Luận văn thạc sĩ nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ thống lai điện gió và điện mặt trời nối lưới​

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THƠNG

BÙI THỊ HUYỀN TRANG

NGHIÊN CỨU THUẬT TỐN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM
VIỆC CĨ CƠNG SUẤT CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG LAI ĐIỆN GIÓ
VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

Ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

Thái Nguyên - 2020


ii

LỜI CAM ĐOAN
Tên tôi là: Bùi Thị Huyền Trang
Sinh ngày: 16 tháng 12 năm 1989
Học viên lớp CĐK17A – KTĐK&TĐH, Trường Đại học Công nghệ thông
tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên.
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tơi. Các số liệu

nêu trong luận văn là trung thực. Những kết luận trong luận văn chưa từng được
cơng bố trong bất kỳ cơng trình nào. Mọi thơng tin trích dẫn trong luận văn đều
chỉ rõ nguồn gốc.
Tác giả luận văn

Bùi Thị Huyền Trang


iii

LỜI CẢM ƠN
Tơi xin trân trọng bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS.TS Lại Khắc
Lãi - người đã hướng dẫn, giúp đỡ tơi hồn thành luận văn thạc sĩ này.
Tôi xin trân thành cảm ơn ác thầy cơ giáo ở Khoa cơng nghệ tự động hóa
trường đại học công nghệ thông tin và truyền thông thái nguyên đã đóng góp
nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tơi hồn thành luận văn.
Tơi xin chân thành cảm ơn Phòng Đào Tạo, các phòng ban, Khoa sau đại học,
Xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường đại học công nghệ thông tin và
truyền thông Thái Nguyên đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để
tơi hồn thành khóa học.
Tác giả luận văn

Bùi Thị Huyền Trang


iv

MỤC LỤC
Lời cam đoan............................................................................................................ii
Lời cảm ơn..............................................................................................................iii

Mục lục................................................................................................................................................... iv
Danh mục chữ viết tắt....................................................................................................................... ix
Danh mục hình vẽ và đồ thị......................................................................................................... viii
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI..........4
1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC).......................................................4
1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC.......................................................................4
1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li..................................................................4
1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly..................................................................... 10
1.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC..................................................................... 11
1.2. BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter)...............12
1.2.1. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha................................. 12
1.2.1.1. Cấu tạo....................................................................................................... 12
1.2.1.2. Nguyên lý làm việc.................................................................................... 13
1.2.2. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha.................................... 15
1.3. Các phép chuyển đổi........................................................................................ 16
1.3.1. Các hệ trục tọa độ......................................................................................... 16
1.3.2. Các phép chuyển đổi..................................................................................... 18
1.3.2.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha.......................................................... 18
1.3.2.2. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha................................................ 21
1.4. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)..............................22
1.4.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM)..............................23
1.4.2. Điều chế véc tơ khơng gian (SVM).............................................................. 24
1.5. Điều khiển bộ chuyển đổi DC-AC................................................................... 25
1.5.1. Bộ điều khiển PI............................................................................................ 26
1.5.2. Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)......................26
1.5.3.Bộ điều khiển phản hồi trạng thái.................................................................. 27
1.6. Vấn đề hòa nguồn điện với lưới....................................................................... 28


