LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi dưới sự
hướng dẫn khoa học của PGS.TS. Ngô Văn Dưỡng Các số liệu, kết quả
nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất
kỳ công trình nào khác.

Tác giả luận văn

Đặng Mỹ Nhựt


PHỤ LỤC
MỞ ĐẦU
1.Tính cấp thiết của đề ............................................................................................1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................3
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .......................................................................3
4. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................................3
5. Bố cục đề tài........................................................................................................3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT
TRỜI, CÁC GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN PIN MẶT TRỜI
VÀ ĐIỀU KIỆN HÒA LƯỚI PHÂN PHỐI
1.1. Pin quang điện ..................................................................................................5
1.1.1. Cấu tạo .................................................................................................................5

1.1.2. Nguyên lý hoạt động ................................................................................. 6
1.1.3. Sơ đồ mạch pin PV ................................................................................... 9
1.1.4. Sơ đồ mạch pin PV khi có tính đến tổn hao ........................................... 11
1.1.5. Module PV, Array PV ............................................................................ 13
1.1.6. Các ảnh hưởng tác động của pin PV....................................................... 15
1.2. Các giải thuật điều khiển pin mặt trời ............................................................19

3.3. Mạch vòng khóa pha PLL ............................................................................. 56
3.4. Điều khiển P, Q theo phương pháp độ trượt (độ dốc) ................................... 60
3.5 . Điều khiển điện áp và dòng điện .................................................................. 65
3.6. Kết luận chương ............................................................................................ 69
CHƯƠNG 4: XÂY DỰNG MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRÊN MATLAB
SIMULINK .............................................................................................................. 70
4.1 Xây dựng mô hình trên Matlab /Simulink ................................................... 70
4.2 Kết quả mô phỏng trên Matlab/Simulink .................................................... 73
4.3 Kết luận chương ......................................................................................... 80
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.................................................................................. 81
MỤC LỤC ................................................................................................................ 82


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

- PV (Photovoltaic): Pin quang điện, biến quang năng thành điện năng.
- MPP (Maximum power point): Điểm làm việc mà tại đó công suất thu
được cực đại.
- MPPT (Maximum power point tracking): Điều khiển bám điểm công suất
cực đại.
- P&O (Perturb & Observe): Thuật toán quan sát và nhiễu loạn (biến đổi để
đạt đến điểm cực đại), còn gọi là phương pháp “Hill climbing: Leo đồi”.
- DC (Direct Current): Điện một chiều
- AC (Alternating Current): Điện xoay chiều.
- DC-DC: Bộ biến đổi điện áp một chiều
- DC-AC: Bộ biến đổi điện áp một chiều thành xoay chiều.
- FF (Fill Factor): Là hệ số lấp đầy
- PWM: (Pulse Width Modution): phương pháp điều chế độ rộng xung.
- DCM: (Droop control method): Phương pháp điều khiển độ dốc.
- VSI: (Voltage source inverter): biến tần điều khiển nguồn áp.

1-20
1-21
1-22
1-23
1-24
1-25

1-26
1-27
1-28

Tên hình

Trang

Cấu tạo của pin mặt trời.
Mô tả Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1< E2
Các vùng năng lượng.
Các vùng của pin mặt trời
Sơ đồ nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Sơ đồ mạch đơn giản của pin PV
Dòng điện ngắn mạch và điện áp hở mạch của pin PV
Đồ thị V-A và công suất pin PV
Đồ thị xác định điểm công suất cực đại (MPP)
Mô hình của pin PV thực tế có tổn hao
Đường đặc tính của pin PV có xét đến ảnh hưởng của Rs và RP
Module PV
Đường đặc tính của Module PV
Các modul PV mắc nối tiếp

14
15
15

Sơ đồ pin nối với tải qua bộ Boost

20
21

Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi cường độ bức xạ

16
16
17
17
18
18
19

19

thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
1-29

Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở
cùng một mức cường độ bức xạ

22



22
24
25
32
33
34
34
36
38
41
41
43
45

tử usα và usβ trong hệ tọa độ us αβ.
2-11

Biểu diễn vector không gian trên hệ tọa độ dq

46

2-12

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng bán cầu

47

2-13

Bộ nghịch lưu áp một pha dạng mạch cầu


53

3-1

Sơ đồ tương đương của pin mặt trời

54

3-2

Sơ đồ điều khiển bộ nghịch lưu.

