Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện biến tần.doc

DỊCH VỤ VIẾT THUÊ ĐỀ TÀI TRỌN GÓI ZALO / TEL: 0909.232.620
TẢI TÀI LIỆU – KẾT BẠN ZALO: 0909.232.620
s
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
---------------------------
PHẠM TOÀN SINH
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN
BẰNG BIẾN TẦN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành:60520202
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

s
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
---------------------------
PHẠM TOÀN SINH
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ
THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN
VỚI LƯỚI ĐIỆN
BẰNG BIẾN TẦN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành:60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

s
TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016

s
CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS Nguyễn Thanh Phương
Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày
12 tháng 03 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
TT Họ và tên Chức danh Hội đồng
1 TS. Nguyễn Hùng Chủ tịch
2 TS. Đoàn Thị Bằng Phản biện 1
3 TS.Đinh Hoàng Bách Phản biện 2
4 PGS.TS. Ngô Chí Kiên Ủy viên
5 PGS.TS Trương Việt Anh Ủy viên, Thư ký
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được sửa
chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV

s
TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2016
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Toàn Sinh Giới tính: Nam
Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1976 Nơi sinh: Thái Nguyên
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1441830021
I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN
VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.
2. Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến
tần đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần
mềm MATLAB.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
3. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 20/08/2015
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11/01/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH
PGS TS. Nguyễn Thanh Phương

s
i
LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. 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.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này đã
được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)

s
ii
LỜI CÁM ƠN
Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh,
PGS TS. Nguyễn Thanh Phương, Quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và
tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp 14SMD11 và cá nhân tôi trong suốt học trình
nghiên cứu và học tập thach sỹ tại trường.
Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS. Nguyễn
Thanh Phương, những người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt
thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng
trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay.
Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt
thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Xin trân trọng và chân thành gửi lại tất cả nơi đây lòng tri ân sâu sắc nhất.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016
Người thực hiện luận văn

s
iii
TÓM TẮT
I. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài :
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai,
cụ thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật
toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.
II. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài :
1. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến
mềm MATLAB.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Kết luận.
2. Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông
qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề
cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.

s
iv
ABSTRACT
I. The purposes, the objects and the subjects of the research study
This study is aimed at researching the control system connected to the solar
cellsby the grid usingthe hybrid inverter, namely: the solar cells and MPPT
algorithms, thehybrid inverter and modulation techniques,and the
algorithmscontrolling the systems connected to PV by the grid.
II. The procedures and the limitations of the research study:
1. the procedures of the research study
-study the solar powerand the effectively used solutions, the structures and
principles of photovoltaic (PV), the types of the PV systemsconnectedto the
gridsand independent PV systems.
-study the detection algorithmssearching for the maximum power point of PV
systems
- researchthe multi-level inverter theory, the hybrid inverter and PWM control
techniques for multi-level hybrid inverter.
- establishthe algorithms and simulate models ofthe 5-stephybrid inverter
recommended by MATLAB software
- study the controlled algorithms of the system connected to PV by hybrid
inverter.
- model and simulate the system connected to PV by hybrid inverter
- evaluate the results of simulation.
- conclusion.
2. the limitations of the research study
Due to the limited time and research conditions, the research study only
focusses on studying the control of the system connected to PV by the grid using the
hybrid inverter through modelling and simulating by using Matlab/Simulink tools.
The calculation of the design of PV panel and the real model design are not
conducted in this study with the limitations of the above mentioned conditions.

s
v
MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN........................................................................................................ i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................ii
TÓM TẮT .................................................................................................................iii
ABSTRACT.............................................................................................................. iv
MỤC LỤC.................................................................................................................. v
DANG MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG......................................................................................... x
DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH........................................ xi
Chương 1 TỔNG QUAN ........................................................................................... 1
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu...................................................................... 1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài.................. 5
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu .............................. 5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ........................................................................... 7
2.1 Năng lượng mặt trời. ........................................................................................ 7
2.2 Pin quang điện (PV). ........................................................................................ 8
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV.................................................... 8
2.2.2 Mạch tương đương của PV...................................................................... 10
2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao...................................................... 10
2.2.4 Tấm PV.................................................................................................... 12
2.2.5 Hệ thống dãy PV...................................................................................... 13
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV........................................................................ 15
2.3.1 Cường độ chiếu sáng. .............................................................................. 15
2.3.2 Góc chiếu sáng......................................................................................... 16
2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ ................................................................................... 17
2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ..................................................................................... 19
2.3.5 Hiệu ứng thời tiết..................................................................................... 20
2.3.6 Hòa hợp tải điện....................................................................................... 21
2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời. ....................................... 22
2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT ................. 22
2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP)............................................. 22

s
vi
2.4.2 Bộ điều khiển MPPT................................................................................ 25
2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter)........................................... 25
2.4.4 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT)........................... 28
2.4.4.1 Xáo trộn và theo dõi P&O................................................................. 28
2.4.4.2 Tăng tổng dẫn INC............................................................................ 32
2.4.4.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch ............................................ 34
2.5 Các dạng cấu trúc bộ chuyển đổi PV.............................................................. 35
2.5.1. Bộ chuyển đổi tập trung (Centralized Converters)................................. 35
2.5.2. Bộ chuyển đổi theo dãy (String Converters) .......................................... 35
2.5.3. Bộ chuyển đổi đa dãy (Multi-String Converters) ................................... 36
2.5.4. Bộ chuyển theo modul AC (AC-Module Converters)............................ 36
2.6 Các dạng pin quang điện nối lưới và hoạt động độc lập ................................ 36
2.6.1 Dạng nối lưới ........................................................................................... 36
2.6.1.1 Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui.................................... 37
2.6.1.2 Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui............................................... 38
2.6.2 Dạng độc lập ............................................................................................ 38
2.6.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước .......................... 39
2.6.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng ......................... 39
2.6.2.3 Hệ thống PV ở những khu xa dân cư................................................ 40
CHƯƠNG 3 BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN ..................................................................................................................... 41
3.1 Khái quát về bộ nghịch lưu áp đa bậc. ........................................................... 41
3.1.1 Khái niệm................................................................................................. 41
3.1.2 Phân loại. ................................................................................................. 41
3.2 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc........................................... 42
3.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped
multilevel inverter –NPC)................................................................................. 42
3.2.2 Cấu trúc tụ điện thay đổi (Flying capacitor inverter) .............................. 44
3.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter)............................................ 45
3.2.4 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc lai (Hybrid Multilevel Inverter).............. 46
3.2.5 Nhận xét................................................................................................... 47

s
vii
3.3 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu và các dạng sóng
mang dùng trong kỹ thuật PWM. ......................................................................... 48
3.3.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu. ................... 48
3.3.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM..................................... 49
3.3.2.1 Bố trí cùng pha (PD: In phase Disposition) :.................................... 49
3.3.2.2 Hai sóng mang kế tiếp nhau sẽ dịch 1800
:........................................ 49
3.3.2.3 Bố trí đối xứng qua trục Zero: .......................................................... 50
3.4 Các phương pháp điều chế bộ nghịch lưu áp. ................................................ 51
3.4.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin–PWM)............................. 51
3.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO – PWM)................. 52
3.4.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian................................................. 53
3.4.3.1 Khái niệm vector không gian............................................................ 53
3.4.3.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc :............................. 54
3.4.4 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện............................................... 56
3.4.4.1 Phương pháp dùng mạch tạo trễ (hystereris current control)............ 56
3.4.4.2 Phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (ramp
comparison current control).......................................................................... 57
3.4.5 Phương pháp điều khiển vector dòng điện (Space vector current control)
58
3.5 Phân tích thuật toán PWM cho BNL lai 5 bậc được ghép từ 2 bộ nghịch lưu 3
pha 3 bậc & 2 bậc ................................................................................................. 60
3.5.1 Mạch khảo sát .......................................................................................... 60
3.5.2 Phân tích mạch......................................................................................... 61
3.5.3 Giải thuật cho mô hình đề xuất................................................................ 61
3.5.4 Kỹ thuật điều chế sóng mang PWM cho BNL lai 5 bậc đề xuất............. 63
3.6 Mô phỏng và đánh giá chất lượng điều chế BNL lai 5 bậc đề xuất ............... 64
CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KẾT NỐI PV VỚI
LƯỚI ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN LAI...................................................................... 74
4.1 Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV.............................................................. 74
4.2 Mô hình hóa các khối trong hệ thống............................................................. 75
4.2.1 Khối PV array .......................................................................................... 76