v

1.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ............................................................................ 28
1.6.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới.............................................................. 29
1.7. Kết luận chương 1............................................................................................ 30
CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIĨ VÀ ĐIỆN MẶT TRỜI.....31
2.1. Năng lượng gió và năng lượng mặt trời........................................................... 31
2.1.1. Năng lượng mặt trời...................................................................................... 31
2.1.1.1. Cấu trúc của mặt trời.................................................................................. 31
2.1.1.2. Năng lượng mặt trời................................................................................... 32
2.1.2. Năng lượng điện gió...................................................................................... 33
2.1.2.1. Sử dụng điện năng từ gió........................................................................... 33
2.1.2.2. Công suất lắp đặt trên thế giới.................................................................... 35
2.2. Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lượng gió và mặt trời.................................. 35
2.2.1. Thiết bị sấy khô dùng năng lượng mặt trời.................................................... 35
2.2.2. Thiết bị chưng cất nước sử dụng năng lượng mặt trời................................... 36
2.2.3. Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời........................................... 36
2.2.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời................................................................ 37
2.2.5. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời........................................38
2.2.6. Thiết bị làm lạnh và điều hịa khơng khí dùng năng lượng mặt trời..............39
2.2.7. Cối xay gió.................................................................................................... 40
2.3. Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời..................................................... 41
2.3.1. Sơ đồ khối hệ thống...................................................................................... 41
2.3.2. Pin mặt trời................................................................................................... 41
2.3.2.1. Khái niệm................................................................................................... 41
2.3.2.2. Mơ hình tốn và đặc tính làm việc của pin mặt trời...................................42
2.3.3. Tuabin gió và máy phát điện......................................................................... 45
2.3.3.1. Cấu trúc chung của tuabin gió.................................................................... 45
2.3.3.2. Mơ hình hóa tuain gió (WT) và máy phát cảm ứng.................................... 47
2.3.3.3.Điều khiển điện gió..................................................................................... 48
2.4. Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời làm việc độc lập..................................49

2.4.1. Sơ đồ khối hệ thống...................................................................................... 49
2.4.2. Đặc điểm và phạm vi ứng dụng..................................................................... 50


vi

2.5. HỆ THỐNG TÍCH HỢP ĐIỆN GIĨ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI...................51
2.5.1. Sơ đồ khối hệ thống...................................................................................... 51
2.5.3. Các nhiệm vụ điều khiển trong hệ thống...................................................... 51
2.6. Kết luận chương 2............................................................................................ 52
CHƯƠNG 3: ĐIỀU KHIỂN BÁM ĐIỂM LÀM VIỆC TỐI ƯU CỦA HỆ
THỐNG ĐIỆN GIÓ VÀ MẶT TRỜI NỐI LƯỚI.............................................. 53
3.1. Ý nghĩa việc xác định điểm làm việc có công suất cực đại (MPPT)................53
3.1.1. Ý nghĩa của MPPT đối với mặt trời.............................................................. 53
3.1.2. Ý nghĩa của MPPT đối với điện gió.............................................................. 55
3.2. Thuật tốn mppt cho hệ thống chuyển đổi năng lượng mặt trời.......................56
3.2.1. Thuật tốn điện áp khơng đổi (CV – Constant Voltage)................................ 56
3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe).....................57
3.2.3. Thuật toán điện dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance).....................57
3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance)...........................58
3.2.5. MPPT ứng dụng logic mờ............................................................................. 59
3.3. Thuật tốn mppt đối với điện gió..................................................................... 62
3.3.1. Phương pháp điều khiển TSR........................................................................ 62
3.3.2. Phương pháp điều khiển PSF........................................................................ 62
3.3.3. Phương pháp điều khiển leo đồi.................................................................... 63
3.3.4. MPPT cho turbine gió sử dụng máy phát điện đồng bộ kích thích vĩnh cửu 64
3.4. Kết quả mơ phỏng............................................................................................ 67
3.4.1. Sơ đồ và kịch bản mô phỏng......................................................................... 67
3.4.3. Nhận xét........................................................................................................ 70
3.5. Kết luận chương 3............................................................................................ 70

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.............................................................................. 71
1. Kết luận............................................................................................................... 71
2.Kiến nghị............................................................................................................. 71
TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................... 72


vii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Inverter Grid Tie hoặc Inverter On
Grid
PLL - Phase Lock Loop
NLTT
DC-DC

DC-AC
PR - Proportional Resonant
INC - Inremental Conductance
Anti Islanding
CV - Constant Voltage
P&O - Perturb and Observe
PC - Parasitic Capacitance
Solar Power
SOGI-Second-order generalised
integrator
ZCD - Zero Cross Detection
ZCZVS - Zero current Zero Voltage
Switching.
CB-PWM - Carrier Based Pulse

