MỤC LỤC
MỤC LỤC ............................................................................................................. 1
LỜI MỞ ĐẦU ...................................................................................................... 3
CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI ......................... 4
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời.......................................................................... 4
1.2. Giới thiệu về tấm pin mặt trời...................................................................... 4
1.2.1. Định nghĩa ................................................................................................ 4
1.2.2. Ứng dụng .................................................................................................. 5
1.2.3. Tấm năng lƣợng mặt trời .......................................................................... 6
1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lƣợng mặt trời ............................................. 7
1.3. Giới thiệu về hệ thống pin năng lƣợng mặt trời .......................................... 9
CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC MẠCH CÔNG SUẤT CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ......................................... 12
2.1. Giới thiệu về van công suất IGBT ............................................................... 12
2.1.1. Cấu tạo....................................................................................................... 12
2.1.2. Nguyên lý làm việc ................................................................................... 12
2.1.3. Van công suất IGBT SPW20N60C3 ......................................................... 14
2.2. Bộ biến đổi DC/DC ...................................................................................... 15
2.2.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC ..................................................................... 15
2.2.2. Điều khiển bộ biến đổi DC/DC ................................................................. 21
2.3. Bộ biến đổi DC/AC ...................................................................................... 23
2.4. Cấu trúc điều khiển ...................................................................................... 23
2.5. Cấu trúc mạch công suất .............................................................................. 26
2.5.1. Giới thiệu về bộ nghịch lƣu....................................................................... 26
2.5.2. Bộ nghịch lƣu áp một pha ......................................................................... 26
2.5.3. Nguyên lý làm việc ................................................................................... 27
1


CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG THỰC NGHIỆM VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
............................................................................................................................. 29

đƣợc quy trình của một hệ pin năng lƣợng mặt trời vấn đề điều khiển có liên
quan, từ đó sẽ làm nền tảng và nguồn kiến thức dồi dào cho sinh viên khi hoạt
động trong các công tác chuyên ngành của mình và các hoạt động trong đời sống
về lĩnh vực thiết kế, thi công, quản lý hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Lý do chọn đề tài: Từ vai trò quan trọng của pin năng lƣợng mặt trời và
vấn đề chuyển đổi năng lƣợng điện từ hệ pin mặt trời. Dƣới sự hƣớng dẫn của
thầy: T.S Phạm Tâm Thành, em đi sâu “Nghiên cứu cấu trúc điều khiển bộ biến
đổi DC/AC trong hệ thống pin năng lượng mặt trời’’. Nội dung gồm ba chƣơng
với nội dung tổng quát nhƣ sau:
Chƣơng 1. Tổng quan về hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Chƣơng 2. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ biến đổi DC/AC trong
hệ thống pin năng lƣợng mặt trời.
Chƣơng 3. Hệ thống thực nghiệm và kết quả thực nghiệm
Trong quá trình thực hiện đồ án đƣợc sự chỉ bảo tận tình của thầy
hƣớng dẫn, em đã hiểu hơn về những gì mình đƣợc học trƣớc đây, đồng thời
cũng rút ra cho mình nhiều kinh nghiệm bổ ích trong quá trình thực hiện mạch.
Em xin chân thành cảm ơn thầy đã giúp em hoàn thành đồ án này

3


CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI
1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời
Năng lƣợng mặt trời, bức xạ ánh sáng và nhiệt từ mặt trời đã đƣợc con
ngƣời khai thác ngay từ thời cổ đại. Bức xạ mặt trời, cùng với tài nguyên thứ
cấp của năng lƣợng mặt trời nhƣ sức gió và sức sóng, sức nƣớc và sinh khối làm
thành hầu hết năng lƣợng tái tạo có sẵn trên trái đất. Chỉ một phần rất nhỏ của
năng lƣợng mặt trời có sẵn đƣợc sử dụng.
Điện mặt trời nghĩa là phát điện dựa trên động cơ nhiệt và pin quang điện.
Ngày nay, con ngƣời đã sử dụng loại điện năng này để ứng dụng trong nhiều

mù.
 Năng lƣợng mặt trời giảm lƣợng khí thải gây ra do hiệu ứng nhà kính.
Hệ thống năng lƣợng là hệ độc lập hoặc hệ lai:
 Năng lƣợng mặt trời đƣợc dùng để cân bằng năng lƣợng tiêu thụ, nó
không chỉ giúp giảm chi phí về tiền điện mà còn cung cấp điện cho hộ gia đình,
cho khu sản xuất khi điện lƣới mất.
 Hệ thống năng lƣợng mặt trời có thể làm việc hoàn toàn độc lập, không
cần kết nối tới nguồn điện lƣới.
 Việc sử dụng năng lƣợng mặt trời giúp giảm sự phụ thuộc vào các vốn
đầu tƣ của nƣớc ngoài, sự ảnh hƣởng của thảm họa tự nhiên, biến cố toàn cầu.
Lợi ích về công nghệ:
 Hệ thống năng lƣợng mặt trời hầu nhƣ không cần bảo dƣỡng.
 Hệ thống đƣợc cài đặt một lần, không yêu cầu về chi phi kiểm tra định
kì.
 Hệ thống pin mặt trời làm việc yên tĩnh, do không có bộ phận chuyển
động nên ít bị hƣ hỏng về cơ khí.
 Hệ thống pin mặt trời có thể dễ dàng lắp đặt thêm vào trong tƣơng lai
khi cần thiết.
1.2.2. Ứng dụng
Pin mặt trời đã đƣợc ứng dụng ở nhiều nơi trên thế giới. Chúng đặc biệt
thích hợp cho các vùng lƣới điện không đến đƣợc.

5


Pin mặt trời sử dụng tích hợp vào thiết bị từ chiếc đồng hồ đeo tay nhỏ bé,
chiếc điện thoại dắt trong túi quần cho đến những chiếc xe điện mặt trời chạy
trên mặt đất hay những chú robot trên sao Hỏa... Sự tích hợp của Pin Mặt Trời
mang lại một sự khác biệt cho các thiết bị: Vừa thẩm mỹ, vừa tiện dụng và thân
thiện với môi trƣờng.

- Thời gian trong ngày: sáng, trƣa, chiều
Các tấm năng lƣợng mặt trời đƣợc lắp đặt ở ngoài trời nên thiết kế sản
xuất đã đảm bảo đƣợc các thay đổi của khí hậu, thời tiết, mƣa bão, sự ăn mòn
của nƣớc biển, sự oxi hoá… Tuổi thọ của mỗi tấm pin khoảng 25 đến 30 năm
1.2.4. Cách ghép nối các tấm năng lƣợng mặt trời
Để tạo ra công suất và điện thế theo yêu cầu thì phải ghép nối nhiều tấm
môdun đó lại với nhau. Có hai cách ghép cơ bản:
- Ghép nối tiếp các tấm mođun lại sẽ cho điện áp ra lớn hơn.
- Ghép song song các tấm môđun lại sẽ cho dòng điện ra lớn.
Trong thực tế phƣơng pháp ghép hỗn hợp đƣợc sử dụng nhiều hơn để đáp
ứng cả yêu cầu về điện áp và dòng điện.
a. Phương pháp ghép nối tiếp các tấm môdun mặt trời.