s
viii
4.2.2 Khối MPPT và DC/DC converter............................................................ 79
4.2.2.1 Khối MPPT ....................................................................................... 79
4.2.2.2 Khối DC/DC converter (Buck-Boost converter) .............................. 83
4.2.4 Khối máy biến áp và lưới......................................................................... 86
4.2.5 Các khối chuyển đổi tín hiệu ................................................................... 88
4.3 Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh....................................................... 89
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN......................................................................................... 97
TÀI LIỆU THAM KHẢO........................................................................................ 98

s
ix
DANG MỤC VIẾT TẮT
PV- photovoltaic
α - phase angle of reference vector
λ - power factor
φ - phase angle of current
ω - angular frequency
ψ - phase angle
ε - control phase angle
cosφ - fundamental power factor
f – frequency
R – resistance
S – apparent power
T – time period
P – active power
Q – reactive power
Z - impedance
..a, ..b, ..c - phases of three-phase system
DPC Direct Power Control
DSP Digital Signal Processor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
PLL Phase Locked Loop
PWM Pulse-Width Modulation
REC Rectifier
SVM Space Vector Modulation
THD Total Harmonic Distortion
VF Virtual Flux
VFOC Virtual Flux Oriented Control
VF-DPC Virtual Flux Based Direct Power Control

s
x
DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic. ................. 17
Bảng 3.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng... 44
Bảng 3.2: Nguyên tắc tổng hợp điện áp nghịch lưu lai bảy bậc hình 3.4................ 47
Bảng 3.3: Điện áp và các chỉ số điều chế của bộ nghịch lưu lai 5 bậc (V=Vd)...... 62
Bảng 4.1: Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV [4]. ............................................... 74
Bảng 4.2: Các thông số môđun PV EC-110-G. ....................................................... 78
Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng các giá trị điện áp, dòng điện và công suất tại MPP
của array gồm 5 môđun PV EC-110-G mắc nối tiếp............................................... 83
Bảng 4.5: Các thông số chính cho việc mô phỏng mô hình đưa ra......................... 90

s
xi
DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trờiGT [ERDA/NASA-1997] .................................... 8
Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV.................................................................................... 9
Hình 2.3: Mạch tương đương của PV...................................................................... 10
Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV. .................................................... 10
Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế...................................................................... 11
Hình 2.6 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rs .............................................................. 11
Hình 2.7 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rp.............................................................. 11
Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp ........................................... 12
Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV............................................... 13
Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I -V của môđun PV......................... 13
Hình 2.11: Array PV nối tiếp .................................................................................. 13
Hình 2.12: Đường đặc tính I -V của Array PV nối tiếp.......................................... 14
Hình 2.13: Array PV nối song song........................................................................ 14
Hình 2.14: Đường đặc tính I -V của Array PV nối song song................................ 14
Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ......................................... 15
Hình 2.16: Đường đặc tính I -V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp .. 15
Hình 2.17: Đặc tính I -V dịch xuống khi chiếu độ giảm .......................................... 16
Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này ổn định khi
bức xạ tăng............................................................................................................... 16
Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0 đến 90 . 17
Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện. .................................. 18
Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công
suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều. ............................................................................. 18
Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V. Tế bào sinh ít dòng nhưng
nhiều......................................................................................................................... 19
Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V...................................................... 20
Hình 2.24: Hoà hợp tải và ổn định vận hành với tải trở và tải công suất hằng số. . 21
Hình 2.25: Bộ xoay hai trục, xoay theo măt trời giống như bông hướng dương .... 22
Hình 2.26 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ....................................... 23
Hình 2.27: Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R........................................ 24

s
xii
Hình 2.28: Điểm MPP của PV................................................................................. 24
Hình 2.29: Các điểm làm việc của tải thuần trở...................................................... 25
Hình 2.30: Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter............................... 25
Hình 2.31: Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter)............................... 26
Hình 2.32: Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter. ..................................................... 26
Hình 2.33: Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter.......................... 27
Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán P&O. ........................................................................ 29
Hình 2.35: Hệ PV phát năng lượng về lưới điện ..................................................... 30
Hình 2.36: Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O. ............. 30
Hình 2.37: Cấu tạo một Cell PV .............................................................................. 31
Hình 2.38: Đặc tính P- I của môđun PV khi chiếu độ thay đổi. .............................. 32
Hình 2.39: Lưu đồ thuật toán INC........................................................................... 34
Hình 2.40: Tổng quan theo lịch sử của các bộ chuyển đổi PV................................ 35
Hình 2.41: Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui ........................................ 37
Hình 2.42: Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui................................................... 38
Hình 2.43: Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang điện ........ 39
Hình 2.44: Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện ...................... 40
Hình 2.45: Hệ thống pin quang điện ở những khu xa dân cư.................................. 40
Hình 3.1: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC)................................................. 43
Hình 3.2: Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi................................................... 44
Hình 3.3: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter.................................... 45
Hình 3.4: Cấu trúc nghịch lưu lai một pha bảy bậc ................................................ 46
Hình 3.5: Sóng mang dạng PD ................................................................................ 49
Hình 3.6: Sóng mang dạng APOD........................................................................... 50
Hình 3.7: Sóng mang dạng POD ............................................................................. 50
Hình 3.8: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang.................... 53
Hình 3.9. Vector không gian .................................................................................... 54
Hình 3.10. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc..................................... 55
Hình 3.11: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ .................................. 56
Hình 3.12: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh............................ 57
Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ quay. 58

s
xiii
Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ đứng
yên. ........................................................................................................................... 59
Hình 3.15: Thuật toán PWM cho bộ nghịch lưu 3 bậc & 2 bậc. ............................. 60
Hình 3.16: Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu lai 3 pha 3 bậc & 2 bậc .............................. 60
Hình 3.17: a) Mô hình tương đương từ mạch khảo sát - b)Mạch tương đương cuối
cùng . ........................................................................................................................ 61
Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng tổng quát trong Simulink. ........................................... 64
Hình 3.19 : Điện áp điều khiển ................................................................................ 65
Hình 3.20: Khối khởi tạo xung kích......................................................................... 65
Hình 3.21: Tín hiệu sóng điều chế pha A................................................................. 66
Hình 3.22: Tín hiệu sóng điều chế pha B................................................................. 66
Hình 3.23: Tín hiệu sóng điều chế pha C................................................................. 67
Hình 3.25: Xung kích S1a ........................................................................................ 68
Hình 3.26: Xung kích S1a’....................................................................................... 68
Hình 3.27: Xung kích S2a ........................................................................................ 68
Hình 3.28: Xung kích S2a’....................................................................................... 69
Hình 3.29: Xung kích S3a ....................................................................................... 69
Hình 3.30: Xung kích S3a’....................................................................................... 69
Hình 3.31: Dạng sóng dòng điện tải 3 pha.............................................................. 70
Hình 3.32: Dạng sóng điện áp 1 pha tải.................................................................. 70
Hình 3.33: Dạng sóng điện áp dây của tải. ............................................................. 70
Hình 3.34: Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn........................................................ 71
Hình 3.35: Phổ hài của dòng điện pha tải............................................................... 71
Hình 3.36: Tỉ lệ các bậc hài của dòng điện pha tải................................................. 72
Hình 3.37: Phổ hài của điện áp pha tải................................................................... 72
Hình 3.38: Phổ hài của điện áp pha-pha tải............................................................ 73
Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển được đưa ra. ................................... 75
Hình 4.2: Sơ đồ mạch nguồn Vd kép của khối PV Source....................................... 76
Hình 4.3: Sơ đồ mạch nguồn 2Vd của khối PV Source. .......................................... 77
Hình 4.4: Sơ đồ mô hình môđun PV......................................................................... 78
Hình 4.5: Đồ thị đặc tính môđun PV EC-110-G ứng với chiếu độ G = 1000W/m2
.. 79