Width
SVM - Space Vecto Modulation


CC - Current Control
VC - Voltage - Control
VSI - Voltage Source Inverter


viii

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1. 1 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck..............................................................5
Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost............................................................6
Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost................................................7
Hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk...........................................................................8
Hình 1. 5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thơng dịng...........................8
Hình 1. 6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng............................................9
Hình 1. 7: Bộ chuyển đổi DC – DC có cách ly............................................... 10
Hình 1. 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển điện áp................................ 11
Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dịng điện............................12
Hình 1. 10: Nghịch lưu áp cầu một pha và đồ thị............................................ 13
Hình 1. 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha....................................................... 15
Hình 1. 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha................15
Hình 1. 13: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ............................19
Hình 1. 14: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq....................20
Hình 1. 15: Cấu trúc của SOGI....................................................................... 22
Hình 1. 16: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin...................23
Hình 1. 17: Biểu diễn véc tơ khơng gian của điện áp ra..................................24

Hình 2. 1: Cấu trúc mặt trời............................................................................ 32
Hình 2. 2: Cối xay gió..................................................................................... 34
Hình 2. 3: Thiết bị sấy khơ dùng năng lượng mặt trời..................................... 35
Hình 2. 4: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT............................................. 36
Hình 2. 5: Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời............................36
Hình 2. 6: Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời................................................. 37
Hình 2. 7: Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT............................................. 38
Hình 2. 8: Thiết bị làm lạnh và điều hịa khơng khí dùng năng lượng mặt
trời................................................................................................................... 39
Hình 2. 9: Cối xay gió..................................................................................... 40
Hình 2. 10: Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời.................................41
Hình 2. 11: Mạch tương đương của modul PV................................................ 43


ix

Hình 2. 12: Quan hệ I(U) và P(U) của PV...................................................... 44
Hình 2. 13: a, b, c, d : Họ đặc tính của PV...................................................... 44
Hình 2. 14: Cấu tạo tuabin gió truc ngang....................................................... 46
Hình 2. 15: Tuabin gió với tốc độ thay đổi có bộ biến đổi nối trực tiếp..........47
Hình 2. 16: Sơ đồ mơ phỏng tuabin gió.......................................................... 48
Hình 2. 17: Chỉnh lưu cầu kép........................................................................ 48
Hình 2. 18: Sơ đồ khối chức năng điều khiển tuabin gió................................. 49
Hình 2. 19: Hệ thống năng lượng mặt trời độc lập.......................................... 50
Hình 2. 20: Hệ thống tích hợp điện gió và mặt trời nối lưới...........................51
Hình 2. 21: Sơ đồ khối hệ thống tích hợp năng lượng gió và mặt trời............52
Hình 3. 2: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời........................................ 54
Hình 3. 1: Quan hệ I(U) và P(U) của PV........................................................ 53
Hình 3. 3: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP..............54
Hình 3. 4: Sự thay đổi cơng suất turbine theo tốc độ gió................................. 55

Hình 3. 5: Quan hệ P(U) của tấm pin PV........................................................ 56
Hình 3. 6: Lưu đồ thuật tốnP&O................................................................... 57
Hình 3. 7: Lưu đồ thuật tốn INC................................................................... 58
Hình 3. 8: Quan hệ P-U của tấm PV............................................................... 59
Hình 3. 9: Hàm liên thuộc của các tập mờ đầu vào (E, DE)............................61
Hình 3. 10: Hàm liên thuộc đầu ra (D)............................................................ 61
Hình 3. 11: Điều khiển tốc độ đầu cánh của WECS........................................ 62
Hình 3. 12: Phương pháp PSF......................................................................... 63
Hình 3. 13: Nguyên tắc điều khiển HCS......................................................... 63
Hình 3. 14: WECS với thuật tốn leo đồi........................................................ 64
Hình 3. 15: PMSG hệ thống chuyển đổi năng lượng gió.................................64
Hình 3. 16: Lưu đồ thuật tốn bộ điều khiển MPPT........................................ 66
Hình 3. 17: Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới..........................67
Hình 3. 18: Điện áp một chiều trên DC-bus (UDC-bus).....................................69
Hình 3. 19: Công suất hệ thống Win-Solar

và công suất Inverter bơm vào

lưới.................................................................................................................. 69


x

Hình 3. 20: Đường cong điện áp và dịng điện 1 pha của Inverter..................70


1

LỜI MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài.