7


Hình 1.2. Hai môđun pin mặt trời ghép nối tiếp và
đường đặc trưng V - A của các môđun và của cả hệ
Giả sử các môđun đều giống hệt nhau, có đƣờng đặc tính V-A giống hết
nhau, các thông số dòng đoản mạch ISC, thế hở mạch VOC bằng nhau và độ chiếu
sáng trên các tấm là đồng đều nhau. Khi ghép nối tiếp các tấm môđun này ta sẽ
có:
I = I1 = I2 = … = Ii

(1.1)
(1.2)
(1.3)
(1.4)

Trong đó:

pin cũng làm việc nhƣ các máy phát điện khi tải có giá trị 0 < R <  .
1.3. Giới thiệu về hệ thống pin năng lƣợng mặt trời
Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung đƣợc chia
thành 2 loại cơ bản:
- Hệ PV làm việc độc lập
- Hệ PV làm việc với lƣới
9


Hệ PV độc lập thƣờng đƣợc sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi
mà lƣới điện không kéo đến đƣợc. Sơ đồ khối của hệ này nhƣ sau:
Pin
mặt trời

Bộ biến đổi
DC/DC

Ắc quy

Bộ biến đổi
DC/AC

Tải
xoay chiều

Tải 1 chiều

MPPT

Hình 1.4. Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

quang điện đƣợc mắc với lƣới, nguồn công suất có hai chiều hƣớng. Lƣới sẽ hấp
thụ nguồn điện mặt trời và sẽ cung cấp cho các thiết bị tiêu thụ khi mà hệ PV
không thể sinh ra điện vào thời gian yếu ánh sáng hoặc ban đêm. Đây là hình
thức đang đƣợc khuyến khích phát triển ở nhiều nơi trên thế giới.
+ Yêu cầu về nối lưới.
Hệ pin mặt trời đƣợc nối với lƣới điện ở đầu ra của bộ ngắt đồng bộ ở
cuối đầu ra của bộ đổi điện. Dòng chảy công suất phụ thuộc vào cả hai hƣớng
của điểm tiếp nối với bộ ngắt. Các yêu cầu cơ bản đối với điện áp tại điểm nối là
nhƣ sau:
- Biên độ và pha của điện áp phải cân bằng với biên độ và pha của dòng
công suất. Điện áp đƣợc điều khiển bằng hệ số biến đổi máy biến áp và/hoặc góc
mở bộ DC/AC trong hệ điều khiển mạch vòng kín.
- Phải đảm bảo đồng bộ với tần số của lƣới bằng cách sử dụng tần số hệ
làm tần số chuẩn cho tần số đóng mở của bộ DC/AC.
- Hệ PV phải đƣợc bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp, nối đất, chống
sét và bảo vệ tách biệt…

11


CHƢƠNG 2. CẤU TRÚC MẠCH CÔNG SUẤT CỦA BỘ BIẾN ĐỔI DCAC TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
2.1. Giới thiệu về van công suất IGBT
2.1.1. Cấu tạo
IGBT là sự kết hợp khả năng đóng cắt nhanh của MOSFET và khả năng
chịu tải lớn của transistor thƣờng. Mặt khác IGBT cũng là phần tử điều khiển
bằng điện áp, do đó công suất điều khiển yêu cầu sẽ cực nhỏ.

Hình 2.1. Cấu tạo IGBT
Về cấu trúc bán dẫn thì IGBT rất giống với Mosfet điểm khác nhau là có
thêm lớp p nối với colecto tạo nên cấu trúc bán dẫn p-n-p giữa emito với


Hình 2.2. Quá trình mở IGBT
13


b. Quá trình khóa IGBT

Hình 2.3. Quá trình đóng IGBT
2.1.3. Van công suất IGBT SPW20N60C3

Hình 2.4. Cấu tạo IGBT SPW20N60C3
14


Hình 2.5. Thông số IGBT SPW20N60C3
2.2. Bộ biến đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC đƣợc sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với
mục đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một
chiều có thể điều khiển đƣợc.
2.2.1. Các loại bộ biến đổi DC/DC
a. Mạch Buck
L

K

V1

Đ

C1


t

toff

ton
Vin-Vo
-Vo

IL

t

I
L

t

IK

t

ID

t

Hình 2.7. Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck
Phân tích mạch dựa trên sự cân bằng năng lƣợng qua chu kỳ đóng cắt của
khóa: Năng lƣợng cấp cho tải trong toàn bộ chu kỳ bằng năng lƣợng thu từ
nguồn trong thời gian khóa mở, và năng lƣợng cấp cho tải trong suốt thời gian K

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

Vin
1 D

(2-3)

Với phƣơng 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.
b. Mạch Buck – Boost: Bộ điều khiển phóng ắc quy
Đ

V1

C

K
L

V0

Hình 2.5. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Từ công thức (2-3): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Do
đó 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.

Bộ Cúk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cúk dùng một tụ điện để lƣu
giữ năng lƣợng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cúk ít gây tổn hao trên
khoá điện tử hơn và cho hiệu quả cao. Nhƣợc điểm của Cúk là điện áp ra có cực
tính ngƣợc với điện áp vào nhƣng bộ Cúk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có

18


cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính từ ƣu điểm chính này của Cúk (tức là có đặc tính
dòng vào và dòng ra tốt.
Nguyên lý hoạt động của Cúk 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
vòng mạch ngoài cùng hình 2.6 ta có:
VC1 = VS + Vo

(2-5)

Giả sử tụ C1 có dung lƣợng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc
dù nó lƣu giữ và chuyển một lƣợng năng lƣợng lớn từ đầu vào đến đầu ra.
Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào đƣợc cấp và khoá SW khoá không
cho dòng chảy qua. Điốt D phân cực thuâ ṇ , tụ C1 đƣợc nạp. Hoạt động của
mạch đƣợc chia thành 2 chế độ.
- Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng.

Hình 2.7. Sơ đồ mạch bộ Cúk khi khoá SW mở thông dòng.
Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngƣợc và Điốt khoá. Tụ C1 phóng
sang tải qua đƣờng SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng
dòng điện trên cuộn cảm không gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:
IC1 = IL2


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

(2-11)

VS.IL1 = Vo.IL2

(2-12)

I L1 Vo

I L 2 VS

(2-13)

Từ công thức (2 - 10) và (2 – 13) vào ta có:
Vo
D

Vs 1  D

(2-14)

Từ công thức (2 – 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.

PWM

Rv
Vin

-

Vref

MPPT

Hình 2.9. Mạch vòng điều khiển điện áp
21


b. Phương pháp mạch vòng dòng điện phản hồi
PV

DC/DC

PWM

Ri
I

-

Iref

MPPT

- Bám sát đƣợc sự thay đổi của điện áp vào.
- Điều chỉnh điện áp ra.
- Hiệu quả cao đối với tải nhẹ.
- Ít tạo ra sóng hài để tránh làm hƣ hại đến các thiết bị điện khác nhƣ tivi,
tránh gây tổn hao công suất, làm nóng thiết bị.
- Có thể chịu quá tải trong một thời gian ngắn trong trƣờng hợp dòng khởi
động lớn nhƣ của máy bơm…
- Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch….
- Dung lƣợng đặc tính.
- Tổn hao không tải thấp
2.4. Cấu trúc điều khiển
Cấu trúc liên kết bộ biến đổi DC/AC:

Hình 2.11. Cấu trúc liên kết bộ biến đổi DC/AC

23


Có rất nhiều phƣơng pháp điều chế độ rộng xung hình sin (Sinusoid Pulse
Width Modulation) điều khiển cấu trúc liên kết để có đầu ra AC. Trong số các
phƣơng pháp có thể đƣợc chia cho các cách sau :
- Điều chế cực đơn
- Điều chế lƣỡng cực
a. Điều chế cực đơn
Một ví dụ về điều chế cực đơn thể hiện trong hình 2.12.

Hình 2.12. Điều chế cực đơn
Chúng ta có thể thấy trong chu kỳ tích cực của sóng sin, điện áp đầu ra bộ
biến đổi DC/AC đƣợc thay đổi từ Vdc đến 0V, trong khi chu kỳ tiêu cực là –
Vdc đến 0V. Vì vậy, trong chu kỳ tích cực, nếu nhiệm vụ của Q1 là d, ta có thể


25