Chương 1

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI
LƯỚI DÙNG KỸ THUẬT DÒ ĐIỂM
CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT

1


Chương 1

Chương 1 TỔNG QUAN
1.1. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên
cứu trong và ngoài nước đã công bố

1

1.2. Mục đích của đề tài

5

1.3. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài

6

1.4. Phương pháp nghiên cứu

6

chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Mô hình pin mặt trời

(cấu hình 1)
3.2.2. Cấu hình một bộ DC/DC cho 1 pin (cấu hình 2)

2

31
31
32


Chương 1

3.3. Xây dựng mô hình mô phỏng giải thuật
3.3.1. Mô hình Pin mặt trời

33
33

3.3.2. Cấu hình bộ chuyển đổi NL cho cánh đồng pin mặt trời đề xuất
37
3.3.3. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter

39

Chương 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
4.1. Mô hình mô phỏng

43

4.1.1. Mô hình hệ thống mô phỏng cấu hình 1


TỔNG QUAN

1.5. Tổng quan chung về lĩnh vực nghiên cứu, các kết quả nghiên cứu trong và
ngoài nước đã công bố
Năng lượng mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó phát
ra 3,865.1026J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10 16 tấn than đá tiêu
chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một phần năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57. 1016 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá.

3


Chương 1

Hình 1.1. Quang phổ mặt trời ngoài khí quyển trái đất

Hình 1.2. Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời
Hình 1.1 Trình bày thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời ánh sáng nhìn thấy
được có bước sóng 0,4µm đến gần 0,8µm, chỉ chiếm một phần rất nhỏ trong phổ
sóng điện từ của bức xạ mặt trời.
Bảng 1.1: Phân bố bức xạ mặt trời theo bước sóng
Quang phổ
Tia vũ trụ
Tia x
Tia tử ngoại C
Tia tử ngoại B
Tia tử ngoại A
Tia nhìn thấy




Chương 1

Tia hồng ngoại

Sóng vô tuyến
điện

4,125.102
1,836.102
2,637.101
6,987.10-9
6,987.10-10
6,987.10-9

0,78 ÷1,4 µm
1,4 ÷3 µm
3 ÷100 µm
0,1 ÷10 cm
10 ÷100cm
1 ÷ 20cm

30,18
13,43
1,93

Tuy nhiên, quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dài
khoảng 7991 km bao gồm các phân tử khí, hơi nước, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,
chất rắn và các đám mây. Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để

- Cải tiến trong công nghệ sản xuất pin
- Giá thành giảm
Tuy nhiên, ở thời điểm hiện tại giá thành pin mặt trời còn khá cao. Công suất
phát ra bởi pin mặt trời lại phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ, nhiệt độ và điều kiện thời
tiết. Đặc tính PV và VI của pin mặt trời lại không tuyến tính, trên đường đặc tuyến
đó tồn tại một điểm làm việc cực đại (MPP) mà ở đó công suất phát ra của pin mặt
trời là lớn nhất. Nhưng điểm này không phải là hằng số, chúng luôn thay đổi theo
nhiệt độ và bức xạ. Vỳ vậy, dò tìm điểm làm việc cực đại của pin mặt trời (MPPT)
phải được sử dụng để đưa pin mặt trời luôn làm việc tại điểm này, nhằm nâng cao
hiệu suất của pin mặt trời.
Trên thế giới và trong nước đã có nhiều nghiên cứu về hệ thống pin mặt trời
nối lưới. Chủ yếu về các lĩnh vực như:
Ổn định và nâng cao điện áp phát ra của hệ thống pin mặt trời [5,6]
Các phương pháp điều khiển nhằm đưa hệ thống pin mặt trời làm việc tại điểm
công suất cực đại [16-26].
Các phương pháp nghịch lưu nhằm cải thiện chất lượng điện trong hệ thống
năng lượng mặt trời [4-15].
Các phương pháp điều khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng và
dòng điện bơm vào lưới của hệ thống pin mặt trời nối lưới [12,13].