55

3-3

Mô hình áp của bộ nghịch lưu

55

3-4

Sơ đồ khối của PLL

56

3-5

Sơ đồ khối SRF-PLL

Mô hình điều khiển công suất P, Q theo phương pháp

64

3-11

Sơ đồ điều khiển mạch vòng của điện áp

67

3-12

Sơ đồ điều khiển mạch vòng của dòng điện

67

3-13
4-1
4-2
4-3
4-4
4-5
4-6
4-7
4-8
4-9
4-10
4-11
4-12
4-13

Đáp ứng của tần số
Điện áp ngõ ra
Dòng điện ngõ ra
Tổng sóng hài của dòng điện
Tổng sóng hài của điện áp
Công suất ngõ ra
Đáp ứng tần số
Điện áp ngõ ra
Đáp ứng của tần số
Điện áp ngõ ra
Đáp ứng của góc đồng bộ lưới
Tổng sóng hài của dòng điện
Tổng sóng hài của điện áp

68
70
70
71
71
71
72
72
72
73
73
73
74
74
75
75

có 15 quốc gia tham gia vào việc thúc đẩy năng lượng tái tạo thì đến năm 2013 có
thêm 95 quốc gia, trong đó các nước phát triễn năng lượng tái tạo: Trung Quốc,
Mỹ, Brazin, Canada và Đức. Năng lượng tái tạo chiếm 19% tổng năng lượng tiêu
thụ toàn cầu (năm 2012). Ở Việt Nam tổng công suất 1215 MW chiếm 3.4% năng
lượng toàn quốc (năm 2015 – năng lượng Việt Nam).
Năng lượng mặt trời là một trong những nguồn năng lượng tái tạo quan trọng
nhất của hành tinh chúng ta, đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các loại năng
lượng tái tạo khác như: năng lượng gió, năng lượng sinh khối vì vậy việc nghiên
cứu và sử dụng năng lượng mặt trời là một trong những hướng phát triển được
nhiều sự quan tâm vì có những tính chất ưu điểm của nó như: có sẵn, siêu sạch và
vô tận. Do đó năng lượng mặt trời được nhiều nước trên thế giới khai thác và sử
dụng như: Đức tổng điện năng mặt trời 35.65 Gwp (Gigawatt) chiếm tỉ lệ 5.3%
tổng điện năng quốc gia, Ý : 18Gwp chiếm tỷ lệ 9% tổng điện năng, Trung Quốc:
17.7Gwp chiếm tỷ lệ 0.1% tổng điện năng, Nhật: 11.86 Gwp chiếm tỷ lệ 0.8% và
Mỹ: 11.42Gwp chiếm tỷ lệ 0.3% ( theo báo cáo REN 21 năm 2013). Ở Việt Nam,


2

năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với cường độ bức xạ nhiệt trung bình
5kWh/m2, với khoảng 2000 ÷ 5000h nắng/năm và khai thác 3 MW chiếm tỷ lệ
0.008% năng lượng toàn quốc (năm 2015 – năng lượng Việt Nam).
Con người biết khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời từ rất lâu để sản
xuất điện năng theo hai công nghệ: công nghệ hội tụ năng lượng mặt trời CSP
(concentrated solar power) và công nghệ quang điện SPV (solar photovoltaic).
+ Công nghệ CSP hay còn gọi là công nghệ nhiệt năng mặt trời STE (solar
thermal enery) sử dụng một hệ thống nhiều ống kính, gương phản chiếu và các hệ
thống theo dõi nhằm tập trung ánh sáng mặt trời từ một khu vực rộng lớn vào một
diện tích nhỏ, ở đây nước hay chất lỏng khác chứa trong ống hay trong bể được
làm nóng lên đến vài trăm độ tạo thành dòng hơi nước làm quay tubin để sản xuất

mạch lọc thông thấp, điều khiển theo độ dốc và bộ biến đổi dòng điện và
điện áp.
- Nghiên cứu mô phỏng hòa đồng bộ lưới
4. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu các bài báo, sách và tạp chí về cấu tạo, nguyên lý hoạt động hệ
thống pin năng lượng mặt trời
- Nghiên cứu lý thuyết và tìm hiểu về hệ thống điều khiển hòa đồng bộ.
- Tìm hiểu đặc điểm của lưới điện phân phối.
- Tính toán, thiết kế bộ điều khiển đấu nối hệ thống điều khiển đấu nối hệ
thống pin mặt trời vào lưới phân phối.
- Xây dựng mô hình mô phỏng trên phần mềm Matlab Simulik để chứng
minh, đánh giá, rút kinh nghiệm và kết luận.
5. Bố cục đề tài.
Bố cục của đề tài được tổ chức như sau:
- Mở đầu: Tính cấp thiết của đề tài, mục tiêu nghiên cứu, đối tượng và phạm
vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu, bố cục đề tài.
- Chương 1: Tổng quan về hệ thống pin mặt trời, các giải thuật điều khiển
pin mặt trời và điều kiện hòa lưới phân phối.
- Chương 2: Nghiên cứu các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển
nguồn pin mặt trời.


4

 

- Chương 3: Tính toán thiết kế về bộ điều khiển hòa đồng bộ hệ thống pin
mặt trời vào lưới điện.
- Chương 4: Kết quả mô phỏng trên Matlab Simulink.
- Kết luận và hướng phát triển đề tài.

thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.
Có thể nói pin PV là sự ngược lại của diode quang. Diode quang nhận điện năng tạo
thành ánh sáng, thì PV nhận ánh sáng tạo thành điện năng.


6

 

1.1.2. Nguyên lý hoạt động
Pin mặt trời làm việc theo nguyên lý là biến đổi trực tiếp năng lượng bức xạ trở
thành điện năng nhờ hiệu ứng quang điện.

Hình 1-2. Mô tả Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
 Hiệu ứng quang điện.
Xét một hệ gồm 2 mức năng lượng điện tử như hình 1-3 với E1< E2
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1. Khi chiếu sáng vào hệ
thống, lượng tử ánh sáng (photon) mang một năng lượng là h  (h là hằng số Plank và 
là tần số ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.

Hình 1-3. Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1< E2
Phương trình cân bằng năng lượng:
h  = E1 - E2

Trong các vật rắn, do tương tác rất mạnh của mạng tinh thể lên điện tử vành ngoài,
nên các năng lượng của nó bị tách ra nhiều mức năng lượng con rất sát nhau và tạo thành
vùng năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân
bằng gọi là vùng hoá trị mà bên trên của nó có năng lượng EV. Vùng năng lượng phía



8

 

 Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên
lớp tiếp xúc p-n.

