ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRẦN ANH TUẤN

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MẠCH CHUYỂN ĐỔI DC/DC
SỬ DỤNG THUẬT TOÁN MPPT LAI ĐỂ NÂNG CAO
HIỆU SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018


1

Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Dương Minh Quân

Phản biện 1: TS. Đoàn Anh Tuấn
Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Hồng Anh

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn
tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điện họp tại Trường Đại học Bách
khoa vào ngày 09 tháng 03 năm 2018

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học

phần năng lượng,… Do đó, các thuật toán cải tiến cần phải được
nghiên cứu thêm.
Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài:


2
“Thiết kế và chế tạo mạch chuyển đổi DC/DC sử dụng thuật
toán MPPT lai để nâng cao hiệu suất hệ thống điện mặt trời”.
Nội dung luận văn tập trung vào phân tích các thuật toán MPPT,
đánh giá ưu nhược điểm các thuật toán đang sử dụng, từ đó đưa ra
một thuật toán cải tiến với mục đích khắc phục các nhược điểm còn
tồn tại. Dưa trên các phương pháp mô hình hóa, mô phỏng và lắp đặt
mạch chuyển đổi thực tế, kết quả của thuật toán mới sẽ được so sánh
và đánh giá cụ thể.
2. Mục tiêu nghiên cứu
Phân tích khả năng hoạt động, ưu nhược điểm của các thuật toán
MPPT đang được sử dụng. Đưa ra thuật toán MPPT cải tiến sử dụng
phương pháp lai để khắc phục các nhược điểm còn tồn tại của thuật
toán trước đây. Phân tích, đánh giá kết quả thu được thông qua mô
phỏng bằng phần mềm Matlab/Simulink kết hợp lắp đặt mạch
chuyển đổi thực tế.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đối tượng nghiên cứu:
- Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại của hệ thống năng
mặt trời;
- Phương pháp mô hình hóa, mô phỏng thuật toán;
- Thiết kế và lắp mạch chuyển đổi thực tế.
Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu các thuật toán MPPT thường sử dụng trong hệ
thống mặt trời;

chuyển đổi DC/DC.
Chương 2: Một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT
Chương 3: Thuật toán bắt điểm công suất cực đại-MPPT sử
dụng phương pháp lai
Chương 4: Thiết kế mạch tăng áp Boost Converter ở mức công
suất 1500W.
Chương 5: Kết luận và kiến nghị


4
CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI VÀ
CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC
1.1. Tổng quan về sự phát triển của năng lượng tái tạo
1.2. Một số mô hình khai thác năng lượng mặt trời
1.3. Pin năng lượng mặt trời
1.3.1. Phân loại tấm pin năng lượng mặt trời
1.3.2. Mô hình hóa tấm pin năng lượng mặt trời
1.4. Các bộ chuyển đổi DC/DC
1.4.1. Mạch chuyển đổi tăng áp (Boost Converter)
Mạch tăng áp [9-13] được sử dụng phổ biến với khả năng điều
chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào (Vo>Vin).
L
D

+

Vin

S


+
C

On

Vout

LOAD

-

-

Hình 1.14. Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng


5
Khi khóa S đóng (Ton) thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng
lên rất nhanh, dòng điện chạy vòng qua cuộn cảm về nguồn, đây là
thời gian nạp năng lượng cho cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm
tăng lên. Trong khi đó, dòng điện không qua diode do phân cực
ngược lúc này điện áp cung cấp cho tải được tạo ra từ năng lượng
tích trữ ở tụ. Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện. Ở chu
kỳ đầu, có thể nói chỉ có nguồn và cuộn cảm là việc ở trạng thái này,
tụ điện chưa tích điện do đó tải chưa được cung cấp năng lượng làm
việc. Ở trạng thái làm việc của những chu kỳ tiếp theo, khi tụ điện
được nạp năng lượng ở những giai đoạn Toff của khóa thì điện áp
của đầu ra sẽ được duy trì và có trạng thái làm việc của các phần tử
được mô tả như hình 1.15.
IL


6
áp đầu ra như sau:
Do:
𝑣𝐿 = 𝐿.

𝑑𝐼𝐿
𝑑𝑡

(1.7)

Trong đó:
IL = IC + Io là dòng điện qua cuộn cảm,
IC là dòng điện qua tụ điện
Io =

Vo
R

là dòng điện tải

Vì Vo = VC nên khi khóa S đóng (Ton):
∆𝐼𝐿 ∙ 𝐿 = 𝑉𝑖𝑛 . 𝑇𝑜𝑛
Khi khóa S mở (Toff):

(1.8)

∆𝐼𝐿 ∙ 𝐿 = (𝑉𝑜 − 𝑉𝑖𝑛 ). 𝑇𝑜𝑓𝑓

(1.9)

CỰC ĐẠI MPPT (MAXIMUM POWER POINT TRACKING)
2.1. Giới thiệu chung
2.2. Đường đặc tính Vôn-Ampe và đặc tính công suất của tấm
pin

Hình 2.2: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở
có giá trị điện trở thay đổi được
Từ đặc tính ta có nhận xét như sau: Khi cho R thay đổi từ ∞
(tương ứng với trường hợp hở mạch) đến 0 (tương ứng với trường
hợp ngắn mạch) thì điện áp tấm pin thay đổi từ VOC đến 0, dòng điện
của tấm pin thay đổi từ 0 đến ISC, công suất thay đổi theo đường cong
P.
2.3. Các thuật toán bắt điểm công suất cực đại
2.3.1. Thuật toán P&O
Bắt đầu P&O
Đo V(k), I(K)

P(k)=V(k)I(k)
ΔP=P(k)-P(k-1)
ΔV=V(k)-V(k-1)

S

Đ

Đ

ΔP>0

ΔV>0

Sau đó thuật toán cập nhật các giá trị mới thay cho giá trị trước
đó của V, P và tiến hành đo các thông số I, V cho chu kỳ làm việc
tiếp theo.
2.3.2. Thuật toán
Conductance)

điện

dẫn

gia

tăng

INC

(Incremental

Hình 2.6. Sơ đồ thuật toán INC
 Giải thích thuật toán:
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V
tại thời điểm k-1 và tại thời điểm k, sau đó tính toán độ sai lệch ∆I,
∆V rồi so sánh:
- Trong trường hợp ∆V = 0, nếu ∆I>0 thì tăng Vref, ∆I
-I/V và giảm Vref khi ∆I/∆V < -I/V. Vref sẽ được giữ nguyên nếu


YES

DD>=0

DD=0

DD

Kết quả mô phỏng thuật toán thuật toán INC được trình bày
trong hình 2.15.


Hình 2.15. Kết quả mô phỏng thuật toán bắt điểm công suất cực đại INC

12

 Phân tích ưu nhược điểm của thuật toán P&O và INC:
- Thuật toán P&O và INC được xây dựng dựa dựa trên đường
đặc tính công suất của tấm pin khi bức xạ mặt trời và nhiệt độ của
tấm pin là không đổi.
- Xét trong trường hợp bức xạ hoặc nhiệt độ của tấm pin thay


13
đổi, lúc này điểm công suất làm việc sẽ di chuyển từ đường đặc tính
này sang đường đặc tính khác (đặc tính công suất cực đại là một họ
đặc tính theo nhiệt độ của tấm pin và bức xạ mặt trời).
- Trong thời gian bức xạ thay đổi nhanh hoặc nhiệt độ thay đổi
thì điểm công suất làm việc của tấm pin không bám vào điểm cực đại
của của họ đường đặc tính công suất cực đại.
 Qua các kịch bản mô phỏng cho các quá trình làm việc
của hệ tấm pin khi bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tấm pin thay
đổi ta có nhận xét như sau:
- Ở các trường hợp bức xạ giảm hoặc nhiệt độ tăng (công suất
của tấm pin giảm), thuật toán P&O và INC làm việc tốt bám điểm
công suất cực đại của tấm pin.
- Ở các trường hợp bức xạ tăng hoặc nhiệt độ giảm (công suất

Đ

S
DP>0

S

Đ

DV>0
S

DD>0

Đ

DV>0

S

Đ

D = D+DD

D = D-DD

Đ
D = D-DD

D = D+DD

điểm công suất cực đại trong vùng này.
Xét công suất thu được trong vùng 2: là khoảng thời gian từ 4s
đến 5s, lúc này bức xạ mặt trời không đổi và nhiệt độ giảm. Thuật
toán P&O và INC không bám được MPP nên công suất thu được
thấp hơn. Đối với thuật toán MPPT lai đã cải thiện được việc bám
điểm công suất cực đại trong vùng này.
Ở các khoảng thời gian không xét trong vùng 1 và 2 thì công
suất thu được của hệ thống là tương đương nhau đối với các thuật
toán.
3.4. Kết luận


17
CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ MẠCH TĂNG ÁP BOOST
CONVERTER
4.1. Giới thiệu
4.2. Tính chọn thông số bộ biến đổi DC/DC
- Điện áp vào Vin = 200 (VDC)
- Dòng điện vào Iin = 8(A)
-

Điện áp ra Vout = 400(VDC)
Dòng điện ra Iout = 4(A)
Công suất ra lớn nhất Pmax = 1600(W)
Tần số đóng cắt f = 40 (kHz)

4.2.1. Tính toán thiết kế cuộn cảm L
L được tính theo công thức:

L=


Giá trị dòng điện hiệu dụng qua van đóng cắt và cuộn cảm:

IL =

I
DI L
1.6
4
+ out =
+
= 8.8( A)
2 1 D
2 1  0.5

Từ giá trị L và dòng điện qua cuộn cảm IL. Ta thiết kế cuộn


18
cảm như sau:
Chọn tiết diện dây quấn của cuộn cảm:

Ftt =

I L 8.8
=
= 2.5(mm2 )
jkt 3.5

Chọn kiểu dây quấn kép. Mỗi sợi có đường kính 1.4mm2 có

Chọn số vòng dây quấn là N=38 (vòng)
Kiểm tra giá trị Bm:

Bm =

L * DI L 1.56*103 *1.6
=
= 0.185 (T)
Ae * N 3.54*104 *38

4.2.3. Tính chọn tụ điện trong mạch
Việc tính chọn tụ C phụ thuộc vào thời gian lưu giữ năng
lượng Dt=1/f. Ta chọn độ gợn điện áp là ΔV=0.5%. Khi đó C được
tính theo công thức sau:


19
𝐷 ∗ 𝐼𝑜
0.5 ∗ 4
=
= 25(𝜇𝐹)
𝑓 ∗ 𝛥𝑉𝑜 40000 ∗ 0.005 ∗ 400
Chọn C =47 (𝜇𝐹)
𝐶>

4.2.4. Chọn khóa S và diode
Dòng qua khoá S và diode ít nhất bằng với dòng điện cực đại
qua cuộn cảm L.
Do đó: IS = IĐ = IL = 8.8 (A)
Điện áp làm việc của MosFet và diode lớn hơn điện áp ra.

21
b) Mô hình mạch lắp đặt thực tế:

Hình 4.13. Mô hình mạch thực tế
4.4. Kiểm tra hiệu suất của mạch chuyển đổi DC/DC:
Từ mô hình mạch lắp đặt thực tế, quá trình đo lường và thu
thập dữ liệu được tiến hành, các kết quả được thể hiện qua hình 4.14.

Hình 4.14. Kết quả đo lường thực tế
Công suất đầu vào bộ chuyển đổi: Pin = PQS1 + PQS2 (hay Pin


22
Bảng 4.3 Kết quả tính toán hiệu suất bộ chuyển đổi
Lần đo
P1(W)
P2 (W)
Pin (W)
Pout (W)
 (%)
104,7
105,53
210,23
203,66
96,87
1
208,86
209,01
417,87
405,16

097

097

097

090

Hiệu suất (%)

080
070
210,23

417,87

621,75
Công suất (W)

825,56

932,69

Hình 4.15. Đồ thị hiệu suất bộ chuyển đổi
4.5. Kết quả thử nghiệm khi sử dụng thuật toán MPPT tích hợp
trên bộ chuyển đổi DC/DC
Kết quả thử nghiệm khi sử dụng tấm pin năng lượng mặt trời có
công suất 185 Wats peak.