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 không 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 GIÓ 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 cơng 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 toán điện áp không 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 mô 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

Biến tần nối lưới

PLL - Phase Lock Loop

Vịng khóa pha

NLTT

Năng lượng tái tạo

DC-DC

Biến đổi một chiều sang một
chiều

DC-AC

Biến đổi một chiều sang xoay
chiều

PR - Proportional Resonant

Cộng hưởng tỉ lệ

INC - Inremental Conductance

Thuật toán độ dẫn gia tăng

Anti Islanding

Chống cơ lập

CV - Constant Voltage

Thuật tốn điện áp khơng đổi

P&O - Perturb and Observe

Thuật toán xáo trộn và quan
sát

PC - Parasitic Capacitance
Solar Power
SOGI-Second-order generalised
integrator

Thuật toán điện dung ký sinh

Năng lượng mặt trời
Tích phân bậc 2 tổng quát

ZCD - Zero Cross Detection

Phát hiện điểm qua zero

ZCZVS - Zero current Zero Voltage
Switching.

Chuyển mạch với điện áp và
dòng điện bằng 0.

CB-PWM - Carrier Based Pulse

Điều chế độ rộng xung dựa

Width

trên sóng mang

SVM - Space Vecto Modulation

Điều chế véc tơ không gian

CC - Current Control

Điều khiển dòng điện

VC - Voltage - Control

Điều khiển điện áp

VSI - Voltage Source Inverter

Biến tần nguồn áp


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 vòng điều khiển điện áp ................................ 11
Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng 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: Cơng 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 luôn
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:
𝐷=

𝑇𝑜𝑛
𝑇

= 𝑇𝑜𝑛 . 𝑓𝐷𝐶

(1.1)

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 nguyên 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.
𝑈𝑜𝑢𝑡 = 𝑈𝑖𝑛 . 𝐷

(1.2)

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 ton. Do đó, bộ biến đổi này còn 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.
𝑈1 − 𝑈0 = 𝐿

𝑑𝐼𝐿
𝑑𝑡

(1.3)

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:
𝑈𝑜𝑢𝑡 =

𝑈𝑖𝑛

1−𝐷

(1.4)

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 công thức:
𝑉𝑜𝑢𝑡 =

𝑉𝑖𝑛 𝐷
1−𝐷

(1.5)

Công 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 khoá SW khoá khơng cho
dịng 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 C1 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:

−𝐼𝐶1 = 𝐼𝐿2

(1.6)

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:
𝐼𝐶1 = 𝐼𝐿2

(1.7)

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, công suất trung bình do nguồn cung cấp
phải bằng với cơng suất trung bình tải hấp thụ được.
Pin= Pout

(1.11)

Vs.IL1= V0.IL2

(1.12)

𝐼𝐿1

𝐼𝐿2

=

𝑉0

𝑉𝑆

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

(1.13)


10

𝑉0

Từ công thức (1.14):

𝑉𝑆

=

𝐷

1−𝐷

(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 (M1M4) và những chân kích hoạt chỉnh lưu (M5-M6) cho phép định hướng dòng 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 vịng 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

id

T1

D1

E

C

D3

Zt

a)

T4

D4

-

Ut
it

T3

T2

D2

Ut
it

E

0

1

2

3



4

i T1,2
b)



0

i D1,2

i D 3,4

i D1,2



i
0



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  2), cặp van T1, T2 dẫn điện, phụ tải được đấu vào
nguồn. Do nguồn là nguồn áp nên điện áp trên tải Ut = E (hướng dòng điện là đường
nét đậm). Tại thời điểm  = 2, 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 2. 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 D3, D4. Suất điện động
cảm ứng trên tải sẽ trở thành nguồn trả năng lượng thông qua D3, D4 về tụ C (đường
nét đứt).


14

Tương tự như vậy khi khố cặp T3, T4 dịng tải khép mạch qua D1 và D2. Đồ
thị điện áp trên tải Ut, dịng tải it, dịng qua điơt iD và dịng qua các T được biểu diễn
trên hình 1.10b.
Để tính chọn van cần tìm biểu thức dịng điện tải it, sử dụng phương pháp sóng
điều hồ cơ bản:
Phân tích dạng điện áp trên tải Ut ra chuỗi, ta có:
4E  sin(2 k  1)t
Ut 
 2k  1

 k 1

(1.15)

Nếu chỉ lấy sóng điều hồ cơ bản thì:
Ut 
it 

và

4E
 R 2t  X 2t

4E
sin t


sin(t  )  I max sin(t  )

(1.16)

X t  .L t
  arctg

Xt
Rt

Dịng trung bình qua van động lực là:


IT 

1
I m sin(t  )dt
2 

(1.17)

1

Dịng trung bình qua điơt là:


1 1
ID 
I m sin(t  )dt
2 0

(1.18)

Trong thực tế người ta thường dùng nghịch lưu áp với phương pháp điều chế
độ rộng xung (PWM) để giảm bớt kích thước của bộ lọc.
Sử dụng phương pháp sóng điều hồ cơ bản sẽ cho sai số khoảng 15%. Tuy
nhiên khi chọn van thường người ta chọn hệ số dự trữ, nên kết quả tính tốn là hợp
lý và gọn nhẹ.
Giá trị của tụ C được tính như sau:


15

C

E.Tt
(1  2 ln 2)
3R t U C

(1.19)

U C là biến thiên điện áp nguồn một chiều được tính theo đơn vị % :

Tt = Lt/Rt.
1.2.2. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha [4,5,6]
Để có điện áp 3 pha ta cần dùng cầu nghịch lưu 3 pha 6 bộ đóng ngắt và 6 diode
thu hồi năng lượng như hình 1.11:

Hình 1. 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha
Mỗi bán kỳ có số xung là 5, các xung đối xứng với đường thẳng T/4, 3T/4.
Khi điều chỉnh tần số điện áp ra, tần số xung cũng thay đổi theo nhưng phải tuân theo
quy luật: số xung lẻ và đối xứng qua trục các điểm giữa bán kỳ.

Hình 1. 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha