MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
Lý lịch cá nhân ............................................................................................................ i
Lời cam đoan ..............................................................................................................ii
Cảm tạ ...................................................................................................................... iii
Tóm tắt ....................................................................................................................... iv
Mục lục .....................................................................................................................vii
Danh sách các chữ viết tắt .......................................................................................... x
Danh sách các hình .................................................................................................... xi
Danh sách các bảng .................................................................................................. xv
Chƣơng 1. TỔNG QUAN

1

1.1

Tính cần thiết của đề tài. ................................................................................ 1

1.2

Pin quang điện (PV). ...................................................................................... 2

1.3

Hệ pin mặt trời làm việc độc lập. ................................................................... 5

1.3.1


Chƣơng 2.CƠ SỞ LÝ THUYẾT

14

2.1

Pin mặt trời, cấu tạo và nguyên lý hoạt động. ............................................... 14

2.1.1

Cấu tạo .......................................................................................................... 14

2.1.2

Nguyên lý hoạt động ..................................................................................... 14

vi


2.1.3

Đặc tính làm việc của pin mặt trời ................................................................ 17

2.2

Các bộ biến đổi bán dẫn trong hệ thống pin mặt trời làm việc độc lập ........ 20

2.2.1


2.3.4.1 Phương pháp điều khiển trực tiếp. ................................................................ 34
2.3.4.2 Phương pháp điều khiển đo trực tiếp tín hiệu ra. .......................................... 35
2.3.5

Giới hạn của MPPT. ...................................................................................... 37

2.4

Bộ lưu giữ năng lượng .................................................................................. 37

2.4.1

Các loại ắc quy. ............................................................................................. 38

2.4.1.1 Ắc quy chì – axit ........................................................................................... 38
2.4.1.2 Ắc quy kiềm .................................................................................................. 39
2.4.2

Các đặc tính của ắc quy. ................................................................................ 39

2.4.2.1 Dung lượng (ký hiệu là C) ........................................................................... 39
2.4.2.2 Điện áp ngưỡng thấp nhất ............................................................................. 39
2.4.2.3 Điện áp hở mạch ........................................................................................... 40
2.4.3

Chếđộ làm việc của ắc quy (xét ắc quy chì - axit) ........................................ 40

2.4.3.1 Nạp ắc quy .................................................................................................... 40
2.4.3.2 Ắc quy phóng ................................................................................................ 40
2.4.4


3.2.3

Nhược điểm của giải thuật P&O ................................................................... 48

3.3

Giải thuật P&O cải tiến ................................................................................. 50

3.3.1

Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến ..................................................................... 52

3.3.2

Mô phỏng giải thuật P&O cải tiến bằng Matlab ........................................... 53

3.4

Phương pháp điều khiển điện áp hở mạch .................................................... 54

3.4.1

Lưu đồ giải thuật điều khiển điện áp hở mạch .............................................. 55

3.4.2

Mô phỏng giải thuật điều khiển điện áp hở mạch ......................................... 56

3.5

TỪ DC – DC, DC – AC KẾT HỢP MPPT
4.1

Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC kết hợp MPPT ............................... 64

viii


4.1.1

Buck_Boost Converter (Bộ tăng, giảm áp DC) ............................................ 64

4.1.2

Kết nối MPPT (Xác định điểm làm việc cựa đại) ......................................... 66

4.1.2.1 Khảo sát ảnh hưởng của MPPT..................................................................... 68
4.1.2.2 Mô phỏng MPPT và kết quả ......................................................................... 71
4.2

Bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – AC ........................................................ 72

4.2.1

Lý thuyết về phương pháp điều rộng xung PWM ........................................ 72

4.2.2

Bộ nghịch lưu áp một pha ............................................................................. 74



5.2

Hướng phát triển của đề tài ........................................................................... 88

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 90
PHỤ LỤC ................................................................................................................ 92

ix


DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT
GP

: ( Global Peaks) đỉnh công suất lớn nhất trong các đỉnh công suất.

Local Peaks : Những đỉnh công suất nhưng không phải là lớn nhất.
MPP

: ( Maximum Power Point ) điểm làm việc mà tại đó công suất thu
được cực đại.

MPPT

: ( Maximum Power Point Tracking ) dò tìm điểm làm việc có công
suất cực đại

P&O

: ( Perturb & Observe ) thuật toán quan sát và nhiễu loạn để đạt đến


thống sẽ bằng dòng ngắn mạch của một tấm, áp hở mạch của hệ thống
bằng tổng áp hở mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống.
Hình 1.5: Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của

4

hệ thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong
hệ thống, áp hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
Hình 1.6: Sơ đồ khối hệ quang điện làm việc độc lập

5

Hình 1.7: Bộ điều khiển MPPT trong hệ thống pin mặt trời

7

Hình 1.8: Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời

8

Hình 1.9: Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường

9

độ bức xạ thay đổi
Hình 1.10: (a)mô hình dãy bị bóng che.(b) đặc tính I – V.(c) đặc tính P – V

9


17

Hình 2.8: Đường cong đặc trưng V - I của pin mặt trời

18

phụ thuộc vào cường độ bức xạ Mặt trời.

xi


Hình 2.9: Đường cong đặc tính V - I của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiệt

19

độ của pin
Hình 2.10: Đường đặc tính tải và đặc tính của pin mặt trời

19

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý bộ giảm áp Buck

21

Hình 2.12: Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch Buck

21

Hình 2.13: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost


Hình 2.21: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở

28

có thể thay đổi giá trị điện trở được
Hình 2.22: Đường đặc tính làm việc của pin và của tải thuần trở có giá trị

28

điện trở thay đổi được
Hình 2.23: Tổng trở vào Rin được điều chỉnh bằng D

30

Hình 2.24: Đường đặc tính làm việc I – V của pin khi cường độ bức xạ

30

thay đổi ở cùng một mức nhiệt độ
Hình 2.25: Đặc tính làm việc I – V của pin khi nhiệt độ thay đổi ở cùng

31

một mức cường độ bức xạ
Hình 2.26: Thuật toán dò tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

31

Hình 2.27: Đường cong P – V trong điều kiện dãy PV bị bóng che một phần



Hình 3.3:

Đồ thị xác định MPP

45

Hình 3.4: Đặc tính công suất phụ thuộc vào điện áp đầu ra

46

Hình 3.5: Lưu đồ giải thuật P&O

47

Hình 3.6: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật P&O

48

Hình 3.7: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ không đổi

48

Hình 3.8: Kết quả mô phỏng thuật toán P&O khi chiếu độ thay đổi

49

Hình 3.9: Hệ Pin PV phát năng lượng về lưới điện

49

Hình 3.17: Lưu đồ tỷ lệ điện áp mở mạch

57

Hình 3.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật điều khiển điện áp hở mạch 58
Hình 3.19: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch

59

chiếu độ không đổi
Hình 3.20: Kết quả mô phỏng thuật toán điều khiển điện áp hở mạch

59

chiếu độ không đổi
Hình 3.21: Đặc tuyến đường cong công suất PV

59

Hình 3.22: Mô phỏng bằng Matlab simulink giải thuật tăng tổng dẫn

61

Hình 3.23: Kết quả mô phỏng thuật toán tăng tổng dẫn chiếu độ không đổi

61

Hình 3.24: Kết quả mô phỏng thuật toán tăng tổng dẫn chiếu độ thay đổi

62

68

hai tập hợp con trong nhóm1
Hình 4.6: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của

68

hai tập hợp con trong nhóm 2
Hình 4.7: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của

69

một tập hợp con trong nhóm 3
Hình 4.8: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của mỗi tập

69

hợp nối tiếp trong mỗi nhóm từ 1 đến 3
Hình 4.9: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của mỗi nhóm

70

từ 1 đến 3
Hình 4.10: Những đường cong đặc tính I – V và P – V của một dãy PV

71

Hình 4.11: Những đường cong đặc tính P – V, tập hợp nối tiếp, nhóm, dãy

73

Hình 4.17: Những đường cong đặc tính I – V và P – V

81

của một tập hợp con trong nhóm 5.
Hình 4.18: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp P&O
Hình 4.19: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha

ia

82
83

Hình 4.20: Dòng điện sau khi qua bộ lọc

83

Hình 4.21: Mô phỏng bằng Matlab simulink theo phương pháp tổng dẫn

84

Hình 4.22: Điện áp nghịch lưu U a 0 và dòng điện pha

ia

84

Hình 4.23: Dòng điện sau khi qua bộ lọc

85

dạng hữu ích. Hơn nữa, năng lượng mặt trời lệ thuộc vào điều kiện tự nhiên, không
đủ ổn định để những thiết bị điện và điện tử có thể sử dụng một cách an toàn và
hiệu quả. Tận dụng tốt nguồn năng lượng này, phần lớn sẽ giải quyết được bài toán
năng lượng của nhân loại.
Để sản xuất điện mặt trời người ta thường sử dụng 2 công nghệ: nhiệt mặt
trời và pin quang điện :
- Nhiệt mặt trời: năng lượng mặt trời được hội tụ nhờ hệ thống gương hội tụ
để tập trung ánh sáng mặt trời tạo thành nguồn nhiệt có nhiệt độ cao làm bốc hơi
nước, hơi nước sinh ra làm quay tuabin để sản xuất ra điện năng
- Pin quang điện: được chế tạo từ các chất bán dẫn. Điện năng được sinh ra
khi có ánh sáng mặt trời chiếu đến. Các tế bào quang điện có khả năng thể hiện
chức năng này bằng cách nhận năng lượng mặt trời tách electron ra khỏi tinh thể
bán dẫn tạo thành dòng điện. Như vậy các tế bào quang điện dùng mặt trời là nguồn
nhiên liệu.
Ở đây ta tập trung vào lĩnh vực thứ nhất , tức biến đổi trực tiếp quang năng
thành điện năng. Tuy nhiên nó có công suất không lớn và giá thành còn quá đắt. Do

Luận văn thạc sĩ

1

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

đó để nâng cao công suất và giảm chi phí, thì ta phải đi nghiên cứu các phương
pháp sao cho công suất của nguồn năng lượng mặt trời thu được là lớn nhất, từ đó
thiết kế và điều khiển tối ưu các bộ thu năng lượng mặt trời.
Đề tài này cho ta cái nhìn tổng quan về hệ năng lượng mặt trời với các


-

Một bảng gồm nhiều khối kết hợp lại với nhau. Ghép sao cho phát ra dòng và
áp đảm bảo nhu cầu người tiêu dùng.
Qua những tấm pin mặt trời, năng lượng mặt trời được chuyển hoá thành

điện năng. Mỗi tấm pin mặt trời cung cấp một lượng nhỏ năng lượng, nhưng nhiều
tấm pin được đặt trải dài trên một diện tích lớn tạo nên nguồn năng lượng lớn hơn
đủ để các thiết bị điện sử dụng. Mỗi tấm pin mặt trời có công suất khác nhau như:
30Wp, 40Wp, 45Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp. Điện áp của các tấm
pin thường là 12VDC. Công suất và điện áp của hệ thống tuỳ thuộc vào cách ghép
nối các tấm pin lại với nhau. Nhiều tấm pin mặt trời có thể ghép nối tiếp hoặc song
song với nhau để tạo thành một dàn pin mặt trời (array). Để đạt được hiệu năng tốt
nhất, những tấm pin phải luôn được phơi nắng và hướng trực tiếp đến mặt trời.
Hiệu suất thu được điện năng từ pin mặt trời ở các vùng miền vào các giờ
trong ngày là khác nhau, do bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất không đồng đều
nhau. Hiệu suất của pin mặt trời phụ thuộc vào nhiều yếu tố:
-

Chất liệu bán dẫn làm pin.

-

Vị trí đặt các tấm panel mặt trời

-

Thời tiết khí hậu, mùa trong năm.



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

Luận văn thạc sĩ

4

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

Hình1.5 Khi mắc song song các tấm pin mặt trời, dòng ngắn mạch của hệ
thống sẽ bằng tổng dòng ngắn mạch của tất cả tấm pin mặt trời trong hệ thống, áp
hở mạch của hệ thống bằng áp hở mạch của một tấm.
1.3 Hệ pin mặt trời làm việc độc lập.
Hệ pin mặt trời (hệ PV – photovoltaic system) nhìn chung được chia thành 2 loại
cơ bản:
-

Hệ PV làm việc độc lập

-

Hệ PV làm việc với lưới

- Hệ PV độc lập thường được sử dụng ở những vùng xa xôi hẻo lánh, nơi mà lưới
điện không kéo đến được.
- Còn trong hệ PV làm việc với lưới, mạng lưới pin mặt trời được mắc với lưới điện
qua bộ biến đổi mà không cần bộ dự trữ năng lượng. Trong hệ này, bộ biến đổi

