Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qz trong hệ thống pin năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG

PHAN THỊ THANH VÂN

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

PHAN THỊ THANH VÂN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH
LƯU NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG
LƯỢNG MẶT TRỜI
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Đà Nẵng – Năm 2020


ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
---------------------------------------

PHAN THỊ THANH VÂN

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU
NGUỒN QZ TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN & TỰ ĐỘNG HÓA

Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Kim Ánh


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của riêng tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được
ai công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác.
Tác giả luận văn

Phan Thị Thanh Vân


MỤC LỤC
Trang
Trang phụ bìa...................................................................................................................
Lời cam đoan ....................................................................................................................
Mục lục .............................................................................................................................
Tóm tắt luận văn ..............................................................................................................
Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt .........................................................................
Danh mục các bảng .........................................................................................................
Danh mục các hình ..........................................................................................................
MỞ ĐẦU .................................................................................................................. 1
Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI ........... 4
1.1. Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời .................................................. 4
1.2. Giới thiệu pin mặt trời ..................................................................................... 5
1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời ......................................................... 6

1.2.2. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời........................................................ 9
1.3. Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời ........................... 10
1.3.1. Bộ biến đổi DC/DC ................................................................................ 10
1.3.2. Bộ biến đổi DC/AC ................................................................................ 13
1.4. Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất cực đại (MPPT) ..................... 14
1.5. Kết luận ........................................................................................................... 18
Chương 2 - NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ .................................................................. 19
2.1. Giới thiệu nghịch lưu ..................................................................................... 19
2.2. Cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ ..................................................................... 21
2.3. Xây dựng mơ hình tốn học của nghịch lưu nguồn qZ .............................. 22
2.4. Giới thiệu phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ ........................ 25
2.5. Kết luận ........................................................................................................... 26
Chương 3 - XÂY DỰNG THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO
NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ ...................................................................................... 27
3.1. Giới thiệu phương pháp điều khiển dự báo ................................................ 27
3.2. Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ .......... 31
3.3. Kết luận ........................................................................................................... 37
Chương 4 - MÔ PHỎNG HỆ THỐNG VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ ...................... 38
4.1. Mơ hình hóa hệ thống .................................................................................... 38
4.2. Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả...................................................... 38
4.2.1. Mô phỏng hệ thống trên Matlab/simulink ........................................... 38
4.2.2. Đánh giá kết quả ................................................................................... 39
4.3. Kết luận ........................................................................................................... 51
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .............................................................................. 52
DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................. 53
QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (BẢN SAO) ................................. 56
PHỤ LỤC .............................................................................................................. 57


THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO CHO NGHỊCH LƯU NGUỒN QZ

TRONG HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Học viên: Phan Thị Thanh Vân Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số:
Khóa: 36
Trường Đại học Bách khoa – ĐHĐN
Tóm tắt – Luận văn này trình bày việc thiết kế bộ điều khiển dự báo (MPC) cho cấu trúc
nghịch lưu nguồn qZ (Quasi Z source inverter - qZSI) sử dụng trong hệ thống pin năng lượng
mặt trời (Photovoltaic system - PV). So với nghịch lưu áp truyền thống, giải pháp qZSI cho
thấy hữu ích hơn nhờ vào khả năng nâng cao điện áp một chiều đầu vào và khắc phục được
hiện tượng ngắn mạch xảy ra trong các khóa bán dẫn. Bộ điều khiển PI thường được áp dụng
cho qZSI. Tuy nhiên, nó có đặc tính động học chậm và chất lượng phụ thuộc vào bộ điều
khiển dòng điện phía trong. Một nhược điểm khác của phương pháp này là sự tồn tại của đặc
điểm pha không cực tiểu ở phía cấu trúc một chiều. Điều này dẫn đến hiện tượng khơng ổn
định cho tồn bộ hệ thống. Bộ điều khiển dự báo theo mơ hình với số trạng thái hữu hạn
(Finite control set model predictive control - FCS-MPC) có các ưu điểm như cấu trúc đơn
giản (khơng có cấu trúc điều khiển nối tầng và khối điều chế) và dễ dàng áp dụng với hệ
thống phi tuyến và các ràng buộc. Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu của qZSI bao gồm
dòng điện của tải, của cuộn cảm và điện áp trên tụ điện. Sau quá trình tối ưu hóa hàm mục
tiêu, trạng thái chuyển mạch tốt nhất được điều khiển đóng cắt các khóa bán dẫn. Để xác nhận
tính hiệu quả và khả thi của phương pháp đề xuất, các phân tích được khảo sát bằng phần
mềm Matlab/Simulink với các điều kiện hoạt động khác nhau của hệ thống.
Từ khóa – Pin mặt trời; nghịch lưu nguồn qZ (qZSI); điều khiển dự báo theo mơ hình (MPC);
điều khiển dự báo theo mơ hình với số trạng thái hữu hạn (FCS-MPC); hàm mục tiêu.
DESIGNING MODEL PREDICTIVE CONTROL OF A GRID CONNECTED QUASI-ZSOURCE INVERTER
Abstract – This thesis presents a model predictive controller (MPC) design for a grid-

connected photovoltaic system using a quasi-Z-source inverter (qZSI). The qZSI is
recognized as an attractive solution compared with the conventional voltage source inverter
due to its benefits: the capability to boot the DC voltage input and overcoming the drawback
of the short-circuit effect in switching devices. The PI controller has been extensively applied

for qZSI. However, it provides a low dynamic response and its performances depend on the
quality of the internal current controller. Another disadvantage of this method is the behavior
of non-minimum phase phenomenon in the DC side, leading to an instability of the whole
system. The finite control set model predictive control (FCS-MPC) presents advantages such
as its concept simplicity (without cascaded control loop structure and modulation block) and
easy inclusion of nonlinearities and constraints. In this research, the cost function for qZSI
consists of load current, inductor current, and a capacitor voltage. Then, its minimization is
carried out to obtain the best switching state which is implemented to the inverters.
Simulation analyses were performed in a Matlab/Simulink environment with different
operating conditions of the system to validate the effectiveness and feasibility of the proposed
method.
Key word – Photovoltaic, Quasi-Z-source inverter (qZSI), Model predictive control (MPC),
Finite control set-model predictive control (FCS-MPC), cost function.


DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
CÁC KÝ HIỆU:
v
Điện áp tức thời (V)
i
Dòng điện tức thời (A)
V
Giá trị hiệu dụng của điện áp (V)
I
Giá trị hiệu dụng của dịng điện (A)
P
Cơng suất (W)
d
Tỷ số điều chế “ngắn mạch” ở ZSI/qZSI
D

Tỷ số chu kì ở chuyển đổi DC-DC
Ppv
Cơng suất nguồn PV (W)
Pload
Công suất tiêu thụ của tải (W)
Tần số góc (radian)

Ns
Số cell PV nối tiếp
Np
Số cell PV song song
P
Cơng suất tác dụng (W)
Q
Công suất phản kháng (var)
T
Nhiệt độ ( C )
Ts
Thời gian lấy mẫu của bộ điều khiển
T0
Thời gian ở trạng thái “ngắn mạch”
Các kí hiệu trên:
*
Giá trị tham chiếu hoặc bắt buộc
^
Giá trị cực đại hoặc đạt đỉnh
p
Giá trị dự báo
Các kí hiệu dưới:
in

Giá trị đầu vào
o
Giá trị đầu ra
a, b, c
Các pha đầu ra của bộ nghịch lưu
ref
Giá trị tham chiếu
pv
Giá trị điện áp hoặc dòng của nguồn PV
C
Điện dung
L
Điện kháng
mpp
Giá trị cực đại của điện áp hoặc dòng tại nguồn PV
min, max
Giá trị cực tiểu, giá trị cực đại
pk
Giá trị đỉnh
CÁC CHỮ VIẾT TẮT:
AC
Dòng điện xoay chiều (alternate current)
CSI
Nghịch lưu nguồn dòng (current source inverter)
DC
Dòng điện một chiều (direct current)
EMI
Nhiễu điện từ (electromagnetic interference)
I&C
Thuật thoán dẫn điện gia tăng (Incremental and conductance)

IGBT
Transistor lưỡng cực (insulated gate bipolar transistor)
MPC
Điều khiển dự báo theo mơ hình (model prediction control)
MPP
Điểm làm việc cơng suất cực đại (maximum power point)
MPPT
Tìm điểm làm việc công suất cực đại (maximum power point
tracking)


PI
P&O
PV
PWM
qZSI
THD
VSI
ZSI

Điều khiển tỷ lệ-tích phân PI (proportional and integral)
Thuật tốn tạo nhiễu loạn và quan sát (perturb and observe)
Pin mặt trời (photovoltaic)
Điều chế độ rộng xung (pulse width modulation)
Nghịch lưu nguồn qZ (quasi-Z-source inverter)
Tổng độ biến dạng sóng hài (total harmonic distortion)
Nghịch lưu nguồn áp (voltage source inverter)
Nghịch lưu nguồn Z (Z-source inverter)

DANH MỤC CÁC BẢNG
Số hiệu bảng

Tên bảng

Trang

2.1

So sánh phần tử thụ động của bộ biến đổi có cơng suất
50kW ứng dụng cho Fuel cell
Bảng vectơ điện áp đầu ra ở mỗi trạng thái chuyển
mạch của qZSI
Bảng trạng thái chuyển mạch được tạo ra bởi qZSI
So sánh sức mạnh tính tốn giữa 2 thuật tốn FCS-MPC
Thơng số cho mơ phỏng nghịch lưu nguồn qZ với tải
RL có điện áp ngõ vào Vin thay đổi [24]
Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ với tải
RL thay đổi [24]
Thông số cho mô phỏng nghịch lưu nguồn qZ của hệ
thống PV được kết nối lưới [24]

20

2.2
2.3
3.1
4.1
4.2
4.3

23
23
38
39
43
47


DANH MỤC CÁC HÌNH
Số hiệu
hình vẽ
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
1.8
1.9
1.10
1.11
1.12
1.13
1.14
1.15
1.16
1.17
1.18

1.19
1.20
1.21
1.22
2.1
2.2
2.3

Tên hình

Trang

Hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới
Cấu tạo của pin mặt trời
Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi hở mạch
Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi ngắn mạch
Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc
vào cường độ bức xạ mặt trời
Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc
vào nhiệt độ của pin
Sơ đồ mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời
Sơ đồ mắc song song các tấm pin mặt trời.
Sơ đồ hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối
kết hợp song song và nối tiếp
Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Boost
Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost
Mạch điện cơ bản của hệ thống nghịch lưu

Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt
trời
Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi
cường độ bức xạ thay đổi
(a) Mơ hình dãy bị bóng che. (b) Đặc tính I – V. (c) Đặc
tính P – V
(a). Đặc tính cơng suất Ppv (vpv) (b). Sơ đồ khối điều
khiển
(a). Đặc tính cơng suất Ppv (ipv) (b). Sơ dồ khối điều
khiển
(a). Đặc tính cơng xuất Ppv (d) , (b). Sơ đồ khối điểu
khiển
Phương pháp MPPT của kỹ thuật “Perturb and
Observe” (P&O)
Cấu trúc mạch lực của nghịch lưu nguồn Z
Sơ đồ mạch lực nghịch lưu ba pha nguồn Z
Một số cấu trúc mới phát triển dựa trên qZSI; (a) diode
bổ trợ boost qZSI (b) nghịch lưu chuyển đổi ZSI (c)
nghịch lưu nguồn T-Z (d) nghịch lưu nguồn H-Z

4
5
7
7
7
8
8
9
9
10

10
11
12
12
13
14
15
15
16
17
17
18
19
20
21


2.4
2.5
2.6
3.1
3.2
3.3
3.4
3.5
3.6
3.7
3.8
4.1
4.2

4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12

Nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống nghịch lưu PV
Mạch tương đương của qZSI khi (a) trạng thái “ngắn
mạch” (b) trạng thái “không ngắn mạch”
Vector điện áp cho qZSI
Cấu trúc cơ bản của một hệ thống điều khiển dự báo
Cấu trúc điều khiển của FCS-MPC
Nguyên lý dự báo tín hiệu của MPC
Thuật toán điều khiển chung của FCS-MPC
Sơ đồ phương pháp điều khiển FCS-MPC cho qZSI
Mơ hình tải của qZSI
Lưu đồ thuật toán FCS-MPC cho qZSI [37]
Lưu đồ thuật toán FCS-MPC được đề xuất cho qZSI
Sơ đồ khối của hệ thống nghịch lưu nguồn qZSI trong
hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới.
Kết quả mơ phỏng phía DC của qZSI ở trường hợp 1
Kết quả mơ phỏng phía AC của qZSI ở trường hợp 1
Phân tích Fourier của dịng điện tải với công suất đầu ra
P = 3kW
Kết quả mơ phỏng phía DC của qZSI ở trường hợp 2

Kết quả mơ phỏng phía AC của qZSI ở trường hợp 2
Phân tích Fourier của dịng điện tải với cơng suất đầu ra
P = 500W
Đáp ứng động học của dòng điện tải
Phân tích Fourier của dịng điện tải với cơng suất đầu ra
P = 1 kW
Đặc tính của dịng điện trên cuộn cảm, điện áp trên tụ
điện và điện áp đầu vào
Điện áp sau mạch LC
Điện áp dây đầu ra mạch nghịch lưu

22
22
24
27
29
30
31
32
33
35
36
38
40
42
42
44
46
46
48

49
49
50
51


Trang 1

MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Ngày nay, với tình hình dân số và khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng,
nhu cầu về điện ngày càng tăng và trở thành yếu tố không thể thiếu trong cuộc sống.
Để đáp ứng nhu cầu dùng điện, ngoài việc khai thác và sử dụng hiệu quả các nguồn
năng lượng truyền thống như thủy điện và nhiệt điện thì việc khai thác và đưa vào sử
dụng các dạng năng lượng tái tạo (như năng lượng mặt trời, gió,…) ngày càng nhận
được sự quan tâm rất lớn trên tồn thế giới vì những lợi ích thiết thực mang lại từ các
nguồn này. Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan
trọng nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta, đó là nguồn năng lượng
sẵn có, vô tận và là nguồn năng lượng sạch không gây hại cho mơi trường. Vì vậy,
việc nghiên cứu để khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời là rất cần
thiết. Để khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời một cách hiệu quả cần có một hệ
thống lưới điện thơng minh. Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều
(DC), nguồn năng lượng một chiều này được điều chỉnh theo mức yêu cầu nhất định.
Sau đó, trước khi năng lương được hịa vào lưới, tải thì cần có sự chuyển đổi công suất
từ dạng điện áp một chiều sang xoay chiều (DC/AC), được thực hiện ở bộ chuyển đổi
nghịch lưu. Do đó, lựa chọn cấu trúc mạch lực thiết bị biến đổi điện tử cơng suất và
phương pháp điều khiển, đóng vai trò quan trọng đảm bảo việc khai thác hiệu quả hệ
thống điện mặt trời.
Nghịch lưu nguồn Z (Z-Source Inverter - ZSI) được giới thiệu vào năm 2003
bởi tác giả Fang Zheng Peng tại đại học Michigan (Hòa Kỳ), là thiết bị chỉ một tầng

biến đổi điện tử công suất, cho phép điện áp đầu ra mong muốn khi điện áp sơ cấp đầu
vào thay đổi, phù hợp với đặc điểm làm việc của hệ thống phát điện phân tán. Nó cung
cấp tăng điện áp cao hơn và loại bỏ được sự chồng chéo giữa các van chuyển đổi
nghịch lưu và biến dạng dòng đầu ra do sự xuất hiện của thời gian chết. Tuy nhiên có
nhược điểm là dịng đầu vào không liên tục và điện áp đặt trên các tụ điện luôn cao
Nghịch lưu nguồn Quasi-Z (Quasi-Z-Source Inverter - qZSI) được gọi là bản
cải tiến của ZSI. Mang đến sự lựa chọn tốt hơn với dòng đầu vào liên tục và điện áp
thấp hơn trên các tụ của nó khi vẫn duy trì khả năng giống như ZSI với cùng thành
phần gốc. Bởi vì cấu trúc này nên nó dễ dàng hơn trong việc thực hiện lưu trữ pin. Có
rất nhiều phương pháp để điều khiển nghịch lưu nguồn qZ như bộ điều khiển PI đã
được sử dụng rộng rãi cho qZSI nhưng PI vẫn có một số hạn chế như tính phi tuyến
của hệ thống. Trong các phương pháp điều khiển hiện hành đối với hệ phi tuyến,
phương pháp điều khiển dự báo (MPC - Model Prediction Control) được coi là một
phương pháp điều khiển thay thế và mạnh mẽ cho các ứng dụng điện tử công suất.
Những kết quả nghiên cứu trước đây đã cho thấy MPC điều khiển hiệu quả và có độ
tin cậy cao. Vì vậy việc nghiên cứu và ứng dụng phương pháp điều khiển dự báo trong
hệ thống pin năng lượng mặt trời là một giải pháp quan trọng và có ý nghĩa thực tiễn.
Đây chính là bối cảnh và động lực để học viên chọn đề tài “Thiết kế bộ điều
khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin năng lượng mặt trời” cho
luận văn tốt nghiệp của mình.
2. Mục đích nghiên cứu
Mục đích nghiên cứu của luận văn này là:
- Xây dựng cấu trúc nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt
trời (Photovoltaic - PV).