7


Chương 1

Comparative

Study

of

độ phức tạp, thông số đo lường, số lượng cảm biến yêu cầu, tốc độ chuyển đổi và
giá thành. Đề tài sẽ nghiên cứu các bộ chuyển đổi năng lượng từ pin mặt trời. Mục
đích của nghiên cứu của đề tài là đề xuất bộ chuyển đổi năng lượng kết hợp với
phương pháp MPPT tối ưu với khả năng đáp ứng dưới các điều kiện môi trường như

8


Chương 1

nhiệt độ, bức xạ thay đổi và chi phí thấp, có khả năng dò được điểm làm việc tối ưu
của hệ thống cánh đồng pin năng lượng mặt trời.
1.7. Nhiệm vụ của đề tài và giới hạn đề tài
- Xây dựng mô hình pin mặt trời xét đến ảnh hưởng của bóng che, phân tích
các đặc tuyến I-V, P-V của pin mặt trời, sự phụ thuộc các đặc tính của pin mặt trời
dưới các điều kiện môi trường
- Nghiên cứu các giải thuật MPPT của pin mặt trời, đề xuất phương pháp
MPPT xét đến ảnh hưởng của bóng che.
- Đề xuất cấu hình cánh đồng pin mặt trời.
- Thi công phần cứng dò tìm điểm cực đại khi bị bóng che.
- Dùng phần mềm Matlab/Simulink nghiên cứu xây dựng mô hình pin mặt
trời, bộ chuyển đổi năng lượng và giải thuật dò tìm điểm làm việc cực đại cho cánh
đồng pin.
1.8. Phương pháp nghiên cứu
- Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
- Nghiên cứu các mô hình toán học của pin mặt trời. Đề nghị mô hình tính
toán cụ thể.
- Xây dựng mô hình mô phỏng pin mặt trời và các giải thuật MPPT kết hợp
với bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC.
- Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.

Chương 1

Tc: nhiệt độ vận hành của pin (K)
A: hệ số lý tưởng phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ Simono A=1.2, Si-Poly A = 1.3…
Dòng quang điện Iph phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ của
pin:

Trong đó:
Isc: dòng ngắn mạch tại nhiệt độ tiêu chuẩn 250C (A) và bức xạ 1kW/m2
K1: hệ số dòng điện phụ thuộc vào nhiệt độ (A/0C)
Tc: Nhiệt độ vận hành của pin mặt trời (K)
TRef : Nhiệt độ tiêu chuẩn của pin mặt trời (K)
λ: Bức xạ mặt trời (kW/m2)
Mặt khác, dòng bão hòa Is là dòng các hạt tải điện không cơ bản được tạo ra
do kích thích nhiệt. Khi nhiệt độ của pin mặt trời tăng dòng bão hòa cũng tăng theo
hàm mũ.

Trong đó:
IRS: Dòng điện ngược bão hòa tại nhiệt độ tiêu chuẩn (A)
EG: Năng lượng lỗ trống của chất bán dẫn
Đối với pin mặt trời lý tưởng, điện trở dòng rò R sh = ∞, Rs = 0. Khi đó mạch
điện tương đương của pin mặt trời được cho bởi hình 2.2:

11


Chương 1

Hình 2.2. Mô hình pin mặt trời lý tưởng
Khi đó, biểu thức (2.1) có thể được mô tả như sau:

Chương 1

Hì
nh 2.5: Đặc tuyến P-V với các bức xạ khác nhau
2.7. Bộ chuyển đổi DC/DC
Bộ biến đổi DC/DC được sử dụng rộng rãi trong nguồn điện 1 chiều với mục
đích chuyển đổi nguồn một chiều không ổn định thành nguồn điện một chiều có thể
điều khiển được. Trong hệ thống pin mặt trời, bộ biến đổi DC/DC được kết hợp chặt
chẽ với MPPT. MPPT sử dụng bộ biến đổi DC/DC để điều chỉnh nguồn điện áp vào
lấy từ nguồn pin mặt trời, chuyển đổi và cung cấp điện áp lớn nhất phù hợp với tải.
2.7.1. Bộ chuyển đổi DC/DC boost converter
Mạch boost converter hay còn được gọi là mạch tăng áp. Bộ biến đổi này phù
hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện áp đầu vào. Nguyên lý hoạt
động của bộ biến đổi này dựa vào đặc tính lưu trữ và tích phóng năng lượng của
cuộn dây.

14


Chương 1

Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch boost
Khi S đóng cho dòng qua (TON) dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng
lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây. Không có dòng điện chạy qua điốt D
và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C

Hình 2.7. Mạch điện khi S đóng

Hình 2.8. Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi S đóng



Hình 2.11. Cấu hình mạch buck

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất
VOUT = điện áp ngõ ra mong muốn
ƞ = Hiệu suất mạch, ước tính 90%

17


Chương 1

Năng lượng trong cuộn cảm

VIN(min) = điện áp ngõ vào nhỏ nhất
D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19
fs = tần số đóng cắt của công tắc trong mạch
L = giá trị lựa chọn cuộn cảm
Dòng điện ngõ ra cực đại.