Hiện nay các nguồn năng lượng truyền thống như: dầu mỏ, khí đốt tự
nhiên và than đá đang ngày một cạn kiệt, chỉ có thể đáp ứng nhu cầu năng lượng
của chúng ta thêm 50-70 năm nữa. Vì vậy, cần phải tìm kiếm các nguồn năng lượng
mới để thay thế. Giải pháp hiện nay là nghiên cứu sử dụng nguồn năng lượng tái
tạo.
Năng lượng tái tạo tiêu biểu là năng lượng gió và năng lượng mặt trời là nguồn
năng lượng sạch và vô hạn mà thiên nhiên ban tặng cho con người. Việt Nam với lợi
thế là một trong những nước nằm trong dải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất
trong năm trên bản đồ bức xạ của thế giới, với bờ biển dài hơn 3.000 km và lượng
gió tại nhiều vùng miền rất dồi dào, chúng ta cần nghiên cứu, tiếp cận những công
nghệ mới hơn, hiện đại hơn để đưa chúng trở thành nguồn cung cấp năng lượng
chính trong tương lai.
Xu hướng khai thác và sử dụng nguồn năng lượng tái tạo chủ yếu hiện nay là
chuyển chúng thành điện năng làm việc độc lập, hòa vào lưới điện cục bộ (vi lưới)
hoặc hòa lưới điện quốc gia. Do đặc điểm nguồn năng lượng gió và mặt trời ln
ln thay đổi theo thời gian trong ngày, theo mùa, … nên việc xác định và duy trì
điểm làm việc tối ưu cho chúng tại mỗi thời điểm là rất cần thiết.
Việt Nam có tiềm năng phát triển các nguồn Năng lượng tái tạo sẵn có của
mình. Những nguồn Năng lượng tái tạo có thể khai thác và sử dụng trong thực tế đã
được nhận diện đến nay gồm: thủy điện nhỏ, năng lượng gió, năng lượng sinh khối,
năng lượng khí sinh học (KSH), nhiên liệu sinh học, năng lượng từ nguồn rác thải
sinh hoạt, năng lượng mặt trời, và năng lượng địa nhiệt.
Năng lượng gió: Được đánh giá là quốc gia có tiềm năng phát triển năng lượng
gió nhưng hiện tại số liệu về tiềm năng khai thác năng lượng gió của Việt Nam chưa
được lượng hóa đầy đủ bởi còn thiếu điều tra và đo đạc. Số liệu đánh giá về tiềm năng
năng lượng gió có sự dao động khá lớn, từ 1.800MW đến trên 9.000MW, thậm chí


2

trên 100.000MW. Theo các báo cáo thì tiềm năng năng lượng gió của Việt Nam tập
trung nhiều nhất tại vùng duyên hải miền Trung, miền Nam, Tây Nguyên và các đảo.
Năng lượng mặt trời: Việt Nam có tiềm năng về nguồn năng lượng mặt trời, có
thể khai thác cho các sử dụng như: (i) Đun nước nóng, (ii) Phát điện và (iii) Các ứng
dụng khác như sấy, nấu ăn... Với tổng số giờ nắng cao lên đến trên 2.500 giờ/năm, tổng
lượng bức xạ trung bình hàng năm vào khoảng 230-250 kcal/cm2 theo hướng tăng dần
về phía Nam là cơ sở tốt cho phát triển các công nghệ năng lượng mặt trời.