Các bộ bán dẫn trong hệ PV gồm có bộ biến đổi 1 chiều DC - DC và bộ biến
đổi DC - AC.
 Bộ DC - DC được dùng để xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất của
pin và làm ổn định nguồn điện một chiều lấy từ pin mặt trời để cung cấp cho
tải và ắc quy. Bộ biến đổi DC - DC còn có tác dụng điều khiển chế độ nạp và
phóng để bảo vệ và nâng cao tuổi thọ cho ắc quy. Có nhiều loại bộ biến đổi
DC - DC được sử dụng nhưng phổ biến nhất vẫn là 3 loại là: Bộ tăng áp
Boost, Bộ giảm áp Buck và Bộ hỗn hợp tăng giảm Boost – Buck. Cả 3 loại
DC - DC trên đều sử dụng nguyên tắc đóng mở khóa điện tử theo một chu kỳ
được tính toán sẵn để đạt được mục đích sử dụng. Tùy theo mục đích và nhu
cầu mà bộ DC - DC được lựa chọn cho thích hợp.
Khóa điện tử trong mạch DC - DC được điều khiển đóng cắt từng chu kỳ.
Mạch điều khiển khóa điện tử này được kết hợp với thuật toán xác định điểm làm
việc tối ưu (MPPT – Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo cho hệ quang
điện được làm việc hiệu quả nhất.
 Bộ DC - AC có nhiệm vụ chuyển đổi nguồn 1 chiều sang xoay chiều (110
hoặc 220 VAC, tần số 50Hz hoặc 60 Hz) để phục vụ cho các thiết bị xoay
chiều. Có nhiều kiểu bộ biến đổi DC - AC, chúng có thể làm việc cả hai chế
độ là từ một chiều sang xoay chiều và cả chế độ từ xoay chiều sang một

Luận văn thạc sĩ

6

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

chiều. Nhìn chung, bộ biến đổi DC - AC trong hệ PV độc lập có thể làm việc

động lớn như của máy bơm…

-

Có bảo vệ quá áp, bảo vệ tần số, bảo vệ ngắn mạch….

-

Dung lượng đặc tính.

-

Tổn hao không tải thấp.
Các linh kiện bán dẫn được sử dụng trong bộ biến đổi này là các MOSFET,

IGBT. MOSFET được sử dụng với trường hợp công suất lên tới 5KVA và điện áp
là 96 VDC. Chúng có ưu điểm là tổn hao công suất ít ở tần số cao. Do có điện áp
rơi là 2 VDC. Còn IGBT thường chỉ được sử dụng trong những hệ có điện áp trên
96 VDC.
Hệ PV độc lập thường sử dụng bộ biến đổi nguồn điện áp 1 pha hoặc 3 pha.
Bộ biến đổi DC - AC thường sử dụng là :
Bộ biến đổi có dạng sóng giả Sin, nó là sự lựa chọn rất kinh tế và đặc biệt
phù hợp với hệ quang điện.
Bộ biến đổi có dạng sóng ra hình Sin giống như dạng sóng của điện lưới nên
tương thích và đáp ứng với hầu hết các loại tải. Bộ biến đổi dạng sóng sin có giá
thành lớn hơn bộ biến đổi dạng gần sin, nhưng chất lượng điện áp của bộ biến đổi
loại này là một ưu điểm lớn.

Luận văn thạc sĩ


này cho phép giảm số lượng thành phần vì nó chỉ dùng một chíp đơn để làm nhiều

Luận văn thạc sĩ

8

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

nhiệm vụ khác nhau. Nhiều bộ điều khiển số được trang bị thêm bộ biến đổi A/D
nhiều lần và nguồn tạo xung PWM, vì vậy nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị
chỉ với một bộ điều khiển đơn lẻ.
 Thuật toán điều khiển MPPT
Pin quang điện photovoltaic (PV) là một chất bán dẫn có mối nối p-n, pin
quang điện PV có thể xem là trường hợp ngược lại của diode quang. Diode
quang nhận năng lượng điện sinh ra ánh sáng, pin PV nhận năng lượng ánh sáng
sinh ra điện.
PV có đặc tính phi tuyến như hình vẽ sau