2
- Xây dựng mơ hình tốn học của nghịch lưu nguồn qZ.
- Thiết kế bộ điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ trong hệ thống pin
năng lượng mặt trời.

- Sử dụng phần mềm Matlab/Simulink để kiểm chứng mô hình, phương pháp
và đánh giá kết quả.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu: cấu trúc nghịch lưu nguồn qZSI.
Phạm vi nghiên cứu: phương pháp điều khiển dự báo cho bộ nghịch lưu nguồn
qZSI nhắm đến áp dụng trong hệ thống pin năng lượng mặt trời công suất vừa và nhỏ.
4. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết:
- Nghiên cứu và khảo sát các công nghệ cho các hệ thống pin năng lượng mặt
trời trong thực tế.
- Nghiên cứu các tài liệu về nghịch lưu nguồn qZ.
- Nghiên cứu các tài liệu về các thuật toán điều khiển được sử dụng trong hệ
thống.
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mơ hình mạch lực, mạch điều khiển hệ
thống điện mặt trời nối lưới.
Nghiên cứu thực nghiệm:
- Tất cả các công việc của đề tài được mô phỏng và kiểm chứng trên phần
mềm Matlab/Simulink.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu lĩnh vực điện năng lượng mặt trời có ý nghĩa hết sức quan
trọng góp phần khai thác triệt để nguồn năng lượng tự nhiên to lớn khi các nguồn năng
lượng truyền thống đang ngày càng cạn kiệt.
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu mang lại nhiều ý nghĩa trong việc thiết kế bộ
nghịch lưu trong lĩnh vực năng lượng tái tạo với giá thành thấp và tin cậy.
6. Cấu trúc của luận văn
Ngoài phần mở đầu và kết thúc, nội dung chính của luận văn được trình bày
trong 4 chương như sau:
- Chương 1: Tổng quan hệ thống pin năng lượng mặt trời. Chương này giới
thiệu tổng quan về cấu trúc của hệ thống pin năng lượng mặt trời và vai trò
của các thành phần trong hệ thống.

- Chương 2: Nghịch lưu nguồn qZ. Chương này trình bày cấu trúc mạch lực và
mơ hình tốn học của nghịch lưu nguồn qZ cho hệ thống pin năng lượng mặt
trời, giới thiệu các phương pháp điều khiển nghịch lưu nguồn qZ hiện nay.
- Chương 3: Xây dựng thuật toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ.
Giới thiệu về các phương pháp điều khiển dự báo, đưa ra cấu trúc và nguyên
lý làm việc của phương pháp điều khiển dự báo FCS - MPC, xây dựng thuật
toán điều khiển dự báo cho nghịch lưu nguồn qZ.
- Chương 4: Mô phỏng hệ thống và đánh giá kết quả. Trên cơ sở lý luận đã đề
xuất ở chương 2 và chương 3, để kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý
thuyết, chương này trình bày thiết kế mơ hình hóa hệ thống, thực hiện mô
phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab/Simulink và đánh giá kết quả.


3

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1. Cấu trúc hệ thống pin năng lượng mặt trời
Hệ thống pin năng lượng mặt trời chuyển đổi năng lượng thu được từ ánh sáng
mặt trời thành dạng năng lượng điện có thể sử dụng được. Điều này địi hỏi cần có một
bộ chuyển đổi cơng suất giữa hai giai đoạn như Hình 1.1. Giai đoạn chuyển đổi DCDC là nơi đầu ra điện áp pin mặt trời (PV) được điều chỉnh theo mức yêu cầu nhất
định. Sau đó, trước khi năng lượng được hịa vào lưới, tải cần có sự chuyển đổi công
suất từ dạng điện áp một chiều sang xoay chiều (DC - AC), được thực hiện ở bộ
chuyển đổi nghịch lưu. Một kho tụ một chiều (DC bus) có vai trị đảm bảo sự cân bằng
năng lượng giữa nguồn và tải; có thể có hoặc khơng có khâu lưu trữ năng lượng tại bus
DC này tùy thuộc vào tính chất của phụ tải. Khâu lưu trữ năng lượng là nơi lưu giữ
năng lượng tạm thời và sử dụng khi cần đến.

Bộ lọc
Đầu

ra

DC bus

Bộ chuyển đổi
DC-DC
MPPT
Hệ thống PV

Bộ lưu
trữ pin

Tín hiệu
PWM

Đo
Dịng
điện

Bộ biến đổi nghịch lưu
DC-AC

Lưới điện

Tải

Tín hiệu
PWM

Bộ điều khiển

1. Điều khiển bộ DC-DC
2. Điều khiển bộ DC-AC
3. Điều khiển bộ lưu trữ pin

Hình 1.1: Hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới
Các tiêu chí trong thiết kế hệ thống pin năng lượng mặt trời nối lưới như sau:
- Thứ nhất, hệ thống có khả năng phân phối điện hiệu quả, trong đó đề cập khả
năng của hệ thống để đảm bảo năng lượng thu được từ nguồn năng lượng mặt
trời chuyển thành điện được sử dụng ở mức tải cao nhất có thể. Điều này có thể
thực hiện qua việc giảm các giai đoạn chuyển đổi, sử dụng ít thành phần liên
quan từ điện áp và dòng điện gây ra ảnh hưởng tới tổn thất công suất. Thực tế là
các nhu cầu năng lượng mà có nhiều giai đoạn chuyển đổi và dài càng dễ bị mất
điện, nhiễu hoặc bị biến dạng lúc vận hành.
- Thứ hai, hệ thống có khả năng lưu trữ năng lượng tốt, có nghĩa là hệ thống có
thể được sử dụng hồn tồn không chỉ trong những lúc bức xạ mặt trời đủ để
chuyển đổi năng lượng như ban ngày mà cịn có thể hoạt động vào ban đêm
hoặc khi mặt trời thấp, mưa gió, thời tiết xấu… khi khơng thể chuyển đổi trực
tiếp năng lượng từ hệ thống PV. Việc sử dụng pin là thiết bị lưu trữ với thông
số nạp/xả theo yêu cầu hệ thống, cần phải có khả năng xử lý linh hoạt chế độ
nạp/xả và có thể điều khiển cũng như quản lý lưu lượng trong hệ thống nghịch
lưu. Lưới điện có khả năng khơng những cung cấp điện cho lưới điện và tải từ