So với nhiều nước trên thế giới, những kết quả nêu trên còn quá nhỏ bé và
chưa phát huy hết tiềm năng hiện có. Để đáp ứng nhu cầu trong khi việc cung ứng
năng lượng đang và sẽ phải đối mặt với nhiều vấn đề và thách thức, đặc biệt là sự
cạn kiệt dần nguồn nhiên liệu hóa thạch nội địa, giá dầu biến động theo xu thế tăng
và Việt Nam sẽ sự phụ thuộc nhiều hơn vào giá năng lượng thế giới..., Chính vì vậy,
việc xem xét khai thác nguồn Năng lượng tái tạo trong giai đoạn tới sẽ có ý nghĩa
hết sức quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và bảo vệ môi trường.
Vấn đề này đã được Chính phủ quan tâm, chỉ đạo và bước đầu đã được đề cập trong
một số các văn bản pháp lý. Trong bối cảnh nhu cầu năng lượng của Việt Nam ngày
một gia tang, khả năng cung cấp các nguồn năng lượng nội địa hạn chế trong khi
tiềm năng nguồn Năng lượng tái tạo của Việt Nam rất lớn kèm theo nhu cầu sử dụng
điện và nhiệt cho sản xuất cao thì việc xem xét khai thác nguồn Năng lượng tái tạo
sãn có cho sản xuất điện, đồng phát năng lượng là rất khả thi cả về công nghệ lẫn
hiệu quả kinh tế và môi trường.
2. Ý nghĩa khoa học của đề tài.

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu tham khảo bổ ích để xây dựng hệ thống lai
điện gió và điện mặt trời nối lưới luôn làm việc ở chế độ tối ưu mặc dầu có sự thay
đổi liên tục của điều kiện mơi trường như gió, bức xạ mặt trời, nhiệt độ, v,v…
3. Mục tiêu nghiên cứu.

Xây dựng hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời nối lưới 3 pha.
Nghiên cứu một số thuật tốn xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ
thống lai điện gió và điện mặt trời nối lưới .


3

4. Đối tượng nghiên cứu.

Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời nối lưới 3 pha.
5. Phương pháp nghiên cứu.

Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng các thuật tốn điều khiển.
Mơ hình hóa, mơ phỏng để kiểm nghiệm và đánh giá các thuật toán đề xuất.
6. Bố cục luận văn.

Chương 1: Tổng quan về lý thuyết sử dụng trong đề tài.
Chương 2 : Hệ thống tích hợp điện gió và điện mặt trời.
Chương 3: Điều khiển bám điểm làm việc tối ưu của hệ thống điện gió và điện
mặt trời nối lưới.


4

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC)
1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp
một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường

400V). Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám
điểm công suất cực đại cho hệ thống.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách
ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng 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 và cho hệ thống lai. 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)
Bộ tăng áp (boost)
Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk
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.
1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li
a) Mạch Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên hình 1.1 [1,2]. Khóa K trong mạch là
những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm


5

điện áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor được đóng mở với
tần số cao. Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo cơng thức sau:
=

Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, f DC tần số
đóng cắt.

Hình 1. 1 Sơ đồ ngun lý mạch Buck
Trong thời gian mở, khóa K thơng cho dịng đi qua, điện áp một chiều được
nạp vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng,
khóa K đóng lại khơng cho dịng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0.
Tuy nhiên tải vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng
và tụ điện do Diode khép kín mạch. Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu
giữ năng lượng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
= .

Cơng thức (1.2) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều
khiển hệ số làm việc. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều
chỉnh độ rộng xung thời gian mở t on. Do đó, bộ biến đổi này cịn được biết đến như
là bộ điều chế xung PWM.
Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất. Bộ Buck
cũng thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dịng vào khơng
liên tục vì khóa điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt.
Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy. Dịng
cơng suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử.


6

Bộ Buck có thể làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ
bức xạ. Nhưng bộ này sẽ khơng làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn
ngưỡng điện áp nạp ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống
thấp. Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần
tăng áp.

b) Mạch Boost
Sơ đồ nguyên lý mạch Boost như hình 1.2 [1,2]

Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng
L. Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (t on) cuộn kháng
tích năng lượng, khi K đóng (t off) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua Điốt tới
tải.

1

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra.
Khi khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dịng điện
cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được
tính theo:
=

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 thế của tải Vo.


7

c) Mạch Buck – Boost
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.3 [1,2]

Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck - Boost
Từ công thức (1.4): 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 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 Điôt 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:
=

Cơng thức (1.5) 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 Uin = Uout;
Khi D < 0.5 thì Uin > Uout;
Khi D > 0.5 thì Uin < Uout


8

d) Mạch Cuk
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.4

Hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk
Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cuk dùng một tụ điện để lưu giữ
năng lượng vì vậy dịng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cuk ít gây tổn hao trên khoá điện tử
hơn và cho hiệu quả cao. Nhược điểm của Cuk là điện áp ra có cực tính ngược với điện
áp vào nhưng bộ Cuk cho đặc tính dịng ra tốt hơn do có cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính
từ ưu điểm chính này của Cuk (tức là có đặc tính dịng vào và dịng ra tốt)

Ngun lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục. Ở trạng thái ổn định,

điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchôp ở vịng
mạch ngồi cùng hình vẽ 1.4 ta có:
VC1= VS + V0
Giả sử tụ C1 có dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ khơng gợn sóng mặc dù
nó lưu giữ và chuyển một lượng năng lượng lớn từ đầu vào đến đầu ra.
Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào được cấp và khố SW khố khơng cho
dòng chảy qua. Điốt D phân cực thuận, tụ C1 được nạp. Hoạt động của mạch được
chia thành 2 chế độ.
Chế độ 1: Khi khố SW mở thơng dịng, mạch như ở hình vẽ 1.5 [1,2]

Hình 1. 5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thơng dịng


9

Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngược và Điốt khố. Tụ C 1 phóng
sang tải qua đường SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng dịng
điện trên cuộn cảm khơng gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:
−

Chế độ 2: Khi SW khố ngăn khơng cho dịng chảy qua, mạch có dạng như hình
vẽ 1.6 [1,2]

Hình 1. 6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng
Tụ C1 được nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1. Năng lượng lưu trên cuộn
cảm L2 được chuyển sang tải qua đường D, C2, và R tải. Vì vậy ta có:

Để hoạt động theo chu kỳ, dịng điện trung bình của tụ là 0. Ta có:
(1.8)
(1.9)

(1.10)
Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khoá SW (0 < D < 1) và T là chu kỳ đóng cắt.
Giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, cơng suất trung bình do nguồn cung cấp

phải bằng với cơng suất trung bình tải hấp thụ được.
Pin= Pout
Vs.IL1= V0.IL2

Kết hợp công thức (1.10) và (1.13) vào ta có:


0

Từ công thức (1.14):
Nếu 0 < D < 0.5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào.
Nếu D = 0.5: Đầu ra bằng đầu vào.
Nếu 0.5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào.
Từ công thức (1.14) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến
đổi DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW.
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 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 chương tiếp sau.
1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly
Bộ chuyển đổi DC-DC được mơ tả trong hình 1.7 [3]. Bộ chuyển đổi bao
gồm một tụ lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), sáu điôt xoay
tự do, hai điôt chỉnh lưu, D1 và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến áp bằng K và
một tụ hóa C2.