s
xiv
Hình 4.6: Đồ thị đặc tính môđun PV ứng với G = 200, 400, 600, 800, 1000W/m2
.. 79
Hình 4.7: Mô hình Simulink của khối MPPT........................................................... 80
Hình 4.8: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến. .............................................................. 81
Hình 4.9: Mô hình mô phỏng giải thuật MPPT cải tiến tìm MPP cho 5 môđun PV
EC-110-G mắc nối tiếp trong trường hợp chiếu độ thay đổi................................... 82
Hình 4.10: Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất của array gồm 5 môđun PV
mắc nối tiếp khi chiếu độ thay đổi. .......................................................................... 82
Hình 4.11: Mô hình Simulink của mạch Buck-Boost converter............................... 83
Hình 4.12: Mô hình mô phỏng mạch Buck-Boost converter được cấp nguồn từ PV
array qua thuật toán MPPT. .................................................................................... 84
Hình 4.13: Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost converter ở hình 4.12. ................ 85
Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất. a) BNL 3 bậc NPC ; b)
BNL 2 bậc thông thường. ......................................................................................... 86
Hình 4.15: Các thông số mô hình khối máy biến áp................................................ 87
Hình 4.16: Các thông số mô hình khối lưới ba pha................................................. 87
Hình 4.17: Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh............................................... 90
Hình 4.18: Dạng sóng áp điều khiển. ...................................................................... 91
Hình 4.19: Dạng sóng sóng mang 6kHz. ................................................................. 91
Hình 4.20: Dạng sóng áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu. .............................................. 92
Hình 4.21: Dạng sóng dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu. ......................................... 92
Hình 4.22: Dạng sóng điện áp dây tại điểm kết nối chung (PCC). ......................... 92
Hình 4.23: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC................................................... 92
Hình 4.24: Dạng sóng dòng điện tại PCC với trường hợp lưới bị mất điện (0.04-
0.06s)........................................................................................................................ 93
Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC................................................... 93
Hình 4.26: Dạng sóng áp pha A của hệ thống phát và lưới được đồng bộ. ............ 93
Hình 4.27: Phổ hài của dòng điện pha A tại điểm kết nối chung. ........................... 94
Hình 4.28: Tỉ lệ của dòng hài bậc 2 đến bậc 10 tại điểm kết nối chung. ................ 94
Hình 4.29: Phổ hài của điện áp pha A tại điểm kết nối chung. ............................... 95

s
1
Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu
Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và vấn
đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến phát
điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái tạo đã
được thừa nhận rộng rãi. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt
trời không phát ra bất kỳ chất độc nào làm ô nhiễm nước, không khí hay đất, và hơn
nữa, năng lượng mặt trời là vô tận, không bao giờ hết được. Một trong các cách để
sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả là dùng pin quang điện (PV-Photovoltaic) kết
nối lưới điện với quy mô lớn. Số hệ thống PV được nối với lưới điện đã gia tăng
theo số mũ.
Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử lý
tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng tâm
trong lĩnh vực điện tử công suất. So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông thường, bộ
chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau:
- Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp
- Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp
- Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn. Ngoài ra, việc sử
dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ.
- Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất
đóng cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV
với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai
đoạn hiện nay.
* Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV với
lưới được tóm tắt như sau:
[1] N.A. Rahim, J. Selvaraj, C. Krismadinata, “Five-level inverter with dual
reference modulation technique for grid-connected PV system”, Crown
Copyright 2009 Published by Elsevier Ltd.
Bài báo này trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha
với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch

s
2
tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu
PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt
và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc,
và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong
DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với
tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra
được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm
so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD.
* Ưu điểm:
- Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin
- Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so
với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%)
- Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc
của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất
cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99)
- Kích cỡ bộ lọc nhỏ
- Nhiễu điện từ (EMI) thấp
* Hạn chế:
- Hiệu suất BNL đưa ra (90%) thấp hơn so với BNL 3 bậc thông thường
(92%)
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.
[2]. Longhua Zhou, Qing Fu, Xiangfeng Li, and Changshu Liu, “A Novel
Photovoltaic Grid-connected Power Conditioner Employing Hybrid Multilevel
Inverter”, 2009.
Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và
giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối
lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai. Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi
pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi

s
3
hai MBA lưới để phát ra 9 mức điện áp. Bộ PVPC được tích hợp với việc bù công
suất phản kháng và công suất tác dụng, theo cách này, PVPC không chỉ cung cấp
công suất tác dụng và công suất phản kháng mà còn nâng cao chất lượng điện năng
trong hệ thống điện. Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian
được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng
dụng của phương pháp PWM lai. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng trên phòng thí
nghiệm 380V/13kW sẽ được trình bày để chứng minh hệ thống PVPC được đưa ra.
* Ưu điểm:
Các đặc điểm hấp dẫn của bộ PVPC đa bậc được đưa ra được tóm tắt như sau:
1. Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp): THDI <
2%.
2. Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường
3. Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng
4. Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp
5. Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng
truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái
cân bằng.
6. Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp
ghép tầng.
* Hạn chế:
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.
[3].
Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang
điện nối lưới (GCPS) để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của
GCPS trong việc thiết kế hệ thống. Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt
trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính

s
4
cơ bản. Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của
nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử
dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó
được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Mô hình được mô tả với sự
xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ
hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích
để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá
hiệc quả bảo vệ và điều khiển của GCPS về mặt phân tích quá độ điện từ.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển GCPS với sự phân tích chi
tiết các vấn đề như:
- Hiệu quả điều khiển công suất của GCPS.
- Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua bộ điều
khiển bảo vệ.
- Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để cung cấp
công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới.
- Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) của dòng ngõ ra BNL bằng 2,5%.
* Hạn chế:
- Tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao.
[4] Gabriele Grandi, Darko Ostojic, Claudio Rossi, “Dual Inverter
Configuration for Grid-Connected Photovoltaic Generation Systems”,
Department of Electrical Engineering, University of Bologna, Italy, 2007.
Bài báo này trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối
lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời. Bộ điều hòa công suất đưa ra sử
dụng một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi để nâng cao công suất định mức cực đại trên
cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau:
- Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc
thông thường.

s
5
- Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực
với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng.
- Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác.
- Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng.
- Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng
điện thứ tự không trong mạch.
* Hạn chế:
- Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường.
- Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD).
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và
các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới là
vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay.
triển cho các hướng nghiên cứu sau này.
Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với
lưới điện bằng biến tần lai.
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai,
cụ thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật
toán điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.
1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến
mềm MATLAB.

s
6
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Kết luận.
1.4.2 Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông
qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề
cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).
- Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu.
- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.
- Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng.

s
7
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Năng lượng mặt trời.
Năng lượng Mặt trời là một trong các nguồn năng luợng tái tạo quan trọng
nhất mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta đồng thời nó cũng là nguồn
gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh
khối, năng lượng các dòng sông… Năng lượng Mặt trời có thể nói là vô tận, tuy
nhiên để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và
tính chất cơ bản của nó, đặc biệt là khi tới bề mặt Quả đất.
Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm
và đầu tư. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn đề
lớn. Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu về
điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ nguyên
năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các quốc gia
phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ thuộc
vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than, v.v.
Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia
bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng
với bước sóng ( ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ
từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang
điện silicon. Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt
trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap
(hiểu như mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh
của chúng) của silicon (h < Eg). 30,2 % khác cũng bị mất đi ở các vùng năng
lượng (h > Eg). Chỉ có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang
điện”.

s
8
Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trờiGT [ERDA/NASA-1997]
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.
Đề tài này sẽ trình bày về pin quang điện sử dụng năng lượng mặt trời và xây
dựng mô hình sử dụng tối ưu công suất từ pin quang điện và kết nối lưới điện.
2.2 Pin quang điện (PV).
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV.
Pin quang điện sử dụng chất bán dẫn để biến đổi quang năng thành điện năng.
Kỹ thuật tạo PV rất giống với kỹ thuật tạo ra các linh kiện bán dẫn như transistor,
diode… Nguyên liệu dùng làm pin PV cũng giống như các linh kiện bán dẫn khác
thông thường là tinh thể silicon thuộc nhóm IV.

s
9
Có thể nói 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.
Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV.
Phân tích dòng chảy electron và lỗ trống trong mối nối đưa đến phương trình
diode quen thuộc như sau:
qV
I d I 0 ( e kT
1) (2.1)
Với: I0 là dòng điện ngược của diode
q : điện tích electron = 1.602 x 10-19
C
k : hằng số Boltzman = 1.381 x 10-23
J/K
T : nhiệt độ tuyệt đối (o
K)

s
10
2.2.2 Mạch tương đương của PV.
Hình 2.3: Mạch tương đương của PV.
Hai tham số quan trọng của PV là dòng ngắn mạch Isc và điện áp hở mạch
Voc.
Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV.
Điên áp hở mạch Voc là hiệu điện thế được đo khi hở mạch ngoài của PV khi
chịu tác động ở mức chiếu độ chuẩn, được lấy ở chiếu độ đỉnh tương ứng 1kW/m2
ở 25o
C của cell PV.
Dòng ngắn mạch Isc là dòng điện được đo trong mạch của PV khi nối tắc mạch
ngoài, lúc đó V = 0 và cũng trong điều kiện như trên. Ở nhiệt độ chuẩn 25o
C công
thức tương đương sẽ như sau:
I I sc I 0 (e38.9V
1) (2.2)
V
oc  0.0257 ln(
I
sc
1) (2.3)
I0
2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các 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

s
11
Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế.
Hình 2.6 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rs
Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng của Rp khi bỏ qua Rs:
Hình 2.7 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi
Rp Đồ thị đặc tính của pin PV bị ảnh hưởng cả Rp và Rs:

s
12
Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp
Công thức đặc trưng của pin PV thực tế bao gồm ảnh hưởng của Rs và Rp:
I I  I

expq (V I .RS ) 1

V I.RS 
SC 0     (2.4)

kT

R
P
     
Để đơn giản hoá trong tính toán và áp dụng luật Kirchhoff trên hình 2.5, dòng
điện nút được tính như sau:
Ic I Id I p (2.5)
Áp dụng công thức (2.1) ở điều khiện chuẩn 25o
C, ta suy ra:
IISC  I 0 ( e38.9V
d 1)
V
d
(2.6)
RP
Như vậy, khi biết được thông số Vd, dòng điện cung cấp cho tải được tính từ
công thức (2.6). Và điện áp đặt lên tải tương ứng sẽ là:
V = Vd – I.RS (2.7) Phần mô phỏng PV cell sẽ được căn cứ vào hai
công thức (2.6) và (2.7) để
thanh lập mô hình tương đương của PV.
2.2.4 Tấm PV.
Một trở ngại của pin PV là điện áp và dòng điện làm việc rất nhỏ. Một pin PV
có điện áp làm việc khoảng 0.6V. Do đó muốn có điện áp làm việc cao đòi hỏi phải
mắc nối tiếp các pin PV lại, muốn có dòng điện làm việc lớn phải mắc song song.
Một tấm PV thông thường để có điện áp 21.6 Vdc, ta phải mắc nối tiếp 36 pin
PV. Một số mô đun 12 Vdc chỉ cần 20 pin PV.

s
13
Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV.
Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I -V của môđun
PV Điện áp của môđun PV:
Vmodule = n(Vd – I.RS )
2.2.5 Hệ thống dãy PV.
Kết nối nhiều môđun PV sẽ được Array PV. Muốn tăng áp ngõ ra cần nối nối
tiếp nhiều môđun PV.
Hình 2.11: Array PV nối tiếp

s
14
Hình 2.12: Đường đặc tính I -V của Array PV nối tiếp
Nối song song nhiều môđun PV để tăng dòng điện
Hình 2.13: Array PV nối song song
Hình 2.14: Đường đặc tính I -V của Array PV nối song song
Kết nối hỗn hợp để tăng cả áp và dòng như ở hình 2.15

s
15
Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp
Hình 2.16: Đường đặc tính I -V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV.
Đặc tính của PV bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như cường độ chiếu sáng, nhiệt
độ môi trường, hiện tượng bóng râm, v.v. Cường độ chiếu sáng càng lớn, thì công
suất thu được của PV càng cao, dòng Isc tăng lên. Nhưng ngược lại nhiệt độ cao thì
V0 bị suy giảm.
2.3.1 Cường độ chiếu sáng.
Biên độ dòng quang điện là lớn nhất trong điều kiện đầy đủ ánh sáng. Vào
những ngày nắng không hoàn toàn, dòng quang điện suy giảm tỷ lệ cường độ chiếu
sáng. Đặc tính I-V dịch xuống phía cường độ chiếu sáng thấp hơn như hình 2.17.
Do đó, vào những ngày có mây dòng ngắn mạch giảm đáng kể. Tuy nhiên, điện áp
hở mạch chỉ giảm một phần nhỏ.
Hiệu suất chuyển đổi quang điện của tế bào quang điện rất nhạy với bức xạ
mặt trời trong tầm làm việc thực tế. Ví dụ, hình 2.18 cho thấy hiệu suất gần như
không đổi với bức xạ 500W/m2
và 1.000W/m2
. Điều này có nghĩa là hiệu suất
chuyển đổi là như nhau vào những ngày nắng gắt và những ngày có mây. Chúng ta

s
16
sẽ thu được công suất thấp hơn vào những ngày có mây bởi vì ít năng lượng mặt
trời hơn đi vào tế bào quang điện.
Hình 2.17: Đặc tính I -V dịch xuống khi chiếu độ giảm
và có sự giảm nhẹ về điện áp.
Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này ổn định
khi bức xạ tăng.
2.3.2 Góc chiếu sáng
Dòng ngõ ra tế bào quang điện được cho bởi I =I0 cos, trong đó I0 là dòng
điện trong điều kiện mặt trời bình thường (để tham khảo), và là góc chiếu sáng
được đo trong điều kiện bình thường. Luật cosin đảm bảo góc chiếu sáng dao động
từ 0 đến 50. Ngoài 50, ngõ ra điện lệch đáng kể khỏi luật cosin , và tế bào quang
điện không phát ra công suất ngoài 85, mặc dù luật cosin toán cho biết sẽ phát ra

s
17
7.5 phần trăm công suất. Đường cong công suất- góc của tế bào quang điện được
gọi là cosin Kelly, và được chỉ ra trong hình 2.19 và bảng 2.1.
Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0 đến 90
Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic.
Góc mặt trời Giá trị cosin Giá trị Kelly
30 0.866 0.866
50 0.643 0.635
60 0.5 0.45
80 0.174 0.1
85 0.087 0
2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ
Hệ thống pin quang điện có thể bao gồm nhiều dãy pin nối tiếp mắc song song.
Hai dãy được minh họa trong hình 2.20. Hệ thống pin quang điện lớn có thể bị hiện
tượng bóng mờ một phần do kết cấu của hệ thống. Nếu một tế bào trong dãy dài bị che
phủ hoàn toàn, nó sẽ mất điện áp quang điện, nhưng vẫn còn mang dòng điện
của cả dãy pin do việc mắc nối tiếp các tế bào trong một dãy. Điện áp bên trong
không sinh ra , nó không thể sinh ra công suất. Thay vào đó, nó sẽ hoạt động như
tải, sinh ra công suất tổn hao I2
R và nhiệt. Các tế bào còn lại trong dãy phải hoạt
động ở điện áp cao hơn để bù điện áp bị mất do hiện tượng bóng mờ. Điện áp sẽ cao
hơn trong các tế bào hoạt động bình thường có nghĩa là dòng điện trong một dãy sẽ
thấp hơn như trên đặc tính I-V của dãy. Điều này được chỉ ra trong vùng dưới bên
trái của hình 2.20. Việc hao hụt dòng điện không tỷ lệ với điện tích bị che mờ. Tuy

s
18
nhiên, nếu nhiều tế bào bị che mờ với số lượng vượt ra ngoài giới hạn cho phép,
đường cong I-V sẽ có điện áp hoạt động của dãy rất thấp, làm cho dòng dãy giảm
đến giá trị zero, lúc đó tất cả công suất của dãy sẽ không còn nữa.
Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện.
Việc giảm công suất không đáng kể đến khi bóng mờ vượt quá giới hạn cho phép.
Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công
suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều.
Phương pháp thường hay dùng nhất để loại bỏ tổn hao của dãy do hiệu hứng
bóng mờ là chia nhỏ chiều dài mạch thành nhiều phần có diode thông (bypass
diode) (hình 2.21). Diode của phần bị che mờ sẽ nối tắt qua phần của dãy pin. Việc
này làm hao hụt tương ứng điện áp và dòng điện dãy pin mà không bị mất toàn bộ
công suất dãy pin. Một số hệ thống pin quang điện hiện đại được lắp diode thông ở
bên trong.

