Nghiên cứu thiết kế hệ thống biến đổi năng lượng pin mặt trời ứng dụng điều khiển thông minh trên nền tảng dsp tms320f28335

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

HỒ THANH PHƯƠNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI
NĂNG LƯỢNG PIN MẶT TRỜI
ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH
TRÊN NỀN TẢNG DSP TMS320F28335
Chuyên ngành: Tự động hóa
Mã số: 605260

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 12 năm 2012


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Lê Minh Phương
Ký tên:
Cán bộ chấm nhận xét 1 : ........................................................................
Ký tên
Cán bộ chấm nhận xét 2 : ........................................................................
Ký tên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM, ngày . . . . . tháng . . . . năm 201…..
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. ............................................................ ………..
2. ............................................................ ………..
3. ............................................................ ………..
4. ............................................................ ……….
5. ............................................................ ………..
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SỸ
Họ và tên học viên: HỒ THANH PHƯƠNG

Phái: NỮ

Ngày, tháng, năm sinh: 02/08/1987

Nơi sinh: Gia Lai

Chuyên ngành: Tự động hóa

MSHV: 10151095

I.

Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG PIN MẶT
TRỜI ỨNG DỤNG ĐIỀU KHIỂN THÔNG MINH TRÊN NỀN TẢNG
DSP TMS320F28335.

II.

Nhiệm vụ đề tài:
+ Xây dựng các giải thuật MPPT dị tìm cơng suất cực đại của bộ pin
năng lượng mặt trời: giải thuật PO, IncCond và Logic Mờ.
+ Thiết kế bộ biến đổi năng lượng mặt trời, sử dụng MPPT để làm việc
tại điểm công suất cực đại.
+ Bộ biến đổi năng lượng mặt trời thành điện áp xoay chiều, 1 pha, có
khả năng hồ lưới.

III.
IV.
V.

Ngày giao nhiệm vụ: 04/07/2011
Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 23/11/2012
Họ và tên cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Lê Minh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CN BỘ MÔN QL CHUYÊN NGÀNH

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


LỜI CẢM ƠN

Tôi xin gởi đến thầy PGS. TS. Lê Minh Phương lời biết ơn sâu sắc vì
đã dành thời gian quý báu để hướng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng như
cho tơi những lời khun bổ ích để hồn thành luận văn này.
Tơi xin chân thành cảm ơn thầy PGS. TS Phan Quốc Dũng cùng tất cả
các Thầy Cơ Bộ Mơn Cung Cấp Điện, Phịng Thí Nghiệm Nghiên Cứu Điện
Tử Công Suất đã giúp đỡ và đồng hành cùng tơi trong thời gian thực hiện
luận văn.
Ngồi ra, trong suốt thời gian học tập tại trường đại học Bách Khoa –
ĐHQG Tp. HCM, tôi đã được các Thầy Cô khoa Điện – Điện tử, và đặc biệt
là các Thầy Cô bộ môn Điều khiển tự động giảng dạy tận tình, cho tơi nhiều
kiến thức mới bổ ích, bên cạnh đó tơi cũng được các bạn bè cùng khóa, cùng
lớp đóng góp nhiều ý kiến cũng như các tài liệu có giá trị. Xin gởi đến các
Thầy Cơ và các bạn lời cảm ơn chân thành nhất.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn Cha Mẹ và các anh chị em trong gia đình
đã động viên và tạo điều kiện giúp tơi vượt qua những khó khăn trong suốt
q trình học tập và nghiên cứu vừa qua.

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 12 tháng 12 năm 2012

Hồ Thanh Phương

1

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Luận văn này nghiên cứu thiết kế và điều khiển bộ biến đổi năng lượng pin
mặt trời thành năng lượng điện xoay chiều, có khả năng hồ lưới. Khối lượng luận
văn thực hiện gồm hai nhiệm vụ chính: thiết kế, điều khiển bộ biến đổi điện áp một
chiều DC/DC và thiết kế, điều khiển bộ biến đổi điện áp xoay chiều DC/AC.
Bộ DC/DC ứng dụng giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực đại của pin năng
lượng mặt trời (MPPT – Maximum Power Point Tracking), để xác định điểm làm
việc tối ưu và thiết lập hệ thống làm việc tại điểm này. Bộ DC/DC còn làm nhiệm
vụ nâng giá trị điện áp thấp từ phía bộ pin thành điện áp DC Bus có giá trị đủ lớn để
cung cấp cho tầng nghịch lưu. Trong bộ DC/DC còn áp dụng các giải thuật điều
khiển dòng điện, điện áp dựa vào bộ điều khiển 2 cực – 2zero (2P2Z – two poles,
two zeros) để thiết lập điểm làm việc cho hệ thống đúng tại điểm công suất cực đại
(MPP – Maximum Power Point) của pin PV (photovoltaic – pin năng lượng mặt
trời).
Bộ DC/AC thực hiện nhiệm vụ biến đổi điện áp DC Bus thành điện áp xoay
chiều một pha. Tầng DC/AC bao gồm một bộ điều khiển vịng khố pha (PLL –
Phase Lock Loop), để xác định tần số, góc pha của điện áp lưới, nhờ đó bộ điều
khiển nghịch lưu có thể điều khiển được dịng điện ngõ ra cùng pha, cùng cùng tần
số với điện áp lưới, điện áp nghịch lưu có biên độ bằng biên độ điện áp lưới để thực
hiện hồ lưới. Bộ DC/AC cịn có nhiệm vụ điều khiển điện áp DC Bus giữ ở giá trị
cố định. Ngoài bộ điều khiển PLL, bộ DC/AC còn sử dụng các bộ điều khiển dòng
điện, điện áp.
Luận văn sử dụng phần mềm Matlab/Simulink thực hiện các mơ hình mơ
phỏng để kiểm chứng lý thuyết của đề tài. Mơ hình thực nghiệm được xây dựng sử
dụng với card điều khiển DSP C2000 (TMS320F28335/TMS320F28035).

2

ABSTRACT
This thesis concerns the development and controlling of a grid-tie solar
inverter. Two major subjects of this thesis are: building, controlling the DC/DC
converter and building, controlling the inverter DC/AC.
The DC/DC converter was implemented with the MPPT algorithms
(Maximum Power Point Tracking), in oder to obtain the maximum power from
solar panels, and set the working point of whole system at this maximum power
point (MPP). The DC/DC also has responsibility to boost the low voltage level at
the output of photovoltaic panel array (PV) up to higher voltage so that can feed the
inverter stage. Besides MPPT algorithm, the DC/DC controller includes a voltage
control loop and a current control loop which based on the 2P2Z controller (two
poles-two zeros). The using of this two-loop controller help to set the working point
of system at the MPP was found by MPP Tracker.
The DC/AC stage has to meet the the requirements: convert the DC Bus
voltage to AC 1-phase voltage. The DC/AC controller includes a PLL(Phase Lock
Loop) controller, which obtains the frequency and phase of grid voltage. Based on
PLL controller, the inverter can control its output current synchronized with the grid
(with the same frequency, and in phase), and control its output voltage in the same
magnitude with the grid, with these conditions, the solar inverter can tie to the
utility grid.
The DC/AC also take response to control the DC bus voltage, keep DC Bus
voltage at a specified value. Besides PLL controller, DC/AC stage was implemented
with the two-loop controller, with an inside current loop and an external voltage
loop based on 2P2Z algorithm.
This thesis uses Matlab/Simulink to build models and make simulation to
verify the theoretical study. The experimental system was built with the DSP
C2000 control card (TMS320F28335/TMS320F28035).

3

LỜI CAM KẾT

Tôi xin cam kết các nội dung lý thuyết trình bày trong luận văn này là do tơi
tham khảo các tài liệu và biên soạn lại, tất cả các kết quả mơ phỏng, thực nghiệm
đều do chính bản thân tơi tự làm ra, hồn tồn khơng phải sao chép của từ bất kỳ
một tài liệu hoặc cơng trình nghiên cứu nào khác.
Nếu tôi không thực hiện đúng các cam kết nêu trên, tơi xin chịu hồn tồn
trách nhiệm trước kỷ luật của nhà trường cũng như pháp luật Nhà nước.

Hồ Thanh Phương

4


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ......................................................................................................... 1
TÓM TẮT LUẬN VĂN .......................................................................................... 2
LỜI CAM KẾT ....................................................................................................... 4
MỤC LỤC .............................................................................................................. 5
DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... 9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ................................................................................... 14
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN .................................................................................. 15
1.1. Đặt vấn đề................................................................................................... 15
1.2 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời: ........................... 16
1.3 Các hệ thống năng lượng mặt trời đang được triển khai: .............................. 17
1.4 Hướng đi mới cho công nghệ năng lượng mặt trời – Micro-Inverter ............ 20
1.4.1 Lịch sử hình thành – thị trường đầy tiềm năng: ..................................... 20
1.4.2 Micro-inverter sẽ chiếm ưu thế trong xu hướng phát triển hệ thống năng
lượng mặt trời ................................................................................................ 22

1.5 Phạm vi đề tài .............................................................................................. 22
CHƯƠNG 2 CÁC VẤN ĐỀ CỦA HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT
TRỜI ..................................................................................................................... 24
2.1 Hoạt động của Pin năng lượng mặt trời – PV cell ........................................ 24
2.1.1 Giới thiệu pin năng lượng mặt trời ........................................................ 24
2.1.2 Mơ hình tốn pin năng lượng mặt trời: .................................................. 25
2.2 Sơ đồ hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời hoà lưới theo phương án microinverter .............................................................................................................. 29
2.3 Bộ biến đổi công suất DC/DC ...................................................................... 30
5


2.3.1 Vai trị của bộ biến đổi cơng suất DC/DC.............................................. 30
2.3.2 Lựa chọn cấu hình bộ biến đổi điện áp DC/DC: .................................... 32
2.3.3 Bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC cấu hình Push-pull .................... 35
2.3.4 Thiết kế bộ biến đổi điện áp DC/DC Push-pull đáp ứng yêu cầu đề tài: . 36
2.4 Bộ nghịch lưu .............................................................................................. 40
2.4.1 Vai trò của bộ nghịch lưu ..................................................................... 40
2.4.2 Cấu hình bộ nghịch lưu một pha............................................................ 41
2.4.3 Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ................................................. 42
CHƯƠNG 3 CÁC THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN ................................................ 44
3.1 Thuật tốn dị tìm điểm cơng suất cực đại MPPT ......................................... 44
3.1.1. Giải thuật PO: Perturbation và Observe .............................................. 44
3.1.2 Giải thuật Incremental Conductance (IncCond) ..................................... 45
3.1.3 Mạng neuron nhân tạo ANN ................................................................. 47
3.1.4 Giải thuật kết hợp Mạng neuron nhân tạo ANN và IncCond ................. 47
3.1.5 Giải thuật điều khiển Logic mờ (Fuzzy Logic): ..................................... 49
3.1.6 So sánh và lựa chọn: ............................................................................. 57
3.2 Điều khiển tầng DC/DC ............................................................................... 59
3.2.1 Tổng quát về điều khiển tầng DC/DC.................................................... 59
3.2.2 Bộ điều khiển 2 cực – 2 zero: 2P2Z....................................................... 60

3.2.3 Sơ đồ khối bộ điều khiển DC/DC .......................................................... 62
3.3 Điều khiển tầng DC/AC ............................................................................... 63
3.3.1 Tổng quát về bộ điều khiển tầng DC/AC ............................................... 63
3.3.2 Bộ điều khiển vịng khố pha PLL ........................................................ 64
3.3.3 Bộ điều khiển vòng dòng điện và điện áp .............................................. 68
6


3.3.4 Sơ đồ điều khiển tầng DC/AC ............................................................... 68
3.4 Xây dựng thuật toán điều khiển trên bộ xử lý DSP ....................................... 69
3.4.1 Dòng DSP C2000 .................................................................................. 69
3.4.2 Thư viện DPLib .................................................................................... 70
3.4.3 Xây dựng các khối điều khiển dùng DPLib ........................................... 71
CHƯƠNG 4 MƠ PHỎNG HỆ THỐNG ................................................................ 73
4.1 Mơ hình hố hệ thống .................................................................................. 73
4.1.1 Mơ hình pin năng lượng mặt trời:.......................................................... 73
4.1.2 Mơ hình bộ DC/DC ............................................................................... 76
4.1.3 Mơ hình bộ nghịch lưu DC/AC ............................................................. 78
4.2 Thiết kế các bộ điều khiển ........................................................................... 80
4.2.1 Giải thuật PO ........................................................................................ 80
4.2.2 Giải thuật IncCond ................................................................................ 81
4.2.3 Giải thuật Fuzzy Logic .......................................................................... 82
4.3 Kết quả mô phỏng........................................................................................ 84
4.3.1 Mô phỏng giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực đại MPP với các giải
thuật PO, IncCond và Fuzzy .......................................................................... 84
4.3.2 Mô phỏng bộ nghịch lưu hồ lưới ......................................................... 93
4.3.3 Mơ phỏng ghép song song các bộ nghịch lưu hoà lưới .......................... 93
CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM .............................................................................. 95
5.1 Thiết kế mạch công suất .............................................................................. 95
5.1.1 Bộ biến đổi điện áp một chiều - DC/DC converter ................................ 95

5.1.2 Bộ nghịch lưu - DC/AC converter ......................................................... 99
5.1.3 Các mạch nguồn phụ trợ ..................................................................... 101
5.2 Thiết kế mạch điều khiển và đo lường ....................................................... 102
7


5.2.1 Cảm biến dòng, áp .............................................................................. 102
5.2.2 Mạch lái các linh kiện công suất ......................................................... 105
5.2.3 Mạch xử lý trung tâm sử dụng KIT DSP F28035 ................................ 107
5.2.4 Các mạch truyền thơng........................................................................ 110
5.2.5 Mạch hồn chỉnh................................................................................. 113
5.3 Giao diện quan sát và điều khiển trên máy tính - GUI ................................ 113
5.3.1 Giao diện quan sát và điều khiển dành cho tầng DC/DC ..................... 113
5.3.2 Giao diện quan sát và điều khiển dành cho tầng DC/AC ..................... 114
5.4 Kết quả thực nghiệm .................................................................................. 116
5.4.1 Kết quả tầng DC/DC ........................................................................... 116
5.4.2 Kết quả thử nghiệm toàn bộ hệ thống .................................................. 119
CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN .................................................................................... 124
6.1 Các kết quả đã đạt được ............................................................................. 124
6.2 Hướng phát triển của đề tài ........................................................................ 124
DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH KHOA HỌC ................................................ 126
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 127
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ...................................................................... 131
Q TRÌNH ĐÀO TẠO..................................................................................... 131
Q TRÌNH CƠNG TÁC .................................................................................. 131

8


DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Tải DC cơng suất thấp, kèm với thiết bị lưu trữ (pin, accu) ________________ 17
Hình 1.2 Bộ nghịch lưu điện mặt trời không nối lưới, khơng MPPT ________________ 17
Hình 1.3 Bộ nghịch lưu trung tâm ___________________________________________ 18
Hình 1.4 Giải pháp DC micro-converter ______________________________________ 19
Hình 1.5 Giải pháp micro-inverter __________________________________________ 20
Hình 1.6 Bộ micro-inverter của hãng Enphase _________________________________ 21
Hình 2.1 Phân vùng năng lượng của electron trong bán dẫn P-N. __________________ 24
Hình 2.2 Mơ hình một cell pin PV ___________________________________________ 25
Hình 2.3 Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời ________________________________ 26
Hình 2.4 Đặc tuyến I-V và P-V tại nhiệt độ 25ºC và 3 giá trị bức xạ khác nhau _______ 26
Hình 2.5 Đặc tuyến I-V và P-V của pin khi công suất bức xạ cố định và nhiệt độ thay đổi 27
Hình 2.6 Đặc tuyến khi mắc các cell pin nối tiếp (bên trái) và song song (bên phải). ___ 28
Hình 2.7 Diode bypass để bảo vệ các cell pin. _________________________________ 28
Hình 2.8 Tấm pin thực tế gồm nhiều cell pin ghép song song hoặc nối tiếp với nhau ___ 28
Hình 2.9 Sơ đồ khối hệ thống_______________________________________________ 29
Hình 2.10 Điều chỉnh đặc tuyến tải theo duty cycle (x) của các kênh PWM __________ 31
Hình 2.11 Bộ DC/DC converter kiểu Push-Pull ________________________________ 32
Hình 2.12 Bộ DC/DC converter kiểu Half-Bridge ______________________________ 32
Hình 2.13 Bộ DC/DC converter kiểu Full-Bridge ______________________________ 33
Hình 2.14 Bộ biến đổi điện áp 1 chiều DC/DC dạng Push-pull____________________ 35
Hình 2.15 Dạng sóng dịng áp của bộ DC/DC Push-pull ________________________ 36
Hình 2.16 Sơ đồ khối tổng quát bộ nghịch lưu _________________________________ 41
Hình 2.17 Sơ đồ bộ nghịch lưu _____________________________________________ 42
Hình 2.18 Nguyên lý điều chế SPWM đơn cực _________________________________ 43
Hình 3.1 Giải thuật PO. ___________________________________________________ 44
Hình 3.2 Dị tìm MPP với giải thuật IncCond. _________________________________ 45
Hình 3.3 Giải thuật IncCond _______________________________________________ 46
Hình 3.4 Mạng ANN cơ bản _______________________________________________ 47
Hình 3.5 Mơ tả giải thuật ANN-IncCond______________________________________ 48
Hình 3.6 Lưu đồ giải thuật IncCond-ANN\ ____________________________________ 49

9


Hình 3.7 Hàm thành viên trong bộ điều khiển mờ_______________________________ 50
Hình 3.8 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào E __________________________________ 53
Hình 3.9 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào dE _________________________________ 53
Hình 3.10 Hàm liên thuộc cho biến ngõ vào ∆Vref ______________________________ 53
Hình 3.11 Đặc tuyến P-V pin mặt trời ________________________________________ 54
Hình 3.12 Sơ đồ tổng quát bộ điều khiển tầng DC/DC ___________________________ 59
Hình 3.13 Bộ điều khiển 2P2Z ______________________________________________ 61
Hình 3.14 Sơ đồ khối bộ điều khiển tầng DC/DC với giải thuật MPPT ______________ 62
Hình 3.15 Sơ đồ bộ điều khiển tầng DC/AC ___________________________________ 64
Hình 3.16 Sơ đồ khối bộ PLL cơ bản_________________________________________ 65
Hình 3.17 Khối PLL 1 pha với bộ lọc Notch ___________________________________ 67
Hình 3.18 Sơ đồ điều khiển tầng DC/AC ______________________________________ 68
Hình 3.19 Một mơ hình điều khiển đơn giản dựa trên thư viện DPLib _______________ 71
Hình 3.20 Khối điều khiển bộ DC/AC xây dựng dựa trên DPLib ___________________ 72
Hình 3.21 Khối điều khiển bộ DC/DC xây dựng trên DPLib ______________________ 72
Hình 4.1 Mơ hình pin PV __________________________________________________ 73
Hình 4.2 Mơ phỏng pin PV ________________________________________________ 73
Hình 4.3 Đặc tuyến I-V và P-V của mơ hình pin PV tại G=1000W/m2 _______________ 74
Hình 4.4 Mơ hình 1 cell pin ________________________________________________ 74
Hình 4.5 Đặc tuyến I-V (bên trái) và P-V (bên phải) của một cell pin _______________ 75
Hình 4.6 Mơ hình mơ phỏng tấm pin PV ______________________________________ 75
Hình 4.7 Đặc tuyến I-V (bên trái) và P-V (bên phải) của panel pin khi bức xạ thay đổi _ 76
Hình 4.8 Ghép các panel pin PV ____________________________________________ 76
Hình 4.9 Sơ đồ nguyên lý mạch DC/DC dạng boost _____________________________ 77
Hình 4.10 Đặc tuyến tải thay đổi phụ thuộc tỷ số x ______________________________ 77
Hình 4.11 Mơ hình cơng suất bộ DC/DC dạng boost ____________________________ 78

Hình 4.12 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu 1 pha hồ lưới _____________________________ 78
Hình 4.13 Mơ hình mơ phỏng bộ nghịch lưu hồ lưới ___________________________ 78
Hình 4.14 Khối điều khiển dịng ____________________________________________ 79
Hình 4.15 Mơ hình mơ phỏng bộ SinPWM ____________________________________ 80
Hình 4.16 Mơ hình khối điều khiển Fuzzy Logic ________________________________ 82
Hình 4.17 Mơ hình mơ phỏng giải thuật MPPT ________________________________ 84

10


Hình 4.18 Đồ thị bức xạ cho mơ phỏng 1 _____________________________________ 85
Hình 4.19 Giải thuật PO dị cơng suất cực đại. ________________________________ 86
Hình 4.20 Giải thuật PO Vref và Vpv ________________________________________ 86
Hình 4.21 Giải thuật IncCond - dị MPP ______________________________________ 86
Hình 4.22 Giải thuật IncCond - Vpv và Vref ___________________________________ 86
Hình 4.23 Giải thuật Fuzzy - dị MPP ________________________________________ 87
Hình 4.24 Giải thuật Fuzzy – Vref và Vpv _____________________________________ 87
Hình 4.25 Đồ thị bức xạ 2 _________________________________________________ 88
Hình 4.26 PO - dị MPPT - mơ phỏng 2 ______________________________________ 88
Hình 4.27 PO - đáp ứng Vref và Vpv – mô phỏng 2 _____________________________ 88
Hình 4.28 IncCond - dị MPP - mơ phỏng 2 ___________________________________ 89
Hình 4.29 IncCond - Vref, Vpv - mơ phỏng 2 __________________________________ 89
Hình 4.30 Fuzzy - dị MPP - mơ phỏng 2 _____________________________________ 89
Hình 4.31 Fuzzy - đáp ứng Vref, Vpv - mơ phỏng 2 _____________________________ 89
Hình 4.32 Đồ thị nhiệt độ - mơ phỏng 3 ______________________________________ 90
Hình 4.33 PO – dị MPP – mơ phỏng 3 _______________________________________ 91
Hình 4.34 PO - đáp ứng Vref, Vpv – Mơ phỏng 3 ______________________________ 91
Hình 4.35 IncCond – dị MPP - Mơ phỏng 3 ___________________________________ 91
Hình 4.36 IncCond – đáp ứng Vref, Vpv - mơ phỏng 3 ___________________________ 91
Hình 4.37 Fuzzy – dị MPP – mơ phỏng 3 _____________________________________ 92

Hình 4.38 Fuzzy – đáp ứng Vref, Vpv – mô phỏng 3 _____________________________ 92
Hình 4.39 Kết quả đáp ứng của bộ PLL ______________________________________ 93
Hình 4.40 Kết quả hồ lưới: Iout cùng pha, cùng tần số với Vlưới____________________ 93
Hình 4.41 Kết quả hồ lưới của 2 bộ nghịch lưu ghép song song___________________ 94
Hình 5.1 Sơ đồ khối bộ biến đổi điện áp DC/DC dạng push-pull được thiết kế trong đề tài
______________________________________________________________________ 95
Hình 5.2 Hai MosFET mắc song song và mạch snubber bảo vệ ___________________ 96
Hình 5.3 Mạch DC/DC thực tế - Phía sơ cấp __________________________________ 98
Hình 5.4 Mạch DC/DC thực tế - Phía thứ cấp _________________________________ 98
Hình 5.5 Sơ đồ khối bộ nghịch lưu __________________________________________ 99
Hình 5.6 Mạch lọc LC ngõ ra bộ nghịch lưu _________________________________ 100
Hình 5.7 Khối mạch bảo vệ hồ lưới ________________________________________ 101

11


Hình 5.8 Sơ đồ khối mạch cấp nguồn phụ trợ _________________________________ 101
Hình 5.9 Sơ đồ mạch cảm biến áp LEM LV25-P_______________________________ 103
Hình 5.10 Mạch thực nghiệm cảm biến áp LEM LV25-P ________________________ 104
Hình 5.11 Sơ đồ mạch cảm biến dịng LEM LA25-NP __________________________ 105
Hình 5.12 Mạch thực nghiệm cảm biến dịng LEM LA25-NP _____________________ 105
Hình 5.13 Mạch kích FET low-side hai kênh _________________________________ 106
Hình 5.14 Mạch kích IGBT tầng DC/AC với mạch bootstrap và nguồn cách ly_______ 107
Hình 5.15 KIT DSP F28035 Control Card của Texas Instruments _________________ 107
Hình 5.16 Khối DSP F28035/F28335 trên mạch DC/DC. _______________________ 108
Hình 5.17 Khối DSP F28035/F28335 trên mạch DC/AC ________________________ 109
Hình 5.18 Mạch đệm tín hiệu PWM, zero-crossing, đặt ngưỡng hạn dịng, tạo điện áp tham
khảo._________________________________________________________________ 110
Hình 5.19 Mạch cách ly số dùng chip ISO7240M và ISO7241M __________________ 111
Hình 5.20 Cổng JTAG và boot_____________________________________________ 111

Hình 5.21 Sơ đồ nguyên lý và mạch thực tế khối chuyển đổi USB-UART ___________ 112
Hình 5.22 Các tín hiệu truyền thông giữa hai tầng DC/DC và DC/AC và cáp truyền có sử
dụng vịng xuyến ferrite __________________________________________________ 112
Hình 5.23 Hình ảnh mạch thực nghiệm của mơ hình sử dụng trong đề tài ___________ 113
Hình 5.24 GUI quan sát và điều khiển tầng DC/DC ____________________________ 114
Hình 5.25 Khơi phục hoạt động hệ thống sau khi sửa lỗi ________________________ 114
Hình 5.26 GUI của tầng DC/AC ___________________________________________ 115
Hình 5.27 Phần GUI thu thập dữ liệu _______________________________________ 115
Hình 5.28 Chạy thực nghiệm mơ hình DC/DC với tải là 3 bóng đèn 100W __________ 116
Hình 5.29 Thông số kỹ thuật tấm pin PV được dùng ____________________________ 117
Hình 5.30 Xung kích tại tần số 100Khz, duty=0.4______________________________ 117
Hình 5.31 Xung kích trên FET và VDS tại duty=0.25 ___________________________ 118
Hình 5.32 Dạng điện áp VDS trên FET nhánh 1 và 2, duty=0.25 _________________ 118
Hình 5.33 Áp DC Link 140V với Vin=12V, duty=0.4 ___________________________ 119
Hình 5.34 Ghép nối tồn bộ hệ thống _______________________________________ 119
Hình 5.35 Dạng điện áp nghịch lưu ________________________________________ 120
Hình 5.36 Dịng điện nghịch lưu 0.75A đo trên tải trở 100Ω/100W ________________ 120
Hình 5.37 Hồ lưới 1 pha tại cường độ dòng điện hiệu dụng 0.73A _______________ 121

12


Hình 5.38 Dạng dịng áp hồ lưới __________________________________________ 121
Hình 5.39 Phân tích THD kênh 1 – áp lưới ___________________________________ 122
Hình 5.40 Phân tích THD dịng nghịch lưu ___________________________________ 122
Hình 5.41 Hình chụp hệ thống khi hồ lưới tại dịng 1.435A (hiệu dụng) ___________ 123
Hình 5.42 Kết quả hiển thị trên GUI khi hoà lưới tại I=0.9A (RMS), áp lưới 43V, áp DC
Bus 82.4V. ____________________________________________________________ 123

13

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Các đặc trưng cơ bản của 3 bộ DC/DC .................................................. 33
Bảng 2.2 Thông số kĩ thuật bộ DC/DC Push-pull .................................................. 36
Bảng 2.3 Thông số thiết kế biến áp HF .................................................................. 39
Bảng 3.1 Bảng tra theo giải thuật PO .................................................................... 44
Bảng 3.2 Bảng luật mờ .......................................................................................... 54
Bảng 5.1 Thông số kỹ thuật MOSFET .................................................................... 96
Bảng 5.2 Thông số kỹ thuật IGBT .......................................................................... 99
Bảng 5.3 Thông số kỹ thuật cuộn lọc ngõ ra ........................................................ 100
Bảng 5.4 Thông số kỹ thuật cảm biến áp LEM LV25-P ........................................ 102
Bảng 5.5 Thơng số kỹ thuật cảm biến dịng LEM LA 25-NP ................................ 104

14


CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN
1.1. Đặt vấn đề
Các nguồn năng lượng truyền thống như dầu mỏ, than đá, … đang dần cạn kiệt
và vấn đề bức thiết đặt ra cho các nhà khoa học trên tồn thế giới đó chính là tìm ra
các nguồn năng lượng thay thế. Trong nhiều nguồn năng lượng mới, năng lượng
mặt trời đóng một vai trị quan trọng và được sự quan tâm của nhiều nhà khoa học.
Tiếp cận được nguồn năng lượng mặt trời không chỉ góp phần giải quyết vấn đề
cung cấp điện năng, mà nguồn năng lượng này còn là một nguồn năng lượng sạch,
không gây ô nhiễm môi trường.Trong tất cả các nguồn năng lượng tái tạo, năng
lượng mặt trời là phong phú và ít biến đổi nhất trong thời kỳ biến đổi khí hậu hiện
nay.
Thuận lợi tại Việt Nam: là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh
nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới cho nên

nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam rất phong phú.
Việt Nam có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không
thể đưa điện lưới đến được. Sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời sẽ có ý nghĩa
như “nguồn năng lượng tại chỗ” đáp ứng nhu cầu tiêu thụ điện của cư dân những
vùng này. Như vậy, yêu cầu sử dụng được nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam
còn mang ý nghĩa kinh tế, xã hội, quốc phòng.
Tuy nhiên, tình hình nghiên cứu và ứng dụng năng lượng mặt trời ở Việt Nam
cho đến nay vẫn chưa phát triển đủ để đáp ứng nhu cầu, thực trạng đó địi hỏi phải
có các nghiên cứu cụ thể nhằm chế tạo được các bộ nghịch lưu pin mặt trời tạo
thành nguồn điện có khả năng ứng dụng được trong dân dụng cũng như trong công
nghiệp. Các bộ nghịch lưu này phải đảm bảo chất lượng điệp áp, tính ổn định và giá
thành hợp lý.

15


1.2 Các vấn đề cơ bản của một hệ thống năng lượng mặt trời:
Đầu tiên, năng lượng điện tạo ra bởi các tấm pin mặt trời là năng lượng điện 1
chiều (DC), để sử dụng được (trong công nghiệp, dân dụng, hồ lưới điện), nó phải
được chuyển đổi thành năng lượng điện xoay chiều AC.
Sự chuyển đổi đó được thực hiện bởi các bộ nghịch lưu – inverter.
Thông thường, điện áp ngõ ra của các tấm pin mặt trời chưa đủ để đưa vào bộ
DC-AC (hoặc do nhu cầu muốn tăng hiệu suất của các bộ biến đổi công suất), giữa
pin mặt trời và tầng chuyển đổi DC/AC, thường có thêm một bộ biến đổi công suất
dạng DC/DC, tăng hoặc giảm áp (Boost/Buck).
Tuy nhiên, công suất của pin mặt trời là một đại lượng biến thiên liên tục và phụ
thuộc nhiều yếu tố môi trường như bức xạ mặt trời, nhiệt độ, bóng râm,… khiến cho
ngõ ra thường khơng ổn định và không tận dụng được công suất tối đa.
Do đó, trong bài tốn năng lượng mặt trời, làm sao để sử dụng công suất pin mặt
trời hiệu quả nhất, hay nói cách khác là làm sao để làm việc ở điểm công suất cực

đại MPP (Max power point) là một vấn đề hết sức quan trọng. Có rất nhiều kĩ thuật
tối ưu điểm công suất cực đại, những kĩ thuật này còn đang được tiếp tục nghiên
cứu và phát triển.
Nếu hệ thống năng lượng mặt trời phải thoả mãn yêu cầu nối lưới thì các vấn đề
sau cũng cần phải quan tâm:
+ Đồng bộ điện áp ngõ ra với điện áp lưới điện. Việc đồng bộ này phải được thực
hiện dựa trên việc đảm bảo tần số và góc pha. Kĩ thuật nối lưới gọi là điều khiển
vịng khố pha PLL (Phase-Locked Loop control).
+ Bảo vệ tránh tình trạng islanding – đó là một thuật ngữ chỉ tình trạng khi mất
điện lưới (có thể do cơng nhân vận hành lưới điện ngắt lưới để sửa chữa) mà hệ
thống năng lượng mặt trời vẫn phát điện cho lưới (gây nguy hiểm cho người vận
hành). Hệ thống phải có khả năng phát hiện mất điện lưới và ngay lập tức ngắt ra
khỏi lưới điện.

16


1.3 Các hệ thống năng lượng mặt trời đang được triển khai:

 Hệ thống đơn giản: Dùng với tải DC cơng suất thấp dưới 100W (thích hợp
với hộ gia đình nông thôn, vùng sâu vùng xa), hoặc hệ thống hoạt động độc
lập (khơng nối lưới).

Hình 1.1 Tải DC cơng suất thấp, kèm với thiết bị lưu trữ (pin, accu)

Hình 1.2 Bộ nghịch lưu điện mặt trời không nối lưới, không MPPT
Các sản phẩm đơn giản như thế này hiện có rất nhiều trên thị trường, chẳng hạn
như các sản phẩm của công ty Mặt Trời-BK, và đặc biệt là các sản phẩm Nghịch
lưu điện mặt trời của Trung Quốc (thường không bao gồm bộ MPPT). Ưu điểm của
các bộ này là rất đơn giản, dễ chế tạo, khơng tích hợp các giải thuật điều khiển,

không cần sử dụng Vi điều khiển mạnh, giá thành thấp.
Đối với bộ nghịch lưu không nối lưới, nhất định phải có thiết bị lưu trữ (pin,
accu).
Tuy nhiên, cũng chính vì thế, các bộ này có hiệu suất rất thấp, tuổi thọ ngắn, mức
độ suy hao nhanh (chỉ dùng được một thời gian ngắn là công suất ngõ ra chỉ còn
khoảng 50% so với thời gian đầu).
17


 Giải pháp bộ nghịch lưu trung tâm (Central Inverter Solutions) cho hệ thống
năng lượng mặt trời nối lưới:

Hình 1.3 Bộ nghịch lưu trung tâm
Với hệ thống năng lượng mặt trời tại nhà (hay lắp đặt cho các toà nhà) theo kiểu
này có thể đạt cơng suất từ trên 1kW tới10kW.
Đây là giải pháp truyền thống được thực hiện từ trước tới nay. Ban ngày hộ gia
đình bán điện cho công ty điện lực (trả năng lượng lên lưới), ngược lại ban đêm
mua điện về để sử dụng. Hệ thống nối lưới đòi hỏi chất lượng điện áp cao (các tiêu
chuẩn về độ méo dạng sóng hài, …) và yêu cầu bộ điều khiển hồ lưới (PLL).
Hệ thống này khơng cần thiết bị lưu trữ điện (các pin hay accu thường có tuổi thọ
ngắn hơn nhiều so với các linh kiện khác trong hệ thống). Tuy nhiên, trong một vài
trường hợp, accu cũng được sử dụng nếu cần thiết.
Thuật toán MPPT được thực hiện tại bộ biến đổi công suất trung tâm.
Mặc dù đây là giải pháp được sử dụng nhiều nhất cho đến bây giờ, nhưng bản
thân nó cũng chứa nhiều nhược điểm, trong đó đáng kể nhất là: Công suất thu được
từ pin mặt trời chưa thực sự tối ưu, đặc biệt trong trường hợp bị che bóng cục bộ
(một số cell trong toàn bộ hệ thống bị che bóng sẽ làm giảm cơng suất tồn bộ hệ
thống, thuật tốn MPPT trong trường hợp này khơng xác định được chính xác cơng
suất tối ưu).

 Giải pháp bộ chuyển đổi điện áp DC siêu nhỏ (Micro-Converter Solutions)

18


Tức là hệ thống có nhiều bộ biến đổi điện áp DC/DC gắn với 1 bộ inverter ở
trung tâm. Các bộ micro-DC/DC-converter được thiết kế để gắn sau mỗi tấm pin
mặt trời.
Đây cũng là một hướng đi mới trong vài năm gần đây.

Hình 1.4 Giải pháp DC micro-converter
Ưu điểm nổi bật của phương pháp này là: do mỗi tấm pin đều được gắn một bộ
DC/DC converter, bộ converter này sẽ tối ưu hố cơng suất của từng tấm pin riêng
biệt, do đó cơng suất nhận được của tồn hệ thống thực sự là công suất tối ưu nhất
(trong phạm vi giải thuật MPPT sử dụng cho bộ micro converter).
Mỗi bộ micro converter thường chỉ kiểm sốt một lượng cơng suất nhỏ, tối đa là
300W. Thơng thường nó được thiết kế để hoạt động trong tầm 190-220W.
Tuy nhiên, nó vẫn cịn những điểm hạn chế như:
+ Linh kiện trong bộ Inverter vẫn phải chịu công suất cao, toả nhiều nhiệt, do đó
thiết bị tản nhiệt và quạt có kích thước lớn, cồng kềnh. Nhiệt lượng toả ra cũng làm
giảm tuổi thọ linh kiện.
+ Kết nối các bus DC phức tạp (chiều dương, âm).
+ Bus DC có điện áp cao kéo dài từ mỗi tấm pin tới bộ inverter chứa đựng nhiều rủi
ro khi vận hành.
+ Cũng như giải pháp Bộ nghịch lưu trung tâm (Central Inverter Solutions), giải
pháp này cũng không tránh khỏi trường hợp cả hệ thống ngừng hoạt động khi sự cố
xảy ra tại 1 vị trí của bộ inverter.
19

 Giải pháp bộ nghịch lưu siêu nhỏ (Micro-Inverter Solutions)
Tại ngay từng tấm pin mặt trời (hoặc ghép vài tấm pin với nhau) sẽ được gắn
một bộ inverter hoàn chỉnh (tức là bao gồm cả bộ biến đổi điện áp DC/DC lẫn bộ
nghịch lưu) với đầy đủ giải thuật MPPT và điều khiển hoà lưới.
Ngõ ra của một bộ micro-inverter này là điện AC, true-sine, đồng bộ với điện
lưới.
Micro-inverter được thiết kế với tầm công suất khoảng 190-220W, tối đa cũng
chỉ đạt tới 300W, để tối ưu hố cơng suất của từng tấm pin mặt trời.
Công nghệ micro-inverter được đánh giá là công nghệ thế hệ mới của vấn đề
năng lượng tái tạo, mới được nghiên cứu phát triển trong vòng 5 năm, sản phẩm
thương mại đầu tiên mới chỉ xuất hiện vào năm 2008.
Tính ưu việt của giải pháp này sẽ được trình bày trong phần tiếp theo.

Hình 1.5 Giải pháp micro-inverter
1.4 Hướng đi mới cho công nghệ năng lượng mặt trời – Micro-Inverter
1.4.1 Lịch sử hình thành – thị trường đầy tiềm năng:
Năm 1991, công ty Ascension Technology của Hoa Kì bắt đầu phát triển bộ
nghịch lưu AC. Khoảng năm 1995-1996, AEE phát triển các sản phẩm bộ nghịch
lưu siêu nhỏ micro-inverter tần số cao, với công suất khoảng 100W.
20


Các dự án về micro-inverter đang hứa hẹn nhiều triển vọng thì đến năm 2001,
xảy ra một vài sự kiện về mua bán – sát nhập công ty và đến năm 2003 dự án bị
dừng lại.
Sau này, kĩ sư Martin Fornage của tập đoàn Cerent, trong khi thực hiện các dự án
về năng lượng mặt trời, nhận thấy rằng, string-inverter chỉ đạt được hiệu suất thấp
khi thiết kế cho một dãy nhiều module. Do đó cần phải có một hướng đi mới hiệu
quả hơn.
Năm 2006, ông thành lập công ty Enphase Energy, và tập trung giải quyết bài

toán inverter trong suốt năm 2007.
Năm 2008, sản phẩm Enphase M175 ra đời, đó cũng chính là sản phẩm microinverter đầu tiên trên thế giới thành công về mặt thương mại.
Kế tiếp, sản phẩm M190 được giới thiệu vào năm 2009 lại càng thành công hơn.
M190 được thiết kế để gắn ngay sau các tấm pin mặt trời. Nó bao gồm 1 CPU sử
dụng giao thức truyền thông năng lượng (power line communication - PLC) để gửi
dữ liệu trạng thái vận hành khi được hỏi đến (polled). Một thiết bị thứ hai, gọi là
Envoy sẽ thực hiện hỏi vòng (polling) từng module inverter, thu thập dữ liệu và gửi
về trạm vận hành qua internet. Dữ liệu được thu thập sau mỗi 15 phút và hiển thị
trên một website.

Hình 1.6 Bộ micro-inverter của hãng Enphase
Cuối năm 2010, Enphase thông báo rằng họ đang cải tiến sản phẩm của mình,
giảm thiểu cáp và port kết nối để giảm giá thành, phiên bản sản phẩm này có thể có
tên là M215.

21


Đến đầu năm 2011, Enphase tuyên bố các thiết kế mới của họ sẽ được thay đổi
nhãn hiệu và được phân phối bởi Siemens.
Solar Micro-inverter là một hướng nghiên cứu còn rất mới, và thị trường rất tiềm
năng. Chỉ đến năm 2010 trên thế giới mới xuất hiện một vài công ty cạnh tranh với
Enphase trong lĩnh vực này.
1.4.2 Micro-inverter sẽ chiếm ưu thế trong xu hướng phát triển hệ thống năng
lượng mặt trời
Phương án chế tạo các bộ biến đổi năng lượng mặt trời theo dạng micro-inverter
sẽ chiếm ưu thế trong xu hướng phát triển hệ thống năng lượng mặt trời do các yếu
tố sau:
- Thay đổi từ bộ nghịch lưu trung tâm thành các bộ nghịch lưu phân tán để tối ưu
cơng suất nhận được.

- Tích hợp bộ chuyển đổi năng lượng ngay sau tấm pin mặt trời giúp giảm thiểu chi
phí lắp đặt, kết nối.
- Cải thiện độ tin cậy của hệ thống lên từ 5 cho tới 20 năm nhờ giảm nhiệt độ của
các thiết bị công suất.
- Thay thế các kĩ thuật chuyển mạch cứng bằng kĩ thuật chuyển mạch mềm, nâng
cao hiệu suất, giảm tổn thất do toả nhiệt.
- Chuẩn hoá thiết kế (kể cả phần cứng và phần mềm), do đó tăng độ tin cậy, tính ổn
định.
- Khả năng đưa vào sản xuất hàng loạt, giảm giá thành.
1.5 Phạm vi đề tài
Bài toán xây dựng hệ thống năng lượng mặt trời với yêu cầu tận dụng tối ưu
nguồn năng lượng này, đạt hệ số cơng suất cao, khả năng hồ lưới, hoạt động ổn
định và giảm giá thành sản xuất là một bài tốn phức tạp và cho đến nay vẫn cịn
được tiếp tục nghiên cứu.
Phạm vi đề tài tập trung nghiên cứu, giải quyết các vấn đề sau:
+ Đề xuất phướng án thiết lập hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời theo hướng
micro-inverter .
22