Hình 1. 7: Bộ chuyển đổi DC – DC có cách ly
Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lưới, nâng cao
độ an toàn cho tồn hệ thống. Điện cảm rị (Lk) được sử dụng như 1 phần tử chuyển
đổi nguồn, loại bỏ những vấn đề quá áp thiết bị và cần thiết cho sự chống rung các


11

bảng mạch. Sự điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa những chân cầu vào (M 1M4) và những chân kích hoạt chỉnh lưu (M 5-M6) cho phép định hướng dịng điện
của biến áp, vì vậy đạt được chuyển đổi với điện áp và dòng điện bằng 0 (Zero
current Zero Voltage Switching - ZCZVS).
1.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC
Để điều khiển bộ biến đổi DC-DC, có thể sử dụng mạch vòng điều khiển
điện áp hoặc mạch vòng điều khiển dòng điện.
a,Mạch vòng điều khiển điện áp
Sơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (RU) như hình 1.8 [2]. Điện áp ra ở đầu
cực của pin được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ. Nó duy trì điểm làm việc
của cả hệ sát với điểm làm việc có cơng suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp
của pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu.
Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:
-

Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời.

-

Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng.
Vì vậy, phương pháp điều khiển này chỉ thích hợp dưới điều kiện độ bức xạ

ổn định, chẳng hạn như hệ thống vệ tinh, vì nó khơng thể tự động xác định điểm
làm việc tối ưu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi.

Hình 1. 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp
b,Mạch vòng điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều khiển dòng điện được chỉ ra trên hình 1.9 [2]. Phương pháp này
chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển là dòng điện.


12

Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển dòng điện
1.2. BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter)
1.2.1. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha
Nghịch lưu áp là thiết bị biến đổi nguồn áp một chiều thành nguồn áp xoay
chiều với tần số tuỳ ý.
Nguồn áp vẫn là nguồn được sử dụng phổ biến trong thực tế. Hơn nữa điện
áp ra của nghịch lưu áp có thể điều chế theo phương pháp khác nhau để có thể giảm
được sóng điều hồ bậc cao. Trước kia nghịch lưu áp bị hạn chế trong ứng dụng vì
cơng suất của các van động lực điều khiển hồn tồn cịn nhỏ. Hơn nữa việc sử
dụng nghịch lưu áp bằng tiristo khiến cho hiệu suất của bộ biến đổi giảm, sơ đồ điều
khiển phức tạp. Ngày nay công suất các van động lực như: IGBT, GTO càng trở lên
lớn và có kích thước gọn nhẹ, do đó nghịch lưu áp trở thành bộ biến đổi thông dụng
và được chuẩn hố trong các bộ biến tần cơng nghiệp. Do đó sơ đồ nghịch lưu áp
được trình bày sau đây sử dụng van điều khiển hồn tồn.
Trong q trình nghiên cứu ta giả thiết các van động lực là các khố điện tử
lý tưởng, tức là thời gian đóng và mở bằng không, nên điện trở nguồn bằng không.
1.2.1.1. Cấu tạo
Sơ đồ nghịch lưu áp một pha được mô tả trên hỉnh 1.10 a. Sơ đồ gồm 4 van
động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất

phản kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho đầu vào là nguồn hai
chiều (nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo


13

một chiều). Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải,
đồng thời tụ C còn đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguồn áp (giá trị C càng lớn nội
trở của nguồn càng nhỏ, điện áp đầu vào được san phẳng).

+

it

E

a)

U
t

i
t

0

i

b)

Hình 1. 10: Nghịch lưu áp cầu một pha và đồ thị
1.2.1.2. Nguyên lý làm việc
Ở nửa chu kỳ đầu tiên (0 ÷ θ2), cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào

nguồn. Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải U t = E (hướng dòng điện là đường
nét đậm). Tại thời điểm θ = θ2, T1 và T2 bị khoá, đồng thời T3 và T4 mở ra. Tải sẽ
được đấu vào nguồn theo chiều ngược lại, tức là dấu điện áp ra trên tải sẽ đảo chiều
và Ut = -E tại thời điểm θ2. Do tải mang tính trở cảm nên dịng vẫn giữ ngun theo
hướng cũ, T1, T2 đã bị khố, nên dịng phải khép mạch qua D 3, D4. Suất điện động
cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D 3, D4 về tụ C (đường
nét đứt).