s
19
2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ
Khi nhiệt độ tăng, dòng ngắn mạch của tế bào tăng trong khi đó điện áp hở
mạch giảm (hình 2.22). Hiệu ứng nhiệt độ đối với công suất được đánh giá định
lượng bằng cách kiểm tra hiệu ứng trên dòng và áp một cách riêng biệt. I0 và U0 là
dòng ngắn mạch và điện áp hở mạch tại nhiệt độ tham khảo T, và, là hệ số nhiệt
độ tương ứng. Nếu nhiệt độ hoạt động tăng lên khoảngT , dòng và điện áp mới
đươc cho bởi phương trình sau:
Isc=Io(1+.ΔT) and Voc=Vo(1−.ΔT) (2.8)
Bởi vì dòng và điện áp hoạt động thay đổi xấp xỉ tỷ lệ với dòng ngắn mạch và
điện áp hở mạch, công suất mới có phương trình là
P = V.I = Io(1+.T).Vo(1−.ΔT) (2.9)
Có thể được rút gọn bằng cách bỏ đi lượng nhỏ không đáng kể
P = Po.[1+(-).T] (2.10)
Đối với những tế bào Si đơn tinh thể điển hình, là 500u/C và là 5mu/C.
Vì vậy, công suất là:
P = Po.[1+(500μu −5 mu).ΔT] hoặc Po[1−0.0045ΔT] (2.11)
Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V. Tế bào sinh ít dòng nhưng
nhiều
điện áp hơn với việc đạt được công suất ngõ ra khi nhiệt độ thấp.

s
20
Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V.
Tế bào phát ra nhiều công suất hơn khi nhiệt độ thấp
Điều này cho thấy khi nhiệt độ hoạt động tăng 1C, vượt qua nhiệt độ tham
khảo, công suất ngõ ra tế bào quang điện Si giảm 0.45%. Bởi vì việc tăng dòng điện
thì ít hơn nhiều việc so với việc giảm điện áp, nên việc ảnh hưởng đến toàn bộ công
suất là không đáng kể ở nhiệt độ hoạt động cao.
Ảnh hưởng của việc thay đổi nhiệt độ đối với công suất ngõ ra được chỉ ra
trong đặc tính P-V tại hai nhiệt độ họat động hình 2.23. Hình vẽ cho thấy công suất
cực đại có sẵn ở nhiệt độ thấp cao hơn ở nhiệt độ cao. Do đó, nhiệt độ thấp thực sự
tốt hơn cho pin quang điện, vì nó phát ra nhiều công suất hơn. Tuy nhiên, hai điểm
công suất cực đại không cùng giá trị điện áp. Để trích ra công suất lớn nhất tại tất cả
các nhiệt độ, hệ thống pin quang điện phải được thiết kế sao cho điện áp ngõ ra pin
quang điện có thể tăng tới V2 để nhận được công suất Pmax2 ở nhiệt độ thấp hơn và
có thể giảm tới V1 để nhận được Pmax1 ở nhiệt độ cao hơn.
2.3.5 Hiệu ứng thời tiết.
Trong những ngày ít mây, hệ thống pin quang điện có thể phát ra 80% công
suất chiếu sáng. Thậm chí trong những ngày đầy mây, nó có thể sinh ra khoảng
30% công suất. Tuyết không tích tụ nhiều trên tấm pin quang điện do nó có góc
nghiêng nhất định và khi có ánh sáng mặt trời nó sẽ tan chảy. Ngoài ra, hệ thống
còn được thiết kế có xem xét đến hiện tượng mưa đá.

s
21
2.3.6 Hòa hợp tải điện.
Điểm hoạt động của bất kì hệ thống năng lượng nào là giao của đường đặc tính
nguồn với đặc tính tải. Nếu nguồn, có đặc tính I -V và P -V được vẽ trên hình 2.24
(a), đang cấp công suất cho tải trở Rl, nó sẽ hoạt động tại điểm A1. Nếu điện trở tải
tăng tới R2 hoặc R3, điểm hoạt động sẽ di chuyển đến A2 hoặc A3. Công suất cực
đại được trích ra từ hệ thống pin quang điện khi điện trở tải là R2 (hình 2.24b).
Việc hòa hợp tải với nguồn như thế luôn cần thiết cho việc trích công suất cực
đại ra từ hệ thống pin quang điện.
Việc hoạt động với tải công suất là hằng số được chỉ ra trên hình 2.24 (c) và
(d). Đặc tính tải công suất hằng số có hai điểm giao với đặc tính nguồn, được minh
họa bởi B1 và B2. Chỉ điểm B2 là ổn định, bất kì sự dao động nào từ nó cũng phát
ra công suất dự trữ để trở về điểm hoạt động B2. Vì thế, hệ thống sẽ vận hành tại
điểm B2.
Điều kiện cần thiết cho sự ổn định vận hành điện của pin quang điện là :
 dP  dP
    (2.12)
dVload dVsource
Hình 2.24: Hoà hợp tải và ổn định vận hành với tải trở và tải công suất hằng số.
Một vài loại tải như lò hơi có điện trở cố định, công suất thay đổi tỷ lệ bình
phương điện áp. Mặt khác, một vài tải như động cơ cảm ứng hoạt động giống tải

s
22
công suất cố định, tạo ra nhiều dòng hơn tại điện áp thấp hơn. Trong hầu hết các hệ
thống lớn có tải hỗn hợp, công suất thay đổi xấp xỉ tỷ lệ tuyến tính với điện áp.
2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời.
Nhiều năng lượng hơn được thu thập vào cuối ngày nếu hệ thống pin quang
điện được lắp đặt trên bộ xoay theo hướng mặt trời, có bộ điều chỉnh để theo hướng
mặt trời tạo thành hình bông hướng dương (hình 2.25). Có hai loại bộ xoay chính:
 Loại bộ xoay một trục: sẽ xoay theo mặt trời từ hướng Đông sang hướng Tây
suốt cả ngày.

 Loại bộ xoay hai trục sẽ xoay theo mặt trời từ hướng Đông sang hướng Tây
suốt cả ngày, và từ hướng Bắc sang hướng Nam trong suốt mùa của năm.
Hình 2.25: Bộ xoay hai trục, xoay theo măt trời giống như bông hướng dương
Thiết kế bộ xoay theo hướng mặt trời có thể tăng năng lượng cung cấp lên tới
40% trong cả năm so với thiết kế dãy pin cố định. Bộ theo xoay theo hướng mặt trời
hai trục được thực hiện bởi hai động cơ điều khiển tuyến tính, hai động cơ… Suốt
cả ngày, nó sẽ xoay theo hướng mặt trời từ Đông sang Tây. Vào buổi tối, nó xoay
sang hướng Đông để định vị cho mặt trời buổi sáng hôm sau. Bộ xoay cũ thực hiện
việc này sau khi hoàng hôn xuống dùng bộ acqui NiCad nhỏ. Thiết kế mới bỏ ắc qui
bằng cách thực hiện vào lúc nhá nhem tối hoặc lúc bình minh.
2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT
2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP)
Điểm công suất cực đại MPP (Maximun Power Point ), tức là điểm làm việc
hiệu quả nhất của PV theo các mức độ bức xạ hấp thu được. Do sự thay đổi theo
nhu cầu của từng loại tải cũng như biến động áng sáng của môi trường nên trong

s
23
quá trình làm việc của PV không phải lúc nào cũng ở điểm MPP. Xét một đường
cong đặc trưng của PV ở điều kiện chuẩn, nếu cung cấp cho một tải tiêu thụ là điện
trở thuần R, thì đường cong đặt trưng của tải là một đường thẳng qua góc tọa độ và
có độ dốc với trục 0V với tgα =1/R; và điểm giao nhau giữa đường cong PV và R là
điểm làm việc. Và điểm làm việc này suy ra được công suất của PV cung cấp cho
tải, nhưng không có nghĩa là toàn bộ công suất của PV được cung cấp cho tải. Như
vậy vấn đề đặt ra là sử dụng như thế nào là hiệu quả nhất.
Do đó, ở mỗi điểm làm việc khác nhau ta sẽ có một công suất khác nhau, vấn
đề là phải xác định vị trí làm việc mà tại đó công suất thu được là lớn nhất.
Hình 2.26 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ
Để đơn giản vấn đề xét tải là một điện trở, có công thức Ohm mô tả như sau:
V I .Ror
 1
I 
V
(2.12)
R
Khi kết nối tải với nguồn PV, ta sẽ có điểm làm việc là giao điểm của 2 đường
đặc tính như hình vẽ sau:

s
24
Hình 2.27: Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R
Hình 2.28: Điểm MPP của PV.
Ta thấy rằng cùng với một pin PV hoạt động dưới điều kiện nhất định, khi thay
đổi tải khác nhau ta thu được các điểm làm việc khác nhau, tương ứng là các công
suất thu được khác nhau P = U x I.
Trong vô số điểm làm việc khác nhau, có một điểm mà tại đó công suất thu
được cực đại ta gọi là điểm MPP, tương ứng với nó là các thông số Vm, Im, Pm.
Nếu giữ cố định điện trở ta thay đổi cường độ bức xạ của mặt trời, ta thu được
một họ các đường đặc tính PV, và đồng thời cũng có vô số các điểm làm việc khác
nhau. Ứng với mỗi đường đặc tính cũng có một điểm MPP mà tại đó công suất cực
đại.

s
25
Hình 2.29: Các điểm làm việc của tải thuần trở.
2.4.2 Bộ điều khiển MPPT
Để thu được công suất cực đại cần xác định điểm MPP, và để đạt được điều
này người ta dùng bộ dò tìm MPPT để tính toán điểm làm việc cực đại, sau đó điều
khiển bộ DC/DC để đạt được điểm làm việc này.
Thực tế bộ MPPT là một khối nhận lấy các tín hiệu của pin PV (dòng, áp) sau
đó dùng các thuật toán khác nhau để xác định điểm làm việc MPP và truyền các tín
hiệu điều khiển này điều khiển đóng cắt bộ biến đổi điện áp một chiều DC/DC để
thu được công suất lớn nhất.
Điểm MPP thường nằm ở khủy của đường cong (I,V) của pin PV. Sau khi hệ
MPPT tính toán được điểm MPP sẽ đưa tín hiệu điều khiển về điều khiển đóng cắt
bộ DC/DC.
Hình 2.30: Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter.
2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter)
Có nhiều loại DC/DC converter được sử dụng tùy thuộc vào hệ thống PV và
tải. Nếu hệ thống PV có điện áp lớn và tải có điện áp nhỏ bộ Buck converter sẽ
được sử dụng, ngược lại sẽ dùng bộ Boost converter. Nếu muốn điều khiển cả tăng

s
26
giảm điện áp bộ Buck-Boost converter sẽ được sử dụng. Sau đây sẽ trình bày tóm
tắt về bộ Buck-Boost converter:
Hình 2.31: Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter).
Ta phân tích hai trạng thái đóng ngắt của bộ Buck_Boost Converter:
Hình 2.32: Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter.
Khi khóa (Mosfet) đóng điện áp Vi xuyên qua cuộn dây, dẫn toàn bộ dòng
nguồn lúc này là IL chạy qua cuộn dây. Trong suốt thời gian này năng lượng được
tích tụ trên cuộn dây. Nếu khóa vẫn còn đóng, cuộn dây sẽ dẫn dòng ngắn mạch và
pin quang điện sẽ phát ra dòng ngắn mạch và điện áp bằng zero.
Khi khóa mở dòng vẫn tiếp tục chạy qua cuộn dây nhưng lúc này năng lượng
tích lũy trong cuộn dây bắt đầu giảm đi (dòng chạy qua cuộn dây không thể thay đổi
đột ngột). Dòng lúc này sẽ chạy qua diode, tụ điện và tải, dòng cuộn dây sẽ nạp cho
tụ một điện áp (phân cực ngược) cấp cho tải để có thể duy trì năng lượng trên tải khi
khóa đóng lại.
Nếu khóa đóng cắt đủ nhanh thì dòng trên cuộn dây không thể giảm nhiều. Với
khóa đóng cắt đủ nhanh và cuộn dây đủ lớn mạch có thể thiết kế với dòng cuộn dây
gần như là hằng số.
Nếu khóa đóng cắt đủ nhanh thì điện áp trên tụ không thể thay đổi nhiều.
Tương tự ta cũng có thể thiết kế được mạch với điện áp tụ gần như là hằng số.

s
27
Cuối cùng chúng ta cần nói đến chu kỳ đóng cắt của switch (D). Nó ảnh hưởng
trực tiếp giữa điện áp vào và ra của bộ chuyển đổi. Với bộ buck_boost converter ta
có:
Hình 2.33: Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter.
- Khi switch đóng trong khoảng thời gian từ t = 0 đến t = DT , điện áp trên L là Vi.
Khi đó công suất trên L là:
1
DT
1
DT
P V I dt V  I dt
T T
in i L i L
0 0 (2.13)
Với điều kiện dòng qua L là một hằng số, ta có công suất qua L như sau:
1
DT
P
in  Vi I Ldt Vi I L D
T
0 (2.14)
- Khi switch mở năng lượng trên L bắt đầu xả ra. Diode bắt đầu dẫn điện áp trên L
cung cấp cho tải V0.

s
28
Khi đó ta có công suất trên tải:
1
DT
1
T
P V I dt  V I dt
T T
out L L 0 L
0 DT (2.15)
Với điều kiện lý tưởng thì V0 và IL là hằng số lúc đó Pout là:
P 1V I (TDT)V I (1 D)
out T 0
L 0 L (2.16)
Từ (2.14) & (2.16) ta có:
V0
( D )
V 1 D
(2.17)
i
Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung
kích ta có thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn nhờ điều chỉnh D và áp ra có cực
tính ngược với áp đầu vào. Mạch công suất là mạch tăng áp nên áp ra có thể lớn hơn
áp vào.
2.4.4 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT)
2.4.4.1 Xáo trộn và theo dõi P&O
Đây là thuật toán thường được dùng nhất để tìm điểm công suất cực đại, nó
dựa vào việc làm thay đổi điện áp và theo dõi tỷ số dP/dt. Dấu của đạo hàm điện áp
cho biết điện áp tăng hay giảm và điện áp có thể giảm hoặc tăng tới khi đạt được
điểm công suất cực đại và lúc đó đạo hàm bằng 0. Bởi vì thuật toán này dựa trên
việc thay đổi, nên sẽ có sự dao động thậm chí khi đạt được điểm công suất cực đại.
Thuyết minh thuật toán P&O (hình 2.34):
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục tăng điện áp
- Nếu tăng điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được tăng, thì chu kỳ sau tiếp tục giảm điện áp
- Nếu giảm điện áp, công suất thu được giảm, thì chu kỳ sau tăng điện áp
* Nhược điểm của thuật toán P&O:

s
29
thuật toán
mẫu so sánh. Trong trường hợp cường độ chiếu sáng không đổi giải thuật P&O hoạt
động rất tốt khi truy tìm điểm cực đại. Tuy nhiên, khi cường độ chiếu sáng thay đổi
thuật toán P&O sẽ sai bởi vì hệ MPPT không hiểu được công suất tăng do thay đổi
cường độ chiếu sáng chứ không phải do sự dao động điện áp khi làm việc. Kết quả
là thuật toán sẽ giảm điện áp hoặc tăng điện áp liên tục do nhận thấy công suất đo
lúc sau vẫn lớn hơn lúc đầu.
Bắt đầu
Đo V(k), I(k)
Y
p(k) – p(k-1) =
N
p(k) – p(k-1) >
N
V(k) – V(k-1) >
Y
Vref = Vref -V
Y
N
Vref = Vref +V
N
Vref = Vref -V
V(k) – V(k-1) >
Y
Vref = Vref +V
Bắt đầu
Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán P&O.
Ta xét một hệ PV phát năng lượng về lưới điện:

s
30
Hình 2.35: Hệ PV phát năng lượng về lưới điện
Khi chiếu độ tăng lên, đường cong công suất sẽ thay đổi từ P1 sang P2 (hình 2.36)
Giả sử ở thời điểm k hệ MPPT đang điều khiển PV hoạt động ở điểm A, thời
điện áp lúc đó
V[k+1] > V[k] , thì theo thuật toán P&O hệ MPPT sẽ tăng điện áp lên và lúc đó
điểm làm việc sẽ là điểm C (không phải điểm cực đại)
Hình 2.36: Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O.
thuật toán
không phân biệt được sự thay đổi công suất do thay đổi điện áp với sự thay đổi công
suất do thay đổi cường độ chiếu sáng.
Yêu cầu đề ra để giải quyết sự hoạt động sai này là:
1. thuật toán MPPT chỉ hoạt động hiệu quả khi không có sự thay đổi
(trên cùng một đường cong công suất)
2.
ruy tìm MPP theo điện áp.
Và thuật toán P&O cải tiến sẽ giải quyết vấn đề này.
* Thuật toán P&O cải tiến [19]:
Giải thuật này dựa vào sự tính toán và so sánh dòng ngắn mạch Isc. Ta biết mỗi
loại pin PV tương ứng với mỗi cường độ chiếu sáng có một dòng ngắn mạch (ứng với

s
31
V = 0) với cường độ tương ứng. Dòng ngắn mạch này thuộc về bản chất vật lý của
PV.
Theo hình 2.37, ta có:
I I  I  e 38.9(V
IR
S
)
 1 1(VIR ) at 250
C
(2.18)
R
SC 0   S
P
Điện trở nối tiếp Rs, điện trở song song Rp là các hệ số đặc trưng cho diode
quang điện, phản ánh sự tiêu hao của diode quang thực tế với diode quang lý tưởng.
Hình 2.37: Cấu tạo một Cell PV
Ta dùng hệ số n thay thế cho tham số Rs và Rp gọi là hệ số không lý tưởng của
diode, suy ra:
I I SC (1e
(VVOC )/( ns .Vt )
) (2.19)
Trong đó :
I: là dòng điện làm việc
V: điện áp làm việc
Isc: Dòng điện ngắn mạch
Voc: Điện áp hở mạch
ns : Số pin PV mắc nối tiếp
Vt = (K.T.n)/q , với:
K = 1,381 x 10-23
: hằng số Boltzman
T (°K) : nhiệt độ tuyệt đối
n = 1-5, hệ số không lý lưởng của diode
q = 1,062 x 10-19
: điện tích electron.
Ta thấy I, V có thể đo được, các thông số còn lại đều có thể biết được do nhà
sản xuất cung cấp. Ta có thể xác định Isc
Isc = I / ( 1 - e(V-Voc)/(ns.Vt)) (2.20)

s
32
Bất cứ điểm làm việc ở đâu, mỗi cặp giá trị (I,V) đều là duy nhất trong mô hình
PV, do đó ta có thể tính toán ngược về Isc.
Nếu không có sự thay đổi cường độ chiếu sáng, bất cứ điểm làm việc ở đâu
đều có thể xác định được giá tri Isc giống nhau. Khi có sự thay đổi cường độ chiếu
sáng, Isc sẽ thay đổi tỷ lệ thuận với cường độ chiếu sáng.
Ta sẽ dùng Isc làm cơ sở so sánh, nếu Isc không đổi sẽ cho hệ MPPT hoạt động
theo giải thuật P&O truy tìm điểm cực đại theo điện áp. Nếu Isc thay đổi sẽ giữ
nguyên điện áp làm việc.
Hình 2.38: Đặc tính P- I của môđun PV khi chiếu độ thay đổi.
Lưu đồ thuật toán này sẽ được giải thích và mô phỏng ở phần 4.2.2.1.
2.4.4.2 Tăng tổng dẫn INC
Trong thuật toán INC, nhược điểm của thuật toán P&O (dao động quanh điểm
công suất cực đại) sẽ đuợc khắc phục. Việc này được thực hiện bằng cách dùng điện
dẫn lũy tiến của dãy pin quang điện để tính tỷ số dP/dt mà không xảy ra dao động.
Thuật toán sử dụng biểu thức:
P=V.I (2.21)
(với P là công suất môđun; V là điện áp môđun; I là dòng điện môđun)
Đạo hàm theo V ta được.
dP/ dV = I +V .dI/dV (2.22)

s
33
Dựa vào biểu thức này thuật toán sẽ tìm ra điểm công suất đỉnh.
Tại điểm công suất đỉnh:
dP /dV = 0 (2.23)
dI /dV = − I/ V (2.24)
Nếu điểm làm việc ở về phía bên phải đường cong công suất thì chúng ta có:
dP/dV < 0 (2.25)
dI /dV < -I /V (2.26)
Nếu điểm làm việc ở về phía bên trái đường cong công suất thì chúng ta có:
dP/dV > 0 (2.27)
dI /dV > -I /V (2.28)
Điểm công suất cực đại có thể được xác định bằng cách so sánh tổng dẫn tức I
/V
2.39. Vref là điện áp tham chiếu lúc hệ quang điện bắt đầu hoạt động. Tại điểm công
suất cực đại Vref bằng VMPP. Khi đạt đến điểm cực đại sự hoạt động của hệ PV sẽ
được duy trì ở điểm này nếuI không đổi.
Thuật toán này có ưu điểm là nó có thể xác định được khi nào MPPT đạt đến
MPP, trong khi phương pháp P&O chỉ dao động quanh MPP. Hơn nữa, tổng dẫn
tăng có thể dò rất nhanh sự tăng hay giảm các điều kiện bức xạ với độ chính xác cao
hơn so với phương pháp P&O. Nhược điểm của phương pháp này là phức tạp hơn
phương pháp P&O.

s
34
Hình 2.39: Lưu đồ thuật toán INC
2.4.4.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch
Cơ sở của phương pháp vòng hở là giả sử điện áp tại điểm công suất cực đại
VMPP là hàm tuyến tính của điện áp hở mạch VOC. Ví dụ VMPP = k.VOC, k ≈ 0.76.
Trong đó, k là hệ số tỷ lệ. Vì k phụ thuộc vào đặc trưng của PV nên nó thường
được ước lượng trước theo kinh nghiệm xác định VMPP và VOC cho dãy PV ở
những chiếu độ và nhiệt độ khác nhau. Hệ số k thường được xác định trong khoảng
0.71 và 0.78.
Giả thiết này có độ chính xác vừa phải trong những trường hợp dòng ngắn
mạch PV và nhiệt độ có phạm vi thay đổi rộng. Bằng cách đo điện áp hở mạch, một
điện áp điều khiển có thể được tạo ra điều khiển điện áp của môđun quang điện đến
điểm công suất cực đại.
Nhược điểm của phương pháp này là điện áp hở mạch của môđun thay đổi
theo nhiệt độ. Vì thế khi nhiệt độ của môđun tăng điện áp hở mạch của môđun thay
đổi và chúng ta phải đo điện áp hở mạch của môđun thường xuyên. Do vậy tải phải
được tháo khỏi môđun để đo điện áp hở mạch. Công suất của hệ quang điện trong
thời gian này không được sử dụng.