Hình 1-5. Các vùng của pin mặt trời
Khi một photon chạm vào mảnh silic, một trong hai điều sau sẽ xảy ra:
- Photon truyền xuyên qua mảnh silic. Điều này thường xảy ra khi năng lượng của
photon thấp hơn, nó đủ để đưa các hạt electron lên mức năng lượng cao hơn.
- Năng lượng của photon được hấp thụ bởi silic. Điều này thường xảy ra khi năng
lượng của photon lớn hơn năng lượng để đưa electron lên mức năng lượng cao hơn.
Khi photon được hấp thụ, năng lượng của nó được truyền đến các hạt electron trong
màng tinh thể.Thông thường các electron này lớp ngoài cùng, và thường được kết dính
với các nguyên tử lân cận vì thế không thể di chuyển xa. Khi electron được kích thích, trở
thành dẫn điện, các electron này có thể tự do di chuyển trong bán dẫn. Khi đó nguyên tử
sẽ thiếu 1 electron và đó gọi là lỗ trống.Lỗ trống này tạo điều kiện cho các electron của
nguyên tử bên cạnh di chuyển đến điền vào lỗ trống, và điều này tạo ra lỗ trống cho
nguyên tử lân cận có "lỗ trống".Cứ tiếp tục như vậy lỗ trống di chuyển xuyên suốt mạch
bán dẫn.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng luợng đủ để kích thích electron lớp
ngoài cùng dẫn điện.Tuy nhiên, tần số nhiệt độ của mặt trời thường tương đương 60000K,
vì thế nên phần lớn năng lượng mặt trời đều được hấp thụ bởi silic.
Tuy nhiên hầu hết năng lượng mặt trời chuyển đổi thành năng lượng nhiệt nhiều
hơn là năng lượng điện sử dụng được.


9


q
I
 0


(1.1)

I0 : dòng điện ngược của Diode
q : điện tích electron
k : hằngsố Boltzman
T : nhiệt độ tuyệt đối (K)



I  I SC  I 0 e qV / kT  1



(1.2)

Trong điều kiện môi trường là 250C
I = ISC–(I0 e38,9-1)

(1.3)

VOC = 0.0257 ln  I SC  1
I




FF = ( Vm.Im)/( VOC.ISC)

(1.5)

Hình 1-10. Đồ thị xác định điểm công suất cực đại (MPP)
1.1.4. Sơ đồ mạch pin PV khi có tính đến tổn hao
Cũng như diode pin PV trong thực tế luôn có tổn hao, đặc trưng cho sự tổn hao này
là các thông số RS và RP.


12

 

Hình 1-11. Mô hình của pin PV thực tế có tổn hao

Phương trình đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của RS và RP

 q. V  I.RS    V  I.R 
S
I  ISC  I 0  e kT  1  


  R P  (A)



(1.6)

Trong đó:


Hình 1-14. Đường đặc tính của Module PV
Điện áp của module PV:
VModule = n (Vd – IRs )
Với:

n là Số pin mắc nối tiếp

(1.7)


14

 

Vd là điện áp của 1 pin (V)
b. Array PV
Giả sử các module đều giống hệt nhau, có đường đặc tính V-A giống nhau, các
thông số dòng ngắn mạch ISC, 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.

Hình 1-15. Các modul PV mắc nối tiếp
-

Ghép song song các tấm module lại sẽ cho dòng điện ra lớn.

Hình 1-16. Các modul PV mắc song song

 

a) Tất các pin được chiếu sáng

b) 1 pin đầu bị bóng râm

Hình 1-19. Hiện tượng một pin PV bị bóng râm
Đặc tính của toàn bộ Array (PV) sẽ bị thay đổi nghiêm trọng nếu không có biện
pháp bảo vệ:

Hình 1-20. Đặc tính PV khi một pin bị bóng râm
Với:

V 

V
 IRp
n

Nhiều pin PV bị che:

(1.8)


 

17

Hình 1-21. Đặc tính PV khi nhiều pin bị bóng râm
Để bảo vệ pin PV ít bị ảnh hưởng bởi hiện tượng bóng râm, người ta sử dụng

đặc tính (V,I) của pin PV là 3,3 A. Khi có hiện tượng bóng râm che một module PV, lúc
đó module này không còn là nguồn phát nữa, dòng điện sẽ chạy qua điện trở song song
Rp của module này tạo một áp rơi ΔV = I x Rp , áp rơi ΔV này cộng với 65 V của ắcqui