Hình 1.8 Đường cong đặc tính I – V và P - V hệ thống pin mặt trời
Trên hình vẽ ta thấy đặc tính PV có một điểm mà ở đó công suất thu được là
cực đại, đó cũng chính là mục tiêu của hệ thống MPPT.
Mặt trời thay đổi cường độ chiếu sáng liên tục, do đó các điểm MPP cũng
thay đổi, giả sử tải là một điện trở, ta có đường đặc tính làm việc sau:

Hình 1.9 Những đường cong đặc tính I – V và đặc tính tải khi cường độ bức
xạ thay đổi



Luận văn thạc sĩ

10

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

 Maximum Power Point Tracking Scheme for PV Systems Operating Under
Partially Shaded Conditions
Các bài báo khoa học này đề cập đến nhiều thuật toán như: P&O, Incremental
conductance, P&O Under Partially Shaded Conditions, … Tuy nhiên chúng ta chỉ
giới hạn xem xét thuật toán P&O và P&O Under Partially Shaded Conditions.
1.5 Nhược điểm của các nghiên cứu khoa học.
 Nhược điểm của nghiên cứu P&O.
Thuật toán P&O sẽ không đáp ứng được nếu môi trường thay đổi quá nhanh,
hoặc cường độ chiếu sáng không đều trên dãy PV.

Hình 1.11. Đường cong đặc tính P – V thay đổi khi dãy PV bị bóng che
Trong điều kiện môi trường không thay đổi ( cường độ bức xạ đồng nhất):
đường cong P1 không đổi, điểm hoạt động của dãy PV dưới giải thuật P&O sẽ dao
động xung quanh điểm cực đại A.
Khi dãy PV bị bóng che một phần (ví dụ có đám mây bay qua), đường cong P1
trở thành P2 ( do cường độ bức xạ không đồng nhất), thuật toán P&O sẽ hoạt động
chưa chính xác: điểm hoạt động sẽ bị lệch từ A sang A’, và thuật toán P&O sẽ dò ra
điểm cực đại là điểm B, nhưng điểm B chưa phải là điểm có công suất lớn nhất
(điểm có công suất lớn nhất là điểm C).


 Thu thập, nghiên cứu tài liệu liên quan đến đề tài luận văn.
 Xây dựng mô hình mô phỏng các thuật toán.
 Phân tích, đánh giá những kết quả nhận được và các kiến nghị.

Luận văn thạc sĩ

12

Lý Công Nguyên


Chương 1 Tổng quan

1.9 Giá trị thực tiễn của đề tài :
Từ xu hướng nghiên cứu về năng lượng tái tạo nhằm góp phần tiết kiệm năng
lượng, cũng như giảm tải cho nguồn điện lưới quốc gia một phần năng lượng. Nhưng chi
phí cho một hệ thống pin mặt trời hiện nay còn quá cao, vậy ta phải tận dụng được công
suất tối đa có thể, trong mọi điều kiện thay đổi của môi trường. Chính vì những lý do trên,
đề tài: “Khảo sát thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và bộ chuyển đổi DC –
DC, DC – AC ” được hình thành.
Với kết quả nhận được có thể:
 Hiểu rõ và ứng dụng thành công hơn việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
dựa vào các thuật toán MPPT và các bộ chuyển đổi năng lượng từ DC – DC, DC - AC.
 Có thêm một hướng nhìn mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.

Luận văn thạc sĩ

13

Lý Công Nguyên



Chương 2 Cơ Sở Lý Thuyết

Hình 2.3 Hệ thống 2 mức năng lượng trong đó E1 < E2.
Bình thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E1 .Khi chiếu sáng hệ thống,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv (h là hằng số Plank và v là tần số
ánh sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên mức E2.
Phương trình cân bằng năng lượng:
hv = 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 trên tiếp đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn,
bên dưới của vùng có năng lượng là EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó
gọi là một vùng cấm có độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng
lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến vật rắn có vùng năng lượng nói trên, photon có năng lượng
hv tới hệ thống , bị điện tử của vùng hoá trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng
dẫn để trở thành điện tử tự do e-,lúc này vùng hoá trị sẽ có một lỗ trống có thể di
chuyển như “hạt“ mang điện tích dương nguyên tố (kí hiệu h+). Lỗ trống này có thể
di chuyển và tham gia vào quá trình dẫn điện.

Hình 2.4 Các vùng năng lượng.

Luận văn thạc sĩ

15