s
35
2.5 Các dạng cấu trúc bộ chuyển đổi PV
Để chuyển đổi nguồn áp DC từ hệ PV thành áp AC cho các mục đích khác
nhau, người ta sử dụng các dạng bộ nghịch lưu được mô tả ở hình 2.40 [4].
Hình 2.40: Tổng quan theo lịch sử của các bộ chuyển đổi PV.
(a) Công nghệ tập trung trong quá khứ. (b) Công nghệ theo dãy hiện nay.
(c) Công nghệ đa dãy hiện tại và tương lai. (d) Công nghệ pin AC và modul AC
hiện tại và tương lai.
2.5.1. Bộ chuyển đổi tập trung (Centralized Converters)
Đây là một công nghệ cũ, dựa trên sự kết nối số lượng lớn các modul PV đến
bộ chuyển đổi (Hình 2.40a). Ưu điểm của cấu trúc này là cần ít bộ chuyển đổi nên
tổn thất ở tầng chuyển đổi công suất khá thấp và khả năng kết nối nhiều modul nối
tiếp để thu được điện áp đầu vào cao và vì thế tránh được sự mở rộng sau này. Tuy
nhiên, các hạn chế là rất lớn, như việc sử dụng cáp DC điện áp cao giữa các modul
PV và bộ chuyển đổi, các tổn thất công suất vì MPPT tập trung, các tổn thất do sự
không cân bằng giữa các modul PV, các tổn thất trên các điốt mỗi dãy pin, và sự
thiết kế không linh hoạt ở chỗ các lợi ích của việc sản xuất hàng loạt không thể đạt
được.
2.5.2. Bộ chuyển đổi theo dãy (String Converters)
Như trên hình 2.40b), bộ chuyển đổi theo dãy là phiên bản rút gọn của cấu trúc
tập trung, ở đó mỗi dãy được nối tới một bộ chuyển đổi. Ở cấu trúc này chúng ta có
thể đạt được thuận lợi ở điện áp đầu vào cao, nếu một lượng lớn modul PV được nối
nối tiếp. Nếu điện áp ngõ vào thấp thì sử dụng máy biến áp hay bộ chuyển đổi DC-

s
36
DC để tăng điện áp. Vì chỉ có một dãy pin cho mỗi bộ chuyển đổi nên không cần sử
dụng điốt cho các dãy pin, và nó cho phép sử dụng MPPT riêng lẻ cho mỗi dãy. Các
tổn thất không cân bằng cũng được giảm, nhưng không được loại bỏ. Nói chung cấu
túc này tăng hiệu suất toàn hệ thống so với cấu trúc bộ chuyển đổi tập trung, và nó
sẽ giảm giá thành vì khả năng sản xuất hàng loạt.
2.5.3. Bộ chuyển đổi đa dãy (Multi-String Converters)
Bộ chuyển đổi đa dãy như trên hình 2.40c), là sự phát triển thêm của bộ
chuyển đổi theo dãy, và có nhiều ưu điểm của cả bộ chuyển đổi tập trung và bộ
chuyển đổi theo dãy. Ở cấu trúc này, có một bộ chuyển đổi DC-DC kết hợp MPPT
cho mỗi ngõ vào, tất cả được nối tới một bộ nghịch lưu. Điều này có lợi vì MPPT có
thể được điều khiển riêng lẻ cho mỗi dãy, và một nhà máy có thể được thực hiện với
ít các bộ nghịch lưu hơn so với cấu trúc bộ chuyển đổi theo dãy. Điều này mang lại
sự thiết kế linh hoạt với hiệu suất cao, và có thể sẽ trở thành chuẩn hóa ở những nơi
mà các bộ chuyển đổi theo dãy và tập trung hiện nay đang sử dụng.
2.5.4. Bộ chuyển theo modul AC (AC-Module Converters)
Với cấu trúc này, một modul PV được tích hợp cùng với bộ chuyển đổi trong
một thiết bị điện, như trên hình 2.40d). Bằng cách kết hợp modul PV và bộ chuyển
đổi vào một thiết bị, thì khả năng tạo ra một modul dựa vào thiết bị “cắm và sử
dụng” sẽ xảy ra, và nó có thể được sử dụng bởi những người không biết gì về việc
lắp đặt điện. Ở cấu trúc này, các tổn thất không cân bằng giữa các modul PV được
loại bỏ, và nó có thể tối ưu hóa bộ chuyển đổi tới modul PV, và vì vậy cũng cho
phép MPPT riêng lẻ của mỗi modul. Vì sẽ có nhu cầu cho nhiều thiết bị hơn so với
các cấu trúc đã đề cập ở trên, nên nó sẽ mang lại lợi ích lớn khi sản xuất hàng loạt,
và vì vậy giá thành sẽ thấp hơn. Mặt khác, điện áp ngõ vào trở nên thấp, đòi hỏi sự
mở rộng điện áp cao có thể sẽ giảm hiệu suất toàn hệ thống.
2.6 Các dạng pin quang điện nối lưới và hoạt động độc lập
2.6.1 Dạng nối lưới
Hệ thống pin quang điện nối lưới là ứng dụng tương đối mới mẻ trong đó hệ
thống pin quang điện được lắp đặt để cung cấp công suất cho tòa nhà hoặc tải khác
nối với lưới điện lực. Hệ thống thường cung cấp điện ngược về lưới điện khi hệ
thống pin quang điện cung cấp điện vượt nhu cầu của tải. Các hệ thống này được

s
37
tích hợp vào kết cấu đã có sẵn và trở nên thông dụng bởi tiềm năng to lớn của nó.
Chúng được sử dụng để cấp điện cho các hộ gia đình, khu thương mại, khu công
nghiệp. Công suất pin quang điện phụ thuộc ngân sách hoặc không gian có sẵn. So
sánh với ứng dụng hoạt động độc lập của pin quang điện, chi phí hệ thống thấp hơn
bởi vì không có bộ lưu năng lượng, acqui, , một yếu tố giúp nâng cao hiệu quả của
pin quang điện.
2.6.1.1 Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui
Hệ thống pin quang điện nối lưới được thiết kế để hoạt động song song và phối hợp
với lưới điện lực. Các thành phần cơ bản trong hệ thống pin quang điện nối lưới là
bộ inverter, hoặc PCU (power conditioning unit). PCU chuyển đổi điện DC do pin
quang điện phát ra thành điện AC đáp ứng nhu cầu điện áp và chất lượng điện năng
của lưới điện, và tự động ngừng cấp điện cho lưới khi lưới mất điện. Giao diện hai
chiều được thực hiện giữa mạch ra AC hệ thống pin quang điện và mạng điện lực,
được lắp đặt trong tủ phân phối điện tại chỗ hoặc ở lối ra vào. Điều này cho phép
nguồn AC được sinh ra bởi pin quang điện tới nguồn cấp cho tải tại chỗ hoặc nguồn
lưới khi ngõ ra hệ thống pin quang điện lớn hơn nhu cầu tải tại chỗ. Vào buổi tối
hoặc trong suốt các giai đoạn khác khi nhu cầu tải điện lớn hơn công suất ngõ ra của
pin quang điện, phần công suất dư do tải yêu cầu sẽ được nhận từ nguồn điện. Khi
mạng mất điện, các hệ thống này tự động ngưng hoạt động và rã lưới. Đặc tính an
toàn này được yêu cầu trong tất cả các hệ thống pin quang điện nối lưới, và đảm bảo
rằng hệ thống pin quang điện sẽ không tiếp tục vận hành và cấp điện ngược trở lại
lưới điện khi lưới mất điện hoặc sửa chữa.
AC Loads
PV array
Inverter/Power
Conditioner
Distribution
Panel
Electric
Utility
Hình 2.41: Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện biến tần.doc

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện biến tần.doc

Recommended

Recommended

More Related Content

Similar to Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện biến tần.doc

Similar to Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện biến tần.doc (20)

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864

More from Dịch Vụ Viết Bài Trọn Gói ZALO 0917193864 (20)

Recently uploaded

Recently uploaded (10)

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện biến tần.doc