ILIM(min) = giá trị nhỏ nhất của giới hạn dòng điện của công tắc tích hợp (được
đưa ra trong bản dữ liệu)
ΔIL = năng lượng trong cuộn cảm được tính trong công thức 2.20
D = chu kỳ hoạt động được tính trong công thức 2.19
Nếu giá trị tính là hơn dòng điện ngõ ra cực đại của ứng dụng, dòng điện cực
đại qua công tắc trong hệ thống được tính toán:

IOUT(max) = dòng điện ngõ ra cần thiết cho ứng dụng
Đây là dòng điện đỉnh, cuộn cảm, các công tắc tích hợp và diode bên ngoài
phải bền.

dòng điện để thu được công suất cực đại từ pin mặt trời khi nhiệt độ và bức xạ thay
đổi sử dụng bộ tìm điểm công suất cực đại.

Hình 2.13. Các điểm MPP dưới các điều kiện môi trường thay đổi
Hình 2.14 giới thiệu sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu. Hầu hết các bộ
CĐNL hiện nay gồm có ba phần cơ bản: bộ chuyển đổi DC-DC, bộ phận đo lường
và bộ phận điều khiển (bộ phận đo lường và bộ phận điều khiển chính là bộ MPPT)
Khi pin mặt trời được nối trực tiếp với tải, điểm vận hành của pin mặt trời
được điều khiển bởi tải. Tổng trở của tải được miêu tả như sau:
Trong đó, Vo, Io là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời.
Tổng trở tối ưu của tải cho pin mặt trời được miêu tả như sau:

20


Chương 1

Trong đó, VMPP, IMPP là điện áp và dòng điện phát ra của pin mặt trời tại điểm
tối ưu.
Khi giá trị RLOAD bằng với ROPT, công suất cực đại sẽ được truyền từ pin mặt
trời đến tải. Tuy nhiên, trong thực tế hai tổng trở này lại không bằng nhau. Mục đích
của bộ MPPT là điều chỉnh tổng trở tải nhìn từ phía nguồn bằng với tổng trở tối ưu
của pin mặt trời.
Thông thường bộ biến đổi DC/DC (tăng áp, giảm áp) được phục vụ cho việc
truyền công suất từ pin mặt trời tới tải. Bộ DC/DC hoạt động như thiết bị giao tiếp
giữa tải và pin mặt trời. Bằng việc thay đổi độ rộng xung, tổng trở tải nhìn từ phía
nguồn sẽ được thay đổi bằng với tổng trở nguồn tại điểm cực đại, vì vậy công suất
cực đại được cung cấp cho tải.

Hình 2.14. Sơ đồ khối của hệ thống CĐNL tiêu biểu

khi đó RIN nhìn từ phía nguồn sẽ được thay đổi.
2.9. Các phương pháp tìm điểm cực đại của pin mặt trời phổ biến
2.9.1. Phương pháp điện áp hằng số
Cơ sở cho các thuật toán điện áp không đổi (CV) là quan sát từ đường cong I-V
giống như hình 1 là tỷ lệ điện áp tối đa của bin mặt trời VMPP, điện áp mở mạch của nó,
VOC, là hằng số, nói cách khác:

22


Chương 1

Các thuật toán điện áp không đổi có thể được thực hiện bằng cách sử dụng sơ
đồ thể hiện trong hình 2.17. Bộ bin mặt trời tạm thời bị cô lập từ MPPT, và được
thực hiện một phép đo V OC. Tiếp theo, MPPT tính toán điểm hoạt động chính xác
bằng cách sử dụng phương trình (2.33) và giá trị cho những thiết lập của K, và điều
chỉnh điện áp của bin cho đến khi được tính V MPP đạt. Hoạt động này được lặp đi lặp
lại theo định kỳ để theo dõi vị trí của MPP.
Mặc dù phương pháp này là cực kỳ đơn giản, nó là khó khăn để chọn giá trị tối
ưu của K. liên tục Các tài liệu báo cáo thành công với giá trị K khác nhau, 73-80%,
Hình 2.16 cho thấy các giá trị K thực tế cần thiết cho một mảng PV trên một phạm
vi nhiệt độ 0-600C và mức độ bức xạ từ 200 đến 1000 W/m2.

Hình 2.16. Tỷ lệ phần trăm của VMPP và VOC như chức năng của nhiệt độ và bức xạ

23


Chương 1


Đo V(k), I(k)
P(k) = V(k) x I(k)
Delay P(k)&I(k) by k-1 instant
p(k-1), V(k-1)
ΔP = P(k) – P(k-1)
ΔV = V(k) – V(k-1)
NO
YES

ΔP > 0

ΔP = 0

YES

NO

YES
NO
ΔV > 0
YES
ΔV < 0
NO
Hình 2.18. Sự thay đổi điểm MMP của P&O nhanh chóng theo gia tăng bức xạ

Giảm D
(giảm
độ rộng
xung)