4
nguồn PV và pin mà cịn cung cấp cơng suất lại tải hoặc nạp pin khi nguồn điện
từ PV bị hạn chế hoặc hồn tồn khơng có sẵn.
- Cuối cùng, điều quan trọng là phải đảm bảo rằng công suất được cung cấp bởi
hệ thống chuyển đổi theo tiêu chuẩn kết nối và đảm bảo sự tiện ích nhất như về
hệ số cơng suất, dung lượng điều hịa…Tiêu chuẩn được xem xét đến ở đây
được nêu trong “Nối lưới AS4447 của hệ thống năng lượng thông qua nghịch

lưu” [3] và “tiêu chuẩn IEEE 1547 để kết nối các hệ phân tán với các hệ thống
điện” [4].
Trong thực tế chúng ta đã gặp rất nhiều hệ thống điện mặt trời độc lập. Công
nghệ này thường được ứng dụng cho các khu vực khơng có lưới điện cơng nghiệp
hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt, công suất nhỏ. Nhược điểm là phải dùng hệ thống
lưu trữ bằng ắc quy. Giải pháp này khá đắt và phải bảo dưỡng cũng như thay thế
thường xuyên, vừa gây ô nhiễm môi trường. Mặt khác bộ ắc quy cũng chỉ tích được
một lượng điện năng có hạn, cịn với các dàn pin mặt trời hàng chục hay hàng trăm
kW thì sử dụng ắc quy tích điện là một vấn đề khó khăn rất lớn, thậm chí là khơng thể.
Đối với các ứng dụng quy mơ lớn người ta sử dụng công nghệ điện mặt trời nối
lưới. Trong công nghệ này, điện từ máy phát là dàn pin mặt trời được biến đổi thành
dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter)
và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp. Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ
lưới. Mạng lưới điện có vai trị như một “ngân hàng”, hấp thụ điện năng lúc dàn pin
mặt trời phát điện thừa vào lưới và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết. Nhờ
đó mà việc sử dụng luôn ổn định và rất tiết kiệm điện.
1.2. Giới thiệu pin mặt trời
Cấu tạo của pin mặt trời (pin năng lượng mặt trời hay còn gọi là pin quang điện,
ký hiệu là PV) là một lớp tiếp xúc bán dẫn p-n có khả năng biến đổi trực tiếp năng
lượng bức xạ mặt trời thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện bên trong. Các tế bào
quang điện có khả năng nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể bán
dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn nhiên
liệu.
Điện cực mặt trên
Lớp chống phản quang
Lớp bán dẫn loại n
Lớp bán dẫn loại p
Lớp đáy
Điện cực mặt dưới

Hình 1.2: Cấu tạo của pin mặt trời
Cấu tạo pin năng lượng mặt trời rất độc đáo với nhiều thành phần phức tạp, tuy
nhiên hiện nay thiết bị này được làm chủ yếu từ các silicon dạng tinh thể với 3 loại pin
phổ biến được sử dụng nhiều gồm:


5
- Pin năng lượng mặt trời đơn tinh thể (Mono): được cắt trực tiếp từ các khối
tinh thể silicon hình ống cho hiệu suất chuyển đổi cao nhất (lên đến 16%).
Do đó đây là loại pin năng lượng mặt trời đắt tiền nhất hiện nay.
- Pin năng lượng mặt trời đa tinh thể (Poly): được làm từ silicon nung chảy và
phủ thành lớp liền nhau không chia khối như đơn tinh thể. Hiệu suất chuyển
đổi của loại pin này thấp hơn pin đơn tinh thể, tuy nhiên mật độ phủ lại cao
hơn tấm Mono trong cùng một diện tích nên nó có thể bù lại về sản lượng
điện được sinh ra.
- Pin năng lượng mặt trời dạng mỏng (Thin-film): được tạo từ những miếng
phim rất mỏng từ chất liệu silicon nóng chảy có cấu trúc đa tinh thể, nó bỏ
qua thao tác cắt thỏi silicon nên cho hiệu suất thấp nhất. Đó cũng là lý do
khiến loại pin này có giá cả mềm nhất so với hai loại pin Mono và Poly, nên
nó được sử dụng phổ biến bởi phù hợp với túi tiền của nhiều người.
Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ trong
ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều nhau. Hiệu
suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
- Chất liệu bán dẫn làm pin,
- Vị trí đặt các tấm panel mặt trời,
- Thời tiết khí hậu, mùa trong năm,
- Thời gian trong ngày: sáng, trưa, chiều…
Trong một ngày nắng, mặt trời cung cấp khoảng 1 kW/m²/1 giờ đến mặt đất
(khi mặt trời đứng bóng và quang mây) thì mỗi giờ mỗi kWp pin mặt trời sẽ cho ra gần
1kWh điện, trung bình mỗi ngày có từ 4-5 giờ như vậy. Công suất của một hệ thống

đạt tốt hay khơng cịn phụ thuộc vào việc ghép nối các tấm pin mặt trời với nhau,
hướng đặt tấm pin, các thiết bị liên quan như dây dẫn… Một số thông tin cơ bản về
tấm pin mặt trời sử dụng trong hệ thống điện mặt trời:
- Hiệu suất: từ 16% – 20%,
- Công suất phổ biến: từ 20Wp đến 400Wp,
- Điện áp: 12VDC hoặc 24VDC hoặc 48 VDC,
- Số lượng cell trên mỗi tấm pin vào khoảng: 60, 72, 120 cells,
- Kích thước cell: 5 – 6 inchs,
- Loại cells: monocrystalline (đơn tinh thể ) và polycrystalline (đa tinh thể),
- Chất liệu của khung: nhơm,
- Tuổi thọ trung bình của tấm pin: từ 25 - 40 năm.
1.2.1. Đặc tính làm việc của pin mặt trời:
Pin PV có mạch điện tương đương như một diode mắc song song với một
nguồn điện quang sinh. Ở cường độ ánh sáng ổn định, pin PV có một trạng thái làm
việc nhất định, dịng điện quang sinh không thay đổi theo trạng thái làm việc. Do đó,
trong mạch điện tương đương có thể xem như là một nguồn dòng ổn định IՓ. Trên
thực tế, trong quá trình chế tạo pin PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước và sau, cũng có
thể do bản thân vật liệu có một điện trở suất nhất định. Vì vậy trong mạch điện tương
đương cần phải mắc thêm vào một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh
với tải. Như vậy, mạch điện tương đương của pin PV được thể hiện như trong Hình 1.3
[33].


6

Hình 1.3: Sơ đồ tương đương của pin mặt trời
Từ sơ đồ tương đương, ta có phương trình đặc trưng Vôn – Ampe của pin như
sau:

 q.vk.IT.RS   V  I .RS 

I  I SC  I 01. e
 1 
RSh



(1.1)

Trong đó:
- I SC là dịng quang điện (dịng ngắn mạch khi khơng có Rs và Rsh) (A/m2),
- I 01 là dòng bão hòa (A/m2),
- q là điện tích của điện tử = 1,6.10-19 (C),
- k là hệ số Boltzman = 1,38.10-23(J/k),
- T là nhiệt độ (K),
- I, V, Rs, Rsh lần lượt là dòng điện ra, điện áp ra, điện trở nối tiếp và song song
của pin trong mạch tương đương ở Hình 1.3.
Điện áp hở mạch VOC là hiệu điện thế được đo khi mạch ngoài của pin mặt trời
hở. Khi đó dịng mạch ngồi I = 0.

Hình 1.4: Sơ đồ mạch ngồi của pin mặt trời khi hở mạch
Dòng ngắn mạch I SC là dòng điện trong mạch của pin mặt trời khi làm ngắn
mạch ngồi (chập các cực ra của pin). Lúc đó hiệu điện thế mạch ngồi của pin bằng
V=0.

Hình 1.5: Sơ đồ mạch ngoài của pin mặt trời khi ngắn mạch


7
Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua hai thông số là điện áp hở mạch
lớn nhất VOC lúc dòng ra bằng 0 và dòng điện ngắn mạch I SC khi điện áp ra bằng 0.

Công suất của pin được tính theo cơng thức:
(1.2)
P  U .I
Tại điểm làm việc U = VOC; I = 0 và U = 0; I = ISC, công suất làm việc của pin
cũng có giá trị bằng 0.

Hình 1.6: Đường đặc tính làm việc V – I của pin mặt trời
* Nhận xét:
Dòng ngắn mạch I SC tỉ lệ thuận với cường độ bức xạ chiếu sáng nên đường đặc
tính V – I của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào cường độ bức xạ chiếu sáng. Ở mỗi
tầng bức xạ chỉ thu được duy nhất một điểm làm việc V = VMPP có cơng suất lớn nhất
thể hiện như Hình 1.7. Điểm làm việc có cơng suất lớn nhất được thể hiện là điểm
chấm đen to trên Hình 1.7 (đỉnh của đường cong đặc tính).

Hình 1.7: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào cường độ bức xạ
mặt trời
Điện áp hở mạch Voc phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ nên đường đặc tính V - I
của pin mặt trời cũng phụ thuộc vào nhiệt độ của pin.


8

Hình 1.8: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt độ của pin
1.2.2. Cách ghép nối các tấm pin mặt trời:
Giả sử các module pin mặt trời đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A
giống hết nhau, các thơng số dịng ngắn mạch I SC , điện áp hở mạch VOC bằng nhau.
Giả sử cường độ chiếu sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi đó:
- Ghép nối tiếp các tấm module lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn: Dòng ngắn mạch
của hệ thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống
bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống khi mắc nối

tiếp.

Hình 1.9: Sơ đồ mắc nối tiếp các tấm pin mặt trời
- Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn hơn: Dòng ngắn
mạch của hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời
trong hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm khi mắc
song song.


9

Hình 1.10: Sơ đồ mắc song song các tấm pin mặt trời
- Hệ thống kết nối kết hợp song song và nối tiếp: Sử dụng phương thức kết nối
hệ thống kết hợp song song và nối tiếp trong hệ thống các tấm pin năng
lượng mặt trời, điều này sẽ làm tăng điện áp lẫn dịng điện được sinh ra. Ví
dụ: kết nối hệ thống 4 tấm pin năng lượng mặt trời có điện áp 12V và dịng
điện 4A theo như Hình 1.11 sẽ sản sinh ra hệ thống có điện áp 24V và dịng
điện 8A.

Hình 1.11: Sơ đồ hệ thống các tấm pin năng lượng mặt trời kết nối kết hợp song song
và nối tiếp
1.3. Các bộ biến đổi trong hệ thống pin năng lượng mặt trời
1.3.1. Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục
đích chuyển đổi nguồn một chiều khơng ổn định thành nguồn điện một chiều có thể


