độ
lợi của bộ ñiều khiển.
− Không dựa trên những giả ñịnh hay ñặc tính của pin và chuỗi
pin.
− Có thể cực tiểu hóa những ảnh hưởng của ñiện dung ký sinh hay
ñiện dung lọc ñầu ra của chuỗi pin.

8


Chương 2: Chiến lược ñiều khiển hệ thống

− Thực hiện mạch ñơn giản, dẫn ñến ưu ñiểm là giá thành thấp.
− Có nền tảng lý thuyết được phát triển tốt.
Giới thiệu phương pháp RCC
Nhắc lại một số đặc tính của bộ boost converter (Hình 2.2). Gọi thời gian
khóa đóng trong một chu kỳ là ton, thời gian khóa ngắt là toff. Ta có tỉ số đóng
ngắt:
D=

t on

, (0 ≤ D ≤ 1)
t off

(2.1)

Khi ở trạng thái xác lập, trong khoảng thời gian ton, dòng IL qua cuộn cảm
sẽ tăng từ ILmin đến ILmax; trong khoảng thời gian toff, dịng IL giảm từ ILmax xuống
ILmin. Chu kỳ cứ thế lập ñi lập lại. D càng lớn, khung giá trị [ILmin, ILmax] càng
dịch chuyển lên cao. Dịng trung bình được tính theo công thức:
I Ltb =

I L min + I L max
2

(2.2)

Bản thân hoạt ñộng của boost converter ñã tạo ra các thay ñổi nhỏ cho IL.
Nếu ñược lắp vào giàn pin mặt trời nó sẽ làm điện áp đầu ra của pin thay đổi
theo (mà hệ quả là cơng suất cũng sẽ thay đổi). Phương pháp RCC đã lợi dụng
chính đặc ñiểm này ñể có phương thức phù hợp nhằm theo dấu cơng suất cực
đại.

Hình 2.2 – Boost converter

9


Chương 2: Chiến lược điều khiển hệ thống

Hình 2.3 minh họa đường đặc tính P-V, I-V của pin mặt trời. Khi V < V*,

điện áp và cơng suất cùng tăng hoặc cùng giảm; trong khi nếu V > V* thì chúng
tăng, giảm ngược nhau. Nghĩa là:
− Khi ñiểm làm việc ñang nằm trên ñường cong P-V ứng với V > V*,
mọi sự thay ñổi nhỏ của I ñều dẫn ñến

dP dV
.
< 0 . Lúc này ta muốn
dt dt

nâng cao giá trị của D, ñể khung [ILmin, ILmax] tịnh tiến ñến I*L.
− Khi ñiểm làm việc ñang nằm trên ñường cong P-V ứng với V < V*,
mọi sự thay ñổi nhỏ của I ñều dẫn ñến

dP dV
.
> 0 . Lúc này ta muốn
dt dt

giảm giá trị của D, ñể khung [ILmin, ILmax] lùi về phía I*L.
Với những nhận xét trên, phương pháp RCC ñề xuất cách ñiều chỉnh D
như sau ñể dịng IL ln hội tụ tiệm cận về I*L, mà hệ quả là công suất sẽ hội tụ
tiệm cận về Pmax:
D = k∫

dP dV
. .dt , với k < 0
dt dt

Trong mơ phỏng, ta chọn k = -1.28×10

(2.2)

-4

Hình 2.3 – ðường đặc tính P-V, I-V của pin mặt trời

10


Chương 2: Chiến lược điều khiển hệ thống

Trong Hình 2.1, khối MPPT chính là bộ điều khiển theo dấu cơng suất cực
ñại, sử dụng phương pháp RCC. Khối nhận vào các tín hiệu về dịng IL và áp Vp
giữa hai đầu của giàn pin, từ đó tính ra tỉ số đóng ngắt D theo (2.2), rồi xuất tín
hiệu điều khiển khóa IGBTb.

2.2 ðIỀU KHIỂN INVERTER
Hệ thống có 2 chế độ hoạt động:
Chế độ 1: Cơng suất phát ra từ pin mặt trời thấp hơn nhu cầu của
tải, khi ấy phần cơng suất thiếu hụt sẽ được cung cấp từ
lưới.
Chế độ 2: Công suất phát ra từ pin mặt trời lớn hơn nhu cầu của tải,
khi ấy phần công suất dư thừa sẽ ñược ñẩy vào lưới.

Giải thuật ñiều khiển
Bộ Inverter đóng ngắt các khóa theo phương thức điều khiển dịng trễ
(thơng qua khối Hysteresis Current Controller), theo đó các dịng xuất ra từ
Inverter ica, icb, icc sẽ bám theo các dịng đặt i*ca, i*cb, i*cc, được tính từ khối
“Current References Calculation”. ðộ chính xác của bộ điều khiển tùy thuộc

vào các yếu tố sau:
− ðộ rộng của khối ñiều khiển dịng trễ, tần số đóng ngắt cho phép
của linh kiện IGBT.
− Giá trị ñiện áp DC ñầu vào của bộ Inverter
− Cuộn cảm ñặt tại ñầu ra của Inverter.
ðầu vào của Inverter là áp trên tụ Cb của bộ boost converter. Thực chất Cb
gồm hai tụ Cb1, Cb2 có điện dung bằng nhau và mắc nối tiếp với nhau. ðiểm giữa
hai tụ được nối với mass như Hình 2.4.

11


Chương 2: Chiến lược điều khiển hệ thống

Hình 2.4 – Lược đồ điều khiển bộ Inverter

ðể Inverter có thể đưa ñược năng lượng tồn trữ trên tụ Cb lên lưới theo
ñúng yêu cầu kỹ thuật, ñiện áp Vd trên tụ cần được giữ ổn định và cần đảm bảo
ln lớn hơn ñiện áp ñỉnh pha-pha của lưới [3]. Như ñã trình bày ở mục 1.2 và
2.1, nhiệm vụ của bộ DC/DC Converter là theo dấu cơng suất cực đại của pin
mặt trời, khơng quan tâm đến điện áp giữa hai ñầu tụ Cb. Do vậy, việc giữ ổn
ñịnh ñiện áp Vd là nhiệm vụ của chương trình điều khiển bộ Inverter. Theo đó,
chương trình cần ra lệnh cho Inverter xuất ra công suất phù hợp, nhằm giữ cho
Vd luôn trong tầm giá trị mong muốn. ðiều này ñược thực hiện nhờ vào khối
Controller. Dựa trên ñiện áp DC tham chiếu dành cho tụ Cb ñã ñược quy ñịnh từ
trước (ta chọn 750V) và ñiện áp trực tiếp ño ñược trên tụ Cb hồi tiếp về, khối sẽ
tính được cơng suất thực tức thời p* (công suất thực yêu cầu bộ Inverter phát ra)
theo công thức:
p* =

K
(Vd − Vref )
s + ωc

(2.3)

Trong mô phỏng, ta chọn K = 20, ωc = 0.5 rad/s.

12


Chương 2: Chiến lược ñiều khiển hệ thống

Nếu p*=0, lưới sẽ cung cấp tịan bộ cơng suất thực và phản kháng cho tải,
hệ số công suất nguồn lúc này nằm trong mức cho phép. Tuy nhiên, nếu Inverter
cung cấp một phần công suất thực cho tải, lưới cung cấp phần cơng suất thực cịn
thiếu sẽ nảy sinh một vấn đề mới. ðó là lưới vẫn cung cấp lượng cơng suất phản
kháng mà tải cần như cũ, tỉ lệ công suất thực/phản kháng của lưới ñưa vào tải
giảm xuống kéo theo sự suy giảm của hệ số công suất nguồn. ðể tránh được vấn
đề nói trên, địi hỏi bộ Inverter phải phát/thu được cơng suất phản kháng.
Cơng suất phản kháng tức thời q* (công suất phản kháng yêu cầu bộ
Inverter phát ra) được tính từ khối Instantaneous Power Calculation. Ở đây có
hai giả định đối với q*:
− Nếu u cầu hệ số công suất nguồn bằng 1, khi ấy Inverter phải cung cấp
tịan bộ cơng suất phản kháng tức thời qL mà tải cần:
(2.4)

q* = qL

− Nếu yêu cầu hệ số công suất nguồn bằng một giá trị khác 1 cho trước:

q* = qL – (pL – p*).tan(Ф*)

(2.5)

với: pL – công suất thực tức thời của tải
Ф* – góc lệch mong muốn giữa dòng và áp lưới (cos Ф* là
hệ số cơng suất nguồn mong muốn)
Áp và dịng 3 pha đi vào tải sẽ được hồi tiếp về thơng qua các cảm biến.
Nhờ vào bộ chuyển ñổi abc-αβ0 chúng ta sẽ thu được iα, iβ, vα, vβ. Khi đó pL và
qL sẽ được tính theo cơng thức:
 p L   vα
  = − v
q L   β

v β  iα 
vα  i β 
 

(2.6)

13


Chương 2: Chiến lược ñiều khiển hệ thống

Trở lại khối “Current References Calculation”, từ p* và q* ñưa vào, ta
sẽ tính được i*α, i*β theo cơng thức:
i * 
1
α=

i *  (v ) 2 + (v ) 2
α
β
β

vα
v
 β

− v β   p *
vα   q * 


(2.7)

sau ñó thực hiện bước chuyển i*α, i*β sang i*ca, i*cb, i*cc ñể cung cấp cho khối
Hysteresis Current Controller.
i * 
 ca 
i *  =
 cb 
i * 
 cc 

0 
 1

 iα* 
2
− 1 / 2

3 / 2  
3
 i β* 
− 1 / 2 − 3 / 2  

(2.7)

ðến lượt mình, dựa trên tính hiệu ica, icb, icc hồi tiếp về, khối Hysteresis
Current Controller sẽ điều khiển các khóa đóng ngắt sao cho các dịng nói trên
bám theo các dịng đặt i*ca, i*cb, i*cc một cách tương ứng. Kết quả là hệ thống có
thể cung cấp công suất thực pc và công suất phản kháng qc cho tải và lưới gần
như mong muốn (pc ~ p*, qc ~ q*).

14


Chương 3: Mơ phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

Chương 3

MƠ PHỎNG HỆ THỐNG
BẰNG MATLAB/SIMULINK
Chương trình mơ phỏng được tạo lập trong môi trường Matlab/Simulink,
sử dụng 2 công cụ (toolbox) là Simulink và Simscape. Luận văn chọn Simscape
thay vì SimPowerSystems, do Simscape có sẵn phần tử Solar Cell
(Simscape/SimElectronics/Sensors), rất thuận tiện cho việc kết nối thành Solar
Cell Array. Cần lưu ý là giao thức của Simulink và Simscape khác nhau; do vậy
ñể chuyển đổi tín hiệu giữa chúng, ta cần các phần tử: PS-Simulink Converter và
Simulink-PS Converter (Simscape/Utilities).
Trong chương trình, các phần tử dẫn ñiện, ño ñiện sẽ ñược lấy từ

Simscape/Foundation Library/Electrical; các phần tử dùng để tính tốn, hiển thị
được lấy từ Simulink. Hình 3.1 trình bày sơ đồ tổng qt của chương trình.

3.1 MƠ HÌNH MƠ PHỎNG

15


Hình 3.1 – Hệ thống điện mặt trời nối lưới

Chương 3: Mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

16


Chương 3: Mơ phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

Hình 3.2 – Khối Solar Cell Array
ðặc tính:
2

Giàn pin được thiết kế để ở ñiều kiện chuẩn (bức xạ 1000W/m , nhiệt ñộ
o
27 C) sẽ có điện áp hở mạch 150V, dịng ngắn mạch 7.34A, cơng suất cực đại
1026W đạt tại (142.1V, 7.22A).

17


Chương 3: Mơ phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

Hình 3.3 – Khối Solar Meter

18


Hình 3.4 – Khối MPPT

Chương 3: Mơ phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

19


Chương 3: Mô phỏng hệ thống bằng Matlab/Simulink

Trong mô phỏng thực tế, khi Vp bắt đầu chuyển sang vùng có giá trị nhỏ
hơn Vp* thì chỉ với những dao dộng nhỏ của IL cũng ñã làm cho P và Vp dao
động rất lớn, hệ quả là

dP dV
dP dV
vơ cùng lớn làm cho D = k ∫ . .dt ñang từ
.
dt dt
dt dt

dương chuyển sang mang giá trị âm ñáng kể. Với D < 0, khóa IGBTb của bộ
DC/DC Converter mở; dòng giảm dần; Vp tăng lên, vượt qua Vp*; D tăng dần
nên bớt âm. Tuy nhiên, như đã nói, D mang một giá trị âm ñáng kể nên chưa kịp
chuyển sang dương (để khóa IGBTb có cơ hội đóng lại, từ đó giúp tăng IL) thì

dịng IL đã rơi xuống 0A. Lúc này D < 0, dòng bằng 0A, Vp mang giá trị hở
mạch, khơng có sự dao động nào của áp và công suất nên D vẫn giữ nguyên giá
trị → bộ MPPT khơng thể điều khiển được nữa.
Rất tiếc là trong [1] khơng đề cập đến các giải quyết vấn ñề này. Ở ñây,
luận văn xin ñề xuất biện pháp sau để bộ điều khiển MPPT khơng lâm vào tình
cảnh nói trên. Ngay khi Vp vừa chuyển sang vùng có giá trị nhỏ hơn Vp*,
dP dV
.
từ âm sẽ chuyển sang dương, ta sẽ dùng sự kiện này phát ñi tín hiệu yêu
dt dt

cầu IGBTb ngay lập tức phải duy trì trạng thái mở; lưu giữ giá trị D hiện tại vào
bộ nhớ D’ rồi giảm dần giá trị này theo thời gian; xóa giá trị đã tích lũy của
dP dV
dP dV
. .dt . Khi Vp trở lại vùng có giá trị lớn hơn Vp*,
.
từ dương
dt dt
dt dt
dP dV
sang âm ta sẽ cho nạp D’ vào tích phân D = k ∫ . .dt (giá trị ban ñầu của D là
dt dt
D = k∫

D’), IGBTb ñược ñiều khiển trở lại thơng qua tì số đóng ngắt D mới.
Khối MPPT ở Hình 3.4 được thiết kế theo hướng nói trên, và các mơ
phỏng sau này đều cho thấy bộ điều khiển ñã hoạt ñộng tốt.

20