10
điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt
chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào

lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải.
Nhìn chung bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản là một khoá điện
tử, một cuộn cảm để giữ năng lượng, và một đi-ốt dẫn dòng.
Các bộ biến đổi DC/DC thường được chia làm 2 loại có cách ly và loại khơng
cách ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cách ly về điện tần số cao kích thước nhỏ để
cách ly nguồn điện một chiều đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp
bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại này thường được sử dụng cho các nguồn cấp
một chiều sử dụng khoá điện tử. Phổ biến nhất vẫn là mạch dạng cầu, nửa cầu. Trong
nhiều thiết bị quang điện, hệ thống làm việc với lưới thường dùng loại có cách ly về
điện vì nhiều lý do an tồn. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp
cách ly. Chúng luôn được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều. Các loại
bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
- Bộ giảm áp (buck): có thể định được điểm làm việc có cơng suất tối ưu mỗi
khi điện áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực
hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.
- Bộ tăng áp (boost): có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ
ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra
cấp cho tải trước khi đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
- Bộ đảo dấu điện áp (buck – boost): vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp.
- Việc chọn lựa loại DC/DC nào để sử dụng trong hệ PV còn tuỳ thuộc vào
yêu cầu của ắc quy và tải đối với điện áp ra của dãy panel mặt trời.
Các loại bộ biến đổi DC/DC:
- Mạch Buck:
+ Khóa K trong mạch là những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch
Buck có chức năng giảm điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa
điện tử được đóng mở với tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định
theo Cơng thức (1.3):
D

Ton

 Ton. f c
T

(1.3)

Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck
+ Điện áp ra được xác định theo công thức (1.4):

Vout  Vin .D

(1.4)
+ Công thức trên cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều
khiển hệ số làm việc D thông qua một mạch vòng hồi tiếp lấy giá trị dòng điện
nạp ắc quy làm chuẩn. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp
điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở Ton. Do đó, bộ biến đổi này cịn được biết
đến như là bộ điều chế xung PWM.


11
+ Trong 3 loại bộ biến đổi DC/DC trên, bộ Buck được sử dụng nhiều trong hệ
thống pin mặt trời nhất vì nhiều ưu điểm phù hợp với các đặc điểm của hệ pin
mặt trời.
- Mạch Boost:

Hình 1.13: Sơ đồ nguyên lý mạch tăng áp Boost
+ Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo Công thức (1.5):
Vout 

Vin
1 D

(1.5)

+ Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để
điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo điện áp của tải Vo.
- Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy.

Hình 1.14: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost
+ Từ công thức (1.5): Do D < 1 nên điện áp ra ln lớn hơn điện áp vào. Vì vậy
mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ
có thể giảm điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch
Buck – Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào.
+ Khi khóa điện tử đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong
điện cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt, điện cảm có khuynh hướng
duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Đi-ốt phân cực thuận.
Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể
nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trường hợp thì dấu
của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dịng điện đi qua điện
cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
+ Ta có cơng thức:
Vout 

Vin .D
1 D

(1.6)

+ Cơng thức (1.6) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào
tùy thuộc vào hệ số làm việc D.
 Khi D = 0.5 thì Vin = Vout

 Khi D < 0.5 thì Vin > Vout
 Khi D > 0.5 thì Vin < Vout
Nhận xét: Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên
đều bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong


12
hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng. Để điều khiển tần số đóng mở của
khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định
điểm làm việc có cơng suất lớn nhất (MPPT) sẽ được trình bày chi tiết ở phần sau.
1.3.2. Bộ biến đổi DC/AC
Bộ biến đổi DC/AC (hay còn gọi là bộ nghịch lưu): có nhiệm vụ nhận dịng
điện 1 chiều từ pin mặt trời sau đó biến đổi từ dịng điện một chiều sang dịng điện
xoay chiều. Dịng điện xoay chiều này có tần số phù hợp với hệ thống điện lưới của
nhà nước và sẽ cung cấp điện trực tiếp cho các tải tiêu thụ điện hàng ngày.
Bộ nghịch lưu được phân loại như sau:
- Theo dạng nguồn:
 Bộ nghịch lưu nguồn áp (áp nguồn DC không phụ thuộc vào tải),
 Bộ nghịch lưu nguồn dịng (dịng nguồn DC khơng thay đổi nhanh).
- Theo số pha:
 Bộ nghịch lưu một pha,
 Bộ nghịch lưu ba pha.
Luận văn này tập trung nghiên cứu về nghịch lưu ba pha nên ở đây chỉ đề cập
đến sơ đồ mạch lực nghịch lưu ba pha bao gồm ba cặp IGBT như ở Hình 1.15. Ba van
chuyển đổi trên được kích hoạt bằng cách sử dụng ba xung PWM được tạo ra và các
cơng tắc chuyển phía dưới được bật khi cho phép dùng bổ sung ba xung PWM tạo ra.

Hình 1.15: Mạch điện cơ bản của hệ thống nghịch lưu
Giả sử các van chuyển đổi được điểu khiển bằng cách chuyển đổi các biến a, a ,
b, b , c, c và tại thời điểm a = b = c = 1, sau đó a  b  c  0 và ngược lại. Vì thế, ở

trạng thái ON và OFF các van chuyển đổi có thể dùng để xác định được điện áp ra của
nghịch lưu. Mối quan hệ giữa vector của các biến chuyển đổi a b c T và các vector
điện áp dây Vab Vbc Vca T được mô tả trong công thức (1.7):
(1.7)
Sau đó, mối quan hệ giữa các biến chuyển mạch, các vector a b c T và các
vector điện áp pha Van Vbn Vcn T được mô tả trong công thức (1.8):


13
Van 
 2  1  1 a 
V
V   dc  1 2  1 b 
 bn  3 
 
Vcn 
 1  1 2   c 

(1.8)

1.4. Phương pháp tìm điểm làm việc cơng suất cực đại (MPPT)
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dị tìm điểm làm việc
có cơng suất cực đại của hệ thống pin mặt trời thơng qua việc đóng mở khóa điện tử
của bộ biến đổi DC/DC. Phương pháp MPPT được sử dụng rất phổ biến trong hệ
thống pin mặt trời làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ thống pin mặt
trời làm việc với lưới.
MPPT bản chất là thiết bị điện tử công suất ghép nối nguồn điện PV với tải để
khuếch đại nguồn công suất ra khỏi nguồn pin mặt trời khi điều kiện làm việc thay đổi,
và từ đó có thể nâng cao được hiệu suất làm việc của hệ. MPPT được ghép nối với bộ
biến đổi DC - DC và một bộ điều khiển.

Bộ điều khiển MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống. Tuy nhiên,
việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm hơn
bộ điều khiển tương tự. Thứ nhất là, bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả
năng thực hiện các thuật tốn cao cấp sẽ dễ dàng hơn. Mặt khác bộ điều khiển số
không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời
rạc, bên ngồi các thành phần tuyến tính. Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn
định lâu hơn. Khơng chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số khơng phụ thuộc vào dung sai
của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật tốn ở phần mềm, nơi mà các thơng số có
thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được. Bộ điều khiển loại này cho phép giảm số
lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều nhiệm vụ khác nhau.
Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D nhiều lần và nguồn tạo
xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị chỉ với một bộ điều khiển
đơn lẻ.
Phương pháp điều khiển MPPT được mô tả như sau: Pin quang điện (PV) có
đặc tính phi tuyến như trong Hình 1.16.

Hình 1.16: Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời


14
Trên Hình 1.16 chúng ta thấy có một điểm gọi là điểm công suất cực đại (MPPmaximum power point), là điểm mà khi hệ thống hoạt động tại điểm đó thì cơng suất
ra của PV là lớn nhất. Các yếu tố về thời tiết ảnh hưởng rất lớn tới hoạt động của PV.
Trong đó, nhiệt độ và cường độ bức xạ mặt trời là những yếu tố tiêu biểu ảnh hưởng
mạnh nhất tới đặc tính I-V dẫn tới sự thay đổi vị trí MPP của PV. Giả sử tải là một
điện trở, ta có đường đặc tính làm việc sau:

Hình 1.17: Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức xạ thay
đổi
Để tải hoạt động ở chế độ maximum công suất PV, ta cần sử dụng bộ chuyển
đổi DC – DC linh kiện đóng cắt có thể là BJT, MOSFET, IGBT… để thay đổi điện áp

và dòng điện đầu ra sao cho đặc tính tải làm việc ngay điểm có cơng suất lớn nhất.
Vậy dòng điện, điện áp ngõ ra như thế nào để đạt được công suất cực đại của PV, điều
khiển khố dịng cắt ra sao? Để đạt được đáp án này ta cần phải có thuật tốn cho hệ
MPPT. Nhưng khi hệ PV bị bóng che một phần (như bị cây cối, các tòa nhà, đám mây
che...), lúc này cường độ bức xạ, nhiệt độ trên các vị trí của dãy PV là khác nhau, do
đó các đường đặc tính I – V và P – V cũng sẽ thay đổi và có dạng như Hình 1.18.

Hình 1.18: (a) Mơ hình dãy bị bóng che, (b) Đặc tính I – V, (c) Đặc tính P – V


15
Hình 1.18 (c), có đến 3 đỉnh cơng suất, đỉnh GP (đỉnh có cơng suất lớn nhất) và
2 đỉnh local (đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất). Nhiệm vụ thuật tốn là tìm
ra điểm GP, nhưng thuật tốn thơng thường có thể khơng tìm ra chính xác điểm này,
do đó cần có một thuật tốn kết hợp để tìm ra điểm GP trong điều kiện dãy PV bị bóng
che một phần.
Những năm qua, thế giới đã phát triển và cơng bố những kỹ thuật khác nhau ở
nhiều khía cạnh. Một đánh giá được xem là hồn chỉnh trình bày 19 thuật toán liên
quan đến MPPT khác nhau. Chúng ta có thể được tìm thấy trong [34]. Trong các thuật
tốn này thì thuật tốn tạo nhiễu loạn và quan sát “Perturb and Observe” (P&O) và
thuật thoán dẫn điện gia tăng “incremental Conductance” (InCond) là phổ biến và dễ
dàng thực hiện nhất nhưng nó vẫn cịn có nhược điểm so với các kỹ thuật khác. Các kỹ
thuật khác dựa trên các nguyên tắc khác nhau là kiểm soát logic mờ (fuzzy logic
control), mạng nơ ron (neural network), điện áp phân đoạn hoặc dịng ngắn mạch, qt
dịng (current sweep).
Nhìn chung các phương pháp trên quy về ba phương thức sau:
(i) Đại lượng điều khiển là điện áp ra pin mặt trời: Do mối quan hệ Ppv (vpv),
nên công suất Ppv thay đổi tương ứng với các giá trị điện áp vpv. Nếu xác định được
giá trị điện áp vpv tại công suất lớn nhất max (Ppv) và điện áp này giữ ổn định nhờ bộ
điều khiển Ru, thì cơng suất sẽ được duy trì tại điểm làm việc này. Đây là một chiến

lược để xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất phổ biến cho pin mặt trời hiện
nay với đặc tính và sơ đồ khối điều khiển chỉ ra trong Hình 1.19.

(a)
(b)
Hình 1.19: (a). Đặc tính cơng suất Ppv (vpv) (b). Sơ đồ khối điều khiển
(ii) Đại lượng điều khiển là dịng ra pin mặt trời: Do có mối quan hệ Ppv (ipv)
nên công suất Ppv thay đổi tương ứng với các giá trị dòng điện ipv. Nếu xác định giá trị
lớn nhất tại công suất lớn nhất max (Ppv) và giá trị dòng điện này giữ ổn định nhờ bộ
điều khiển Ri, thì cơng suất sẽ được duy trì tại điểm làm việc này như Hình 1.20. Tuy
nhiên, phương pháp này có nhược điểm, do có độ dốc lớn đường đặc tính phía bên
phải nên chỉ với sự thay đổi nhỏ dòng điện ipv dẫn đến thay đổi mạnh về cơng suất,
điểu sẽ gặp nhiều khó khăn khi tính tốn với điện áp thay đổi. Do đó chiến lược này ít
được sử dụng trong thực tế để xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất.