THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC CỦA PIN MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN

Do hạn chế về mặt thời gian, luận văn này mô hình hóa mạch tăng áp DC/DC trên phần mềm Matlab/Simulink, thiết kế bộ điều khiển PI để đảm bảo sự ổn định cho điện áp đầu ra của bộ chuyển đ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS DƯƠNG MINH QUÂN

Đà Nẵng – Năm 2018

LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan công trình nghiên cứu trong luận văn là của cá nhân tôi tôi Các số liệu, kết quả nghiên cứu trong luận văn được thu thập, tính toán từ thực tế mang tính trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Luận văn sử dụng một số tài liệu tham khảo chuyên ngành điện của Việt Nam, của một số tổ chức khoa học trên thế giới về hệ thống năng lượng mặt trời Các tài liệu tham khảo trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng đảm bảo liêm chính về học thuật

Tác giả luận văn

Phạm Thành Trung

MỤC LỤC

Trang

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC BẢNG viii

DANH MỤC CÁC HÌNH ix

MỞ ĐẦU 1

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI 1

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU 1

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU 1

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI 2

6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI 2

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT NAM VÀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 3

1.1 Năng lượng mặt trời tại Việt Nam 3

1.1.1 Tình hình tổng quát về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam 4

1.1.2 Phân loại và tiềm năng phát triển về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam 6

1.2 Pin năng lượng mặt trời 11

1.2.1 Giới thiệu 11

1.2.2 Mô hình hóa 13

1.3 Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT 17

1.3.1 Giới thiệu các thuật toán MPPT 17

1.3.2 Thuật toán P&O 19

1.3.3 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC 21

1.4 Các bộ chuyển đổi năng lượng thường được sử dụng cho nguồn năng lượng mặt trời 24

1.4.1 Bộ chuyển đổi DC/DC 24

1.4.2 Bộ chuyển đổi DC/AC 24

1.4.3 Bộ chuyển đổi AC/AC 25

1.5 Kết Luận 25

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TĂNG ÁP DC/DC 26

2.1 Giới thiệu chung về bộ chuyển đổi DC/DC 26

2.1.1 Phân loại các bộ chuyển đổi 26

2.1.2 Cấu trúc chi tiết và nguyên lý hoạt động 26

2.2 Mạch điều khiển cho bộ chuyển đổi DC/DC 34

2.2.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển 34

2.2.2 Phương pháp điều khiển PID 36

2.3 Thiết kế, tính toán bộ tăng áp DC/DC 40

2.3.1 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động 40

2.3.2 Mô hình toán học bộ tăng áp 41

2.3.3 Tính toán các phần tử của bộ tăng áp 44

2.4 Kết luận: 46

CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG BỘ TĂNG ÁP 47

3.1 Mô phỏng mạch tăng áp DC/DC và phân tích ảnh hưởng của các thông số phần tử trong mạch 47

3.1.1 Lựa chọn thông số mô phỏng và khiểm tra hoạt động mạch đơn giản 47

3.1.2 Ảnh hưởng của các phần tử đến sự hoạt động của mạch 48

3.2 Mô phỏng mạch tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI 48

3.3 Kết quả mô phỏng và phân tích 50

3.4 Kết luận 51

CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT MẠCH TĂNG ÁP DC/DC THỰC TẾ 52

4.1 Thông số mạch thực tế và lắp đặt mạch thực tế 52

4.1.1 Thông số mạch 52

4.1.2 Mô hình mạch thực tế 53

4.2 Kết quả đo thực tế 55

4.3 Kết Luận và hạn chế của đề tài 56

PHỤ LỤC 60

THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC CỦA PIN

MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU Học viên: Phạm Thành Trung Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số: 60520202 Khóa: K34.KTĐ.QNGg Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN Tóm tắt: Ngày nay, khi các vấn đề ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, nhiên liệu hóa thạch (than, dầu,…) ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng

ta phải thay đổi hướng phát triển và tìm cách khai thác tối đa nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió,…) Với những ưu điểm nổi bật như: vô tận, sạch, có sẵn; năng lượng tái tạo càng được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các nước trên thế giới Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm kể trên, chúng cũng có nhiều hạn chế về hiệu suất làm việc và chịu ảnh hưởng nhiều bởi các điều kiện thời tiết: bức xạ, nhiệt độ… Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công suất cần được tích hợp kèm theo phương pháp điều khiển

Một số bộ chuyển đổi DC/DC không thể đảm bảo khả năng hoạt động liên tục để cung cấp năng lượng cho phụ tải, điển hình là bộ giảm áp DC/DC Khi điện áp đầu vào thấp hơn mong muốn ở đầu ra, thì bộ chuyển đổi này không thể hoạt động nếu như tải một chiều yêu cầu điện áp cao hơn mức có thể biến đổi, có thể thấy rõ nhất là khi ánh sáng yếu (buổi tối, pin bị che khuất nhiều) Do đó cần có một bộ chuyển đổi DC/DC trong mọi điệu kiện ánh sáng và vẫn phải đảm bảo độ ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các tải 1 chiều

Do hạn chế về mặt thời gian, luận văn này mô hình hóa mạch tăng áp DC/DC trên phần mềm Matlab/Simulink, thiết kế bộ điều khiển PI để đảm bảo sự ổn định cho điện

áp đầu ra của bộ chuyển đổi Từ kết quả mô phỏng thu được, một mô hình thực tế mạch tăng áp DC/DC kết hợp phương pháp điều khiển được lắp đặt với mục đích kiểm chứng khả năng hoạt động thực tế so với lý thuyết Kết quả đạt được cho thấy mạch thực tế hoạt động rất ổn định, điện áp đầu ra thu được đáp ứng nhanh với yêu cầu và gần giống với quá trình mô phỏng

Từ khóa: Bộ chuyển đổi DC/DC ; Boost; PI; Hệ thống năng lượng mặt trời; Năng lượng điện mặt trời nối lưới

Abstract: Today, it is obvious that environmental pollution has reverse effects on human health but its pollution source which is fossil fuels (coal, oil, etc.) are gradually exhausted It results to developing another method in energy exploration and taking maximum advantage of renewable energy (photovoltaic, wind, ) With outstanding advantages such as: eco-friendly, clean, renewable, available; renewable energy is widely used in most countries in the world However, besides these advantages, they also have many limitations in terms of their performance and it is influenced by weather conditions such as radiation and temperature From that, electronic power converters including control method need to be integrated

Some DC/DC converters are unable to operate continuously to provide power to load, especially a DC/DC step-down voltage converter When the input voltage is

under the desired output, this converter is disable to operate if the DC load requires a voltage higher than the converting level, which is clearly observable in the weak light (at night, the battery is mostly obscured) From that, a DC/DC converter is required operating in all lighting conditions and still ensure the output voltage stability providing to DC loads

Due to the time-limit, the thesis modeled the DC/DC boost circuit on the Matlab/Simulink software, designed the PI controller to ensure stability for the output voltage of the converter From the simulated results obtained, a practical DC/DC boost circuit model intergrate a control method for the purpose of verifying actual performance The results show that the actual circuit operated totally stable, the output voltage is fast-response to the request and is similar to the simulation result

Keywords: DC/DC converter; Boost; PI; Solar energy systems; Solar power connected grid

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AC/AC Alternating Current/ Alternating Current

DC/AC Direct Current/ Alternating Current

DC/DC Direct Current/ Direct Current

IGBT Isulated Gate Bipolar Transistor

MOSFET Metal – Oxide Semiconductor Field – Effect Transistor MPP Maximum Power Point- Điểm công suất cực đại

MPPT Maximum Power Point Tracking- Bắt điểm công suất cực đại

OP Operational amplifier- Khuếch đại thuật toán

PID Proportional Integral Derivative

PV Photovoltaic System- Pin quang điện

PWM Pulse – Width – Modulation- Điều rộng xung

DANH MỤC CÁC BẢNG

1.2 Tổng lượng bức xạ ở một số địa phương miền Trung của nước ta

DANH MỤC CÁC HÌNH

1.1 Phân tích lượng bức xạ mặt trời chuyển tới Trái Đất 3 1.2 Bức xạ mặt trời trung bình tại Việt Nam trong một ngày 5

1.4 Năng lượng mặt trời dạng lắp mái tại trường Đại học Bách khoa Đà

1.5 Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời 7

1.7 Sơ đồ nguyên lí hệ thống nhà máy nhiệt điện mặt trời 8

1.10 Sơ đồ mạch điện tương đương của PV theo mô hình một đi-ốt 13 1.11 Mô hình mô phỏng dàn PV khi nhiệt độ, cường độ bức xạ thay đổi 14 1.12 Minh họa đặc tính tương quan của PV khi bức xạ mặt trời thay đổi 15 1.13 Minh họa đặc tính tương quan của PV khi nhiệt độ thay đổi 16 1.14 Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở với

1.16 Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu

1.17 Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O 21

2.3 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng 27 2.4 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S mở 28 2.5 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu kỳ 28

2.7 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S đóng 30 2.8 Trạng thái làm việc của mạch giảm áp khi khóa S mở 30 2.9 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch giảm áp trong một chu kỳ 31

2.11 Trạng thái làm việc của mạch đảo dấu điện áp khi khóa S đóng 33 2.12 Trạng thái làm việc của mạch đảo dấu điện áp khi khóa S mở 33

2.13 Dạng sóng điện áp và dòng điện của mạch đảo dấu điện áp trong

2.14 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu PWM 35 2.15 Sơ đồ cấu trúc mạch điều khiển băm xung một chiều kiểu xung-tần 36 2.16 Đồ thị PV theo thời gian (Ki, Kd là hằng số, Kp thay đổi) 37 2.17 Đồ thị PV theo thời gian (Kp, Kd là hằng số, Ki thay đổi) 38 2.18 Đồ thị PV theo thời gian (Kp, Ki là hằng số, Kd thay đổi) 39 2.19 Sơ đồ mạch điện bộ tăng áp: a) Trạng thái 1 ; b) Trạng thái 2 41

2.21 Mạch điện mô tả bộ biến đổi Boost với tín hiệu nhỏ 43

3.2 Kết quả mô phỏng với điện áp đầu vào không đổi 47 3.3 Đồ thị thay đổi điện áp đầu ra khi thay đổi gái trị tụ điện 48 3.4 Mạch tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI 49

4.1 Hệ thống pin mặt trời cung cấp nguồn cho mạch tăng áp 52

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Ngày nay, khi các vấn đề ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người, nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, …) ngày càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng ta phải thay đổi hướng phát triển và tìm cách khai thác tối đa nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, …) Với những ưu điểm nổi bật như: vô tận, sạch, có sẵn; năng lượng tái tạo càng được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các nước trên thế giới Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm kể trên, chúng cũng có nhiều hạn chế về hiệu suất làm việc và chịu ảnh hưởng nhiều bởi các điều kiện thời tiết: bức xạ, nhiệt độ… Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công suất cần được tích hợp kèm theo phương pháp điều khiển

Một số bộ chuyển đổi DC/DC không thể đảm bảo khả năng hoạt động liên tục để cung cấp năng lượng cho phụ tải, điển hình là bộ giảm áp DC/DC Khi điện áp đầu vào thấp hơn mong muốn ở đầu ra, thì bộ chuyển đổi này không thể hoạt động nếu như tải một chiều yêu cầu điện áp cao hơn mức có thể biến đổi, có thể thấy rõ nhất là khi ánh sáng yếu (buổi tối, pin bị che khuất nhiều) Do đó cần có một bộ chuyển đổi DC/DC trong mọi điệu kiện ánh sáng và vẫn phải đảm bảo độ ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các tải 1 chiều

Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế, mô phỏng, lắp đặt bộ tăng

áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một chiều”

Nội dung luận văn tập trung thiết kế tìm ra các thông số của mạch tăng áp, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink Từ đó, bộ điều khiển PI được thiết kế để điều khiển và đảm bảo sự ổn định điện áp đầu ra của mạch tăng áp DC/DC Một mô hình mạch tăng áp DC/DC được lắp đặt cho thấy khả năng hoạt động thực tế

2 MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU

Tính toán lựa chọn các thông số phù hợp cho mạch tăng áp DC/DC Thiết kế bộ điều khiển Phân tích kết quả thông qua việc mô phỏng bằng phần mềm Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC thực tế

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Cách chọn lựa thông số của mạch tăng áp DC/DC;

- Sơ lược thuật toán bắt điểm công suất cực đại của pin mặt trời;

- Bộ điều khiển mạch tăng áp;

- Lắp mạch thực tế

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Nghiên cứu một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại của pin mặt trời

- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PI;

- Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC;

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Đề tài “Thiết kế, mô phỏng, lắp đặt bộ tăng áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một chiều” tập trung nghiên cứu và mô phỏng mạch chuyển đổi Boost và áp dụng phương pháp điều khiển PI để đưa ra điện áp đầu ra như mong muốn gần giống với thực tế Đề tài được xây dựng dựa trên ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời Các mạch tính toán thiết kế được kiểm tra tính đúng đắn bằng phương pháp mô phỏng trên công

cụ toán học Matlab/Simulink, sau đó thực hiện lắp đặt bộ tăng áp DC/DC

5 Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI

- Ý nghĩa khoa học ứng dụng trong các nghiên cứu về năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng Tính toán, mô hình hóa và lắp đặt mạch tăng áp DC/DC có điều khiển kiểm chúng giữa lí thuyết và thực tế Đề tài có khả năng phát triển tạo thành một bộ chuyển đổi hoàn thiện cho năng lượng mặt trời theo chiều hướng kết nối với lưới điện

- Tính thực tiễn: Kiểm chứng và đánh giá được khả năng hoạt động thực tế của mạch tăng áp DC/DC Có thể ứng dụng cao trong đời sống: dùng cho đèn đường, đèn tín hiệu, …

6 BỐ CỤC ĐỀ TÀI

Mở đầu

Chương 1: Tổng quan năng lượng mặt trời và các bộ chuyển đổi năng lượng Chương 2: Tính toán thiết kế bộ tăng áp DC/DC

Chương 3: Mô hình hóa, mô phỏng bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC

Chương 4: Xây dựng mô hình bộ tăng áp DC/DC

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯƠNG MẶT TRỜI TẠI VIỆT

NAM VÀ CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG 1.1 Năng lượng mặt trời tại Việt Nam

Năng lượng mặt trời là năng lượng của dòng bức xạ điện từ xuất phát từ mặt trời, cộng với một phần rất nhỏ năng lượng của các hạt nguyên tử khác phóng ra từ các ngôi sao Dòng năng lượng này sẽ tiếp tục phát ra cho đến khi phản ứng hạt nhân trên mặt trời hết nhiên liệu, vào khoảng 5 tỉ năm nữa

Các kết quả thống kê cho thấy, mặt trời có nhiệt độ bề mặt rơi vào khoảng 6.000K, vùng tâm vào khoảng 8.000K đến trên 40.000K Khoảng cách từ mặt trời đến Trái đất không hoàn toàn ổn định mà dao động trong khoảng ±2,5 triệu km (tương đương 1,7%) do vị trí trên quỹ đạo quay Trong các nghiên cức thuộc về NLMT, có hai yếu tố luôn được chú ý đến: Bức xạ mặt trời và nhiệt độ Đây chính là hai yếu tố ảnh hưởng rất lớn đến pin mặt trời và sẽ được trình bày cụ thể ở phần sau Từ đó, hình thành nên khái niệm hằng số mặt trời Về mặt định nghĩa, hằng số mặt trời có thể được hiểu là lượng BXMT chiếu lên một bề mặt có diện tích 1m2 đặt bên ngoài bầu khí quyển lêch với tia tới 1 góc 90o (thẳng góc) Một số nguồn tài liệu cho thấy, hằng số mặt trời sẽ cho nhiều giá trị khác nhau nhưng mức độ chênh lệch giữa các giá trị này không nhiều (khoảng 1370W/m2) [1]

Hình 1.1 Phân tích lượng bức xạ mặt trời truyền đến trái đất

1.1.1 Tình hình tổng quát về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Ngày nay, các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng cạn kiệt, các nguồn thủy điện

hầu hết đã và đang được khai thác triệt để Do đó, nguồn điện được sản xuất ra từ năng

lượng mặt trời đang được xem là sự bổ sung lý tưởng cho sự thiếu hụt điện năng Nó

không chỉ giúp đa dạng hóa các nguồn năng lượng mà còn góp phần phân tán rủi ro,

tăng cường, đảm bảo an ninh năng lượng Quốc gia Ngoài ra, loại hình năng lượng này

góp phần cải thiện và giảm thiểu các tác động tiêu cực mà năng lượng truyền thống

gây ra cho môi trường Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng đã được coi trọng

trong nhiều thập kỷ qua Việt Nam nằm trong khu vực nhiệt đới nên được xem là một

quốc gia có tiềm năng rất lớn về năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền Trung

và miền Nam của đất nước, với cường độ BXMT trung bình khoảng 5 kWh/m2, nhờ

vào đặc điểm địa lý thuận lợi gần xích đạo cùng với khu vực Tây Nguyên có độ cao

lớn Trong khi đó cường độ BXMT lại thấp hơn ở các vùng phía Bắc, ước tính khoảng

4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết bất thuận lợi hơn so với hai miềm còn lại Ở Việt

Nam, BXMT trung bình 230-250 kcal/cm2 chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm,

với ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE, lượng BXMT thu được càng cao

khi di chuyển về hướng phía nam [2] Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có sẵn quanh

năm, khá ổn định và phân bố rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước Đặc

biệt, số ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300

ngày/năm Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu cho các mục đích như:

sản xuất điện và cung cấp nhiệt

Với tất cả những điều kiện thuận lợi đó, chính phủ Việt Nam ngày càng có nhiều

hành động khuyến khích phát triển loại hình năng lượng này Quyết định số

428/QĐ-TTg ngày 18 tháng 3 năm 2016 phê duyệt điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực

quốc gia giai đoạn 2011 - 2020 có xét đến 2030, cụ thể: tăng công suất lắp đặt điện

mặt trời lên khoảng 850 MW vào năm 2020; khoảng 4.000 MW vào năm 2025 và

khoảng 12.000 MW vào năm 2030 Ngoài ra, thông tư 16/2017/TT-BCT ban hành

ngày 12/9/2017, Quyết định số 11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển

các dự án điện mặt trời tại Việt Nam Ngoài ra còn nhiều chính sách ưu tiên về sử

dụng toàn bộ lượng công suất do các nhà máy năng mặt trời và gió phát ra đồng thời

nâng cao giá bán điện của năng lượng mặt trời [3]

Tuy nhiên, nước ta vẫn gặp phải rất nhiều vấn đề còn vướng mắc, vẫn còn bị hạn

chế trong việc xây dựng, công suất lắp đặt, sản lượng thu được Đa phần hiện nay mới

chỉ lắp đặt dưới dạng thử nghiệm ở một số nơi chưa có lưới điện như vùng sâu, vùng

xa, hải đảo với công suất nhỏ Một số lắp đặt theo hình thức tự phát - Hộ gia đình mà

không có quy hoạch Dù các dự án đầu tư xây dựng và phát triển nguồn năng lượng

mặt trời ngày càn được đẩy mạnh và thu hút các nhà đầu tư, nhưng theo tìm hiểu, đa

phần các dự án vẫn còn đang ở mức độ khảo sát Những nguyên nhân chính dẫn đến

điều này là do chi phí đầu tư xây dựng, lắp đặt các thiết bị công nghệ kèm theo cũng như hệ thống pin năng lượng mặt trời khá đắt đỏ Bên cạnh đó, trình tự, thủ tục xin cấp phép xây dựng, bổ sung dự án điện mặt trời vào quy hoạch điện lực của Quốc gia và từng địa phương còn nhiều vướng mắc rườm rà Do đó, muốn năng lượng mặt trời có thể phát triển mạnh mẽ và đạt mục tiêu đề ra, đòi hỏi phải có nhiều sự hỗ trợ từ các cơ quan quản lý, các cấp chính quyền

Hình 1.2: Bức xạ mặt trời trung bình tại Việt Nam trong 1 ngày

1.1.2 Phân loại và tiềm năng phát triển về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt Nam

Tiềm năng của NLMT hiện nay rất lớn, nhưng hầu như các quốc gia không thể khai thác hết Tỷ trọng năng lượng thu được từ NLMT vẫn còn khiêm tốn khi so với năng lượng tiêu thụ trên thế giới Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang đề xuất nhiều phương pháp để cố gắn tận dụng tối đa những nguồn lợi mà nguồn năng lượng này mang lại Theo đó, NLMT đang được ứng dụng rộng rãi dưới hai dạng chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời

- Điện mặt trời: Hiện nay loại hình này ngày càng phát triển mạnh Dựa trên hiện tượng quang điện trong, năng lượng mặt trời dưới dạng bức xạ và nhiệt được hấp thu thông quá các tấm pin quang điện (PV) chuyển hóa thành điện năng và được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các công cụ hổ trợ biến đổi Điện mặt trời phát triển với nhiều quy mô khác nhau, ở đây ta xét quy

mô lớn nối lưới, quy mô nhỏ nối lưới và quy mô nhỏ không nối lưới:

o Quy mô lớn nối lưới thường là các nhà máy điện mặt trời (PV farm) kết nối với lưới điện với công suất pin quang điện lớn

o Quy mô nhỏ nối lưới thường là các dàn pin lắp mái (rooftop) của hộ tiêu thụ nhỏ: gia đình, công sở, …

o Quy mô nhỏ không nối lưới thường là các tấm pin mặt trời công suất thấp, năng lượng điện sinh ra được sử dụng trực tiếp (như dùng trong đèn chiếu sáng, các thiết bị công suất thấp, viễn thông, …

Hình 1.3: Nhà máy năng lượng mặt trời Siemens-Pháp

Hình 1.4: Năng lượng mặt trời dạng lắp mái

tại trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng

Hình 1.5: Nguồn lưu trữ công suất thấp dùng điện mặt trời

- Nhiệt mặt trời: Loại hình này được sử dụng phổ biến cho các thiết bị đun nước nóng hay thiết bị đun bằng tấm thu nhiệt NLMT, thiết bị sấy NLMT, thiết bị chưng cất nước dùng NLMT, dùng chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling) Đối với các nhà máy điện kiểu nhiệt mặt trời, nhiệt năng thu được từ các tấm

parabol được tập trung tại tiêu điểm làm nóng chất lỏng (dầu, nước) trải qua nhiều công đoạn sinh hơi làm quay tuabin, nhìn chung loại hình này khá giống với nhà máy nhiệt điện hiện nay

Hình 1.6: Một nhà máy điện nhiệt mặt trời

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống nhà máy nhiệt điện mặt trời

Một trong những yếu tố tiên quyết ảnh hưởng đến khả năng khai thác năng lượng mặt trời đó là điều kiện tự nhiên và vị trí địa lí, nhất là đối với quy mô lớn Điều kiện

tự nhiên không có ảnh hưởng đáng kể đến quy mô nhỏ lẻ, song hiệu suất khai thác và hiệu quả kinh tế lại rất thấp

Hiện nay, hiện tượng sa mạc hóa tại các tỉnh duyên hải Nam Trung ngày càng biểu hiện rõ với những dải cồn cát kéo dài khá liên tục từ Đà Nẵng đến Bình Thuận, nhất là

ở các tỉnh: Quảng Ngãi, Bình Định, Khánh Hòa, , nhưng điển hình là 3 tỉnh Quảng Ngãi, Ninh Thuận và Bình Thuận Theo Viện Khoa học Kỹ thuật nông nghiệp duyên hải Nam Trung bộ, những khu vực này có khí hậu khô nóng quanh năm, đăc biệt là ở Ninh Sơn (Ninh Thuận), Tuy Phong và Bắc Bình (Bình Thuận) đã tạo thành vùng cát hoang mạc hóa trên diện tích hơn 131.000 ha Riêng hai huyện Tuy Phong và Bắc Bình (Bình Thuận) có diện tích đất cát hoang hóa khoảng 35.000 ha phân bố trên chiều dài 50km bờ biển Ngoài ra, diện tích đồi trọc, cao nguyên còn rất lớn khoảng gần 3 triệu ha tạo nên những điều kiện vô cùng thuận lợi cho điện mặt trời phát triển tại những khu vực này

Bảng 1-1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam

TRONG NĂM

CƯỜNG ĐỘ BXMT (kWh/m2, ngày)

ỨNG DỤNG

xu hướng tăng từ Bắc vào Nam.Với các số liệu có thể thấy, từ khu vực Miền Trung trở vào, đặc biệt là khu vực Tây Nguyên và Nam Trung Bộ, mang tiềm năng phát triển năng lượng mặt trời rất lớn Vấn đề này đang được cụ thể hóa bằng hàng loạt dự án đang được khảo sát: ở các huyện Đức phổ, Mộ Đức, Bình Sơn thuộc tỉnh Quảng Ngãi; Huyện Cam Lâm tỉnh Khánh Hòa, … hay các dự án năng lượng mặt trời trên lòng hồ thủy điện: Hàm Thuận-Đa Mi, … Các điều kiện về đất đai, tài chính và chính sách

cũng đã được phân tích nhằm giúp các nhà đầu tư có thêm tư liệu để tiến hành lập dự

án xây dựng nhà máy điện mặt trời ở khu vực này góp phần đưa công suất điện mặt trời tăng lên trong tương lai gần Tuy nhiên, suất đầu tư cho năng lượng mặt trời vẫn còn khá cao nên vẫn kén nhà đầu tư

Bảng 1-2: Tổng lượng bức xạ ở một số địa phương miền Trung của nước ta

PHƯƠNG

Tổng số giờ nắng

cả năm (đơn vị: Giờ)

1.2 Pin năng lượng mặt trời

1.2.1 Giới thiệu

Pin năng lượng mặt trời (hay còn gọi là pin quang điện-PV) hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện tử khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật chất), chuyển đổi năng lượng ánh sáng mặt trời thành điện năng trong đó tế bào quang điện là phần tử cơ bản nhất trong hệ thống pin mặt trời

Hình 1.8: Cấu tạo của một tế bào pin mặt trời Bản chất vật lý của PV tương tự như diode với cấu tạo từ các lớp tiếp giáp P-N theo nguyên lý điện tử-lỗ trống Khi năng lượng được hấp thụ từ các photons, các điện tích tự do sẽ di chuyển từ lớp N sẽ di chuyển để lấp đầy các lỗ trống ở lớp cực P Điện trường sẽ được tạo ra từ các điện tử ở lớp tiếp giáp, điều này cho phép các tế bào

quang điện hoạt động như diode, thông dòng từ điện cực N sang điện cực P cho phép các điện tử tự do di chuyển tạo thành dòng điện một chiều Hiện nay, loại bán dẫn thông dụng nhất được sử dụng là Silic tinh thể Trên bề mặt của pin có một lớp chống phản xạ, một phần ánh sáng sẽ bị hấp thụ khi truyền qua lớp N và một phần ánh sáng

sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp điện tử tích điện âm và lỗ trống nằm ở bề mặt giới hạn Các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho điện tử một năng lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết để dịch chuyển theo con đường p-n đã được tạo ra Khi kết nối với hai điện cực ta sẽ đo được một hiệu điện thế

Để tạo thành một hệ thống PV có công suất lớn, các tấm PV có thể được liên kết với nhau theo các mắc nốt tiếp, song song hay hỗn hợp hai kiểu nối, tùy theo nhu cầu

sử dụng (về điện áp, công suất) Tuy nhiên, những tấm pin mặt trời có công suất khá nhỏ nên thường được liên kết với nhau và đặt trên một diện tích lớn để đáp ứng được nguồn năng lượng đủ lớn, nhằm đáp ứng nhu cầu của các thiết bị sử dụng Các loại pin với công suất phổ biến hiện nay: 22Wp, 50Wp, 75Wp, 100Wp, 125Wp, 150Wp, 175Wp, 250Wp, 330Wp, … tuy nhiên không có loại nào vượt quá 400Wp Điện áp phổ biến hiện nay của PV là 12V, 20V, 40V, tất cả là điện áp một chiều

Với công nghệ hiện đại ngày nay, công nghệ về PV ngày càng phổ biến và có sự phát triển mạnh Có 3 loại hình PV đang được sử dụng phổ biến: dạng momo (đơn tinh thể), dạng poly (đa tinh thể) và dạng phim mỏng

- Pin mặt trời Mono đơn tinh thể (Monocrystalline) hình thành cắt ra từ những thỏi Silic hình ống, những tấm đơn tinh thể này có những mặt trống ngay góc nối Module Cả tinh thể đơn hay 1 tinh thể đều được sản xuất dựa vào quá trình với tên gọi Czochralski Một quy trình điều chế những Silic đơn tinh thể Silic rất quan trọng khi chế tạo vi mạch bán dẫn và những đơn tinh thể loại này với hiệu suất cao khá đắt tiền Loại pin năng lượng mặt trời Mono hấp thu ánh sáng mặt trời nhanh, kể cả khi không có nắng, chỉ cần có ánh sáng loại pin này đã tạo

ra điện, tiến hành đo V hay A đều đầy đủ hai chỉ số

- Pin mặt trời Poly đa tinh thể (polycrystalline) được làm từ những thỏi đúc từ Silic đã nung chảy, làm nguội và làm rắn Loại pin mặt trời Poly có giá cả thấp hơn loại pin mặt trời Mono đơn tinh thể và hiệu suất cũng khá thấp Loại pin Poly hấp thu ánh nắng mặt trời khá chậm và phải đạt đến mức độ ánh nắng mặt trời nhất định mới có thể hoạt động Pin ngưng hoàn toàn hoạt động khi thời tiết mây nhiều, âm u

- Pin mặt trời dạng phim mỏng được tạo từ những miếng phim rất mỏng từ chất liệu Silic nóng chảy Pin có cấu trúc đa tinh thể và cho hiệu suất thấp nhất khi so sánh với hai dòng pin trên Bởi bỏ qua thao tác cắt thỏi Silicon nên loại pin mặt trời dạng phim mỏng được xem có giá cả mềm nhất so với hai loại pin Mono và Poly

Hình 1.9: Pin mono và pin poly 1.2.2 Mô hình hóa

PV có phương pháp mô hình hóa thông dung: dựa trên mô hình một đi-ốt và dựa trên mô hình hai đi-ôt, song mô hình một đi-ôt thường được lựa chọn để khảo sát nhiều hơn [5-8]

Hình 1.10: Sơ đồ mạch điện tương đương của PV theo mô hình một đi-ốt

PV có mạch điện tương đương như một đi-ốt (như hình 1.10) được mắc song song với một nguồn điện do PV sinh ra (quang sinh) Ở mỗi mức cường độ ánh sáng khác nhau, PV sẽ có một trạng thái làm việc tương ứng, nhưng dòng điện quang không thay đổi theo trạng thái làm việc Do đó, có thể xem PV như là một nguồn dòng ổn định Iphkhi mô hình hóa PV bằng mạch điện tương đương Trên thực tế, trong quá trình sản xuất PV, do tiếp xúc điện cực mặt trước sau và ngay bản than các vật liệu, thành phần cấu thành có một giá trị điện trở suất nhất định Vì vậy trong mạch điện tương đương

một điện trở nối tiếp Rs và một điện trở song song Rsh với tải RL thể thể hiện mối tương quan đó [3] (tài liệu về mô hình pin)

Dòng điện qua đi-ốt được xác định:

Với các đại lượng trong đó:

- ID: dòng điện qua đi-ốt (A);

- IS: dòng điện bão hòa của đi-ốt (A);

- q: điện tích của electron (1,602.10-19C);

- k: hằng số Boltzman (1,381.10-23J/K);

- T: nhiệt độ lớp tiếp xúc (K);

- n: hệ số lý tưởng của diode;

- VD: điện áp đi-ốt (V);

- IPV: dòng điện ra của PV (A)

Từ các phương trình (1.1), (1.2), (1.3) suy ra phương trình đặc tính I - V của một

Hình 1.11: Mô hình mô phỏng dàn PV khi nhiệt độ, cường độ bức xạ thay đổi

Thông qua sơ đồ mô phỏng như hình 1.11 áp dụng cho 1 tấm pin thực tế với các thông số: Pmax = 22 W, VMPP = 17,46 V, IMPP = 1,27 A, Voc = 21,64 V, Isc = 1,35A Từ

đó ta thu được các đặc tính của PV Thông thường, các nhà sản xuất sẽ cho chúng ta các thông số về đường đặc tính P-V, I-V hoặc P-I khi bức xạ hoặc nhiệt độ thây đổi

a) Đặc tính I-V

b) Đặc tính P-V Hình 1.12: Minh họa đặc tính tương quan của PV khi bức xạ mặt trời thay đổi

a) Đặc tính I-V

b) Đặc tính P-V Hình 1.13: Minh họa đặc tính tương quan của PV khi nhiệt độ thay đổi

Như vậy, vị trí của điểm MPP trên đường đặc tính là không biết trước và nó luôn thay đổi phụ thuộc vào điều kiện bức xạ và nhiệt độ Do đó, cần có một thuật toán để theo dõi điểm MPP, thuật toán này chính là trọng tâm của bộ điều khiển MPPT

1.3 Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT

1.3.1 Giới thiệu các thuật toán MPPT

a) Giới thiệu chung

Thuật toán bắt điểm công suất cực đại - MPPT (Maximum Power Point Tracker)

là phương pháp dò tìm họ điểm làm việc tối ưu của các hệ thống PV việc thông qua việc đóng cắt các linh kiện bán dẫn trong các bộ chuyển đổi theo thời gian từ đó nâng cao lượng công suất thu được từ các PV Điểm làm việc với công suất tối ưu được gọi

là điểm công suất cực đại-MPP (Maximum Power Point) Ngày nay, để nâng cao công suất thu được từ PV hay tăng hiệu suất chuyển đổi năng lượng, phương pháp MPPT đang được sử dụng rất phổ biến trong hệ thống pin mặt trời PV làm việc độc lập và đang dần được áp dụng trong hệ quang điện làm việc với lưới, trong đó hai phương pháp phổ biến nhất: Thuật toán nhiễu loạn và quan sát P&O (Perturb and Observe) và thuật toán điện dẫn gia tăng INC (Incremental Conductance) [9-14]

Khi PV được đấu nối vào một tải, các điểm làm việc của tấm PV hình thành dựa trên các đường đặc tính làm việc I – V của PV và đường đặc tính I – V của tải, điểm làm việc cụ thể là giao điểm của hai đường đặc tính đó Ví dụ với loại tải thuần trở thì đường đặc tính tải là một đường tuyến tính với độ dốc là 1/Rtải

+

_ V

I

R PV

Hình 1.14: Ví dụ tấm pin mặt trời được mắc trực tiếp với một tải thuần trở với giá trị có thể thay đổi

Hình 1.15: Đường đặc tính làm việc của pin

và của tải thuần trở có giá trị điện trở thay đổi được Tuy nhiên, thực tế điểm làm việc có thể không ở đúng tại vị trí có công suất lớn nhất mà dao động xung quanh điểm đó, vì vậy công suất thu được không phải lớn nhất Một số điểm không thích ứng giữa tải và PV thường làm cho nguồn pin mặt trời

bị quá tải và gây ra tổn hao trong toàn hệ thống Do đó, phương pháp MPPT được sử dụng để duy trì điểm làm của PV tại đúng điểm có công suất lớn nhất MPP Phương pháp MPPT có thể xác định chính xác đến 97% điểm MPP

Bộ điều khiển tích hợp MPPT có thể là bộ điều khiển tương tự truyền thống Tuy nhiên, việc sử dụng bộ điều khiển số đang ngày càng thịnh hành vì nó có nhiều ưu điểm hơn bộ điều khiển tương tự Bộ điều khiển số có thể lập trình được vì vậy khả năng thực hiện các thuật toán cao cấp sẽ dễ dàng hơn Nó dễ dàng mã hóa biểu thức, ví

dụ x = yxz, hơn là thiết kế một mạch điện tương tự để thực hiện cùng một biểu thức

đó Nhờ lý do này mà việc hiệu chỉnh ở bộ điều khiển số được thực hiện dễ dàng hơn nhiều so với bộ điều khiển tương tự Mặt khác bộ điều khiển số không bị ảnh hưởng bởi sự thay đổi về nhiệt độ và thời gian vì bộ này hoạt động rời rạc, bên ngoài các thành phần tuyến tính Vì vậy, bộ điều khiển số có trạng thái ổn định lâu hơn Không chỉ có vậy, bộ điều khiển MPPT số không phụ thuộc vào dung sai của các bộ phận khác vì nó thực hiện thuật toán ở phần mềm, nơi mà các thông số có thể được giữ ổn định hoặc thay đổi được

b) Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất MPPT [9-11] Như đã trình bày ở trên, điểm làm việc có công suất lớn nhất MPP xác định trên đường đặc tính I – V hay P - V luôn thay đổi dưới các điều kiện nhiệt độ và cường độ bức xạ biến thiên Chẳng hạn, Đường đặc tính làm việc I – V va P - V ở những mức cường độ bức xạ khác nhau tăng dần ở cùng một giá trị nhiệt độ (25oC) như hình 1.12

hay hình 1.13 thể hiện các đường đặc tính làm việc ở cùng một mức cường độ bức xạ nhưng với nhiệt độ tăng dần

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong hệ thống PV, được

áp dụng với mong muốn nâng cao năng lượng thu được cũng như nâng cao hiệu suất của hệ thống pin mặt trời Nó được đặt trong tích hợp trong các bộ điều khiển của bộ biến đổi DC/DC Các thuật toán MPPT điều khiển của bộ biến đổi DC/DC sử dụng nhiều tham số, thường là các tham số như dòng PV, điện áp PV, dòng ra, điện áp ra của bộ DC/DC

Các thuật toán này được so sánh dựa theo các tiêu chí như hiệu quả định điểm làm việc có công suất lớn nhất, số lượng cảm biến sử dụng, độ phức tạp của hệ thống, tốc

độ biến đổi…

Nhìn chung có rất nhiều thuật toán MPPT đã được nghiên cứu và ứng dụng trên nhiều hệ thống Một phương pháp đo điện áp hở mạch Voc của các pin mặt trời cứ 30 giây một lần bằng cách tách pin mặt trời ra khỏi mạch trong một khoảng thời gian ngắn Sau khi nối mạch trở lại, điện áp pin được điều chỉnh lên 76% của Voc Tỷ lệ % này phụ thuộc vào loại pin mặt trời sử dụng Việc thực hiện phương pháp điều khiển mạch hở này đơn giản và ít chi phí mặc dù hiệu quả MPPT là thấp (từ 73% đến 91%) Phương pháp tính toán cũng có thể dự đoán vị trí của điểm MPPT, tuy nhiên trong thực tế, phương pháp này làm việc không hiệu quả vì nó không theo được những thay đổi vật lý, tuổi thọ của tấm pin và các ảnh hưởng bên ngoài khác như bóng của các vật cản

1.3.2 Thuật toán P&O

Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất [12-14] Nếu sự biến thiên của điện áp làm công suất tăng lên thì sự biến thiên tiếp theo sẽ giữ nguyên chiều hướng tăng hoặc giảm Ngược lại, nếu sự biến thiên làm công suất giảm xuống thì sự biến thiên tiếp theo sẽ có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có công suất lớn nhất được xác định trên đường cong đặc tính thì sự biến thiên điện áp sẽ dao động xung quanh điểm làm việc có công suất lớn nhất đó (điểm MPP)

Trong thuật toán này điện áp hoạt động của pin mặt trời (PMT) bị nhiễu bởi một gia số nhỏ ΔV và kết quả làm thay đổi công suất, ΔP được quan sát Hình 1.14 mô tả nguyên lý hoạt động của thuật toán P&O, từ đó có thể suy ra cách thức hoạt động của thuật toán như sau:

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang dichuyển theo hướng 1 (ΔP<0 và ΔV<0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 2 (ΔP>0 và ΔV>0) thì cần tăng điện áp hoạt động lên để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 3 (ΔP>0 và ΔV<0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

- Nếu điểm hoạt động của hệ thống đang di chuyển theo hướng 4 (ΔP<0 và ΔV>0) thì cần giảm điện áp hoạt động để di chuyển điểm hoạt động tới điểm MPP

Hình 1.16: Lưu đồ thuật toán P&O điều khiển thông qua điện áp tham chiếu Vref

Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán

độ sai lệch ∆P, ∆V và kiểm tra:

- Nếu ∆P.∆V > 0 thì tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref

- Nếu ∆P.∆V < 0 thì giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref

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

Hình 1.17: Phương pháp tìm điểm làm việc công suất lớn nhất P&O

Sự dao động điện áp làm tổn hao công suất trong hệ quang điện, đặc biệt những khi điều kiện thời tiết thay đổi chậm hay ổn định Vấn đề này có thể giải quyết bằng cách điều chỉnh logic trong thuật toán P&O là sẽ so sánh các tham số trong hai chu kỳ trước Một cách khác để giải quyết việc hao hụt công suất quanh điểm MPP là giảm bước tính biến thiên xuống, nhưng khi điều kiện thời tiết thay đổi, thuật toán này sẽ trở nên chậm chạp hơn trong việc bám theo điểm MPP và công suất sẽ bị hao hụt nhiều hơn Như vậy, nhược điểm chính của phương pháp này là không tìm được chính xác điểm làm việc có công suất lớn nhất khi điều kiện thời tiết thay đổi Đặc điểm của phương pháp này là phương pháp có cấu trúc đơn giản nhất nhất và dễ thực hiện nhất, trong trạng thái ổn định điểm làm việc sẽ dao động xung quanh điểm MPP, gây hao hụt một phần năng lượng Phương pháp này không phù hợp với điều kiện thời tiết thay đổi thường xuyên và đột ngột

1.3.3 Phương pháp điện dẫn gia tăng INC

Phương pháp INC khắc phục những nhược điểm của phương pháp P&O trong trường hợp điều kiện thời tiết thay đổi đột ngột Phương pháp này sử dụng tổng điện dẫn gia tăng của dãy pin mặt trời để dò tìm điểm công suất tối ưu [13-14]

Hình 1.18: Đường đặc tính PV và thuật toán INC Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của đường đặc tính pin bằng

0 tại điểm MPPT, độ dốc này là dương khi ở bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP.Bằng cách so sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng (V/I∆∆), Thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn nhất Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP

Mỗi khi điểm MPP được tìm ra, hoạt động của pin lại được duy trì ở điểm làm việc này trừ khi có sự thay đổi về dòng điện I∆, sự thay đổi của dòng điện I∆ thể hiện

sự thay đổi củađiều kiện thời tiết và của điểm MPP Độ lớn của điện dẫn gia tăng sẽ quyết định độ nhanh chậm trong việc tìm ra điểm MPP Tuy nhiên khi điện dẫn gia tăng lớn quá sẽ làm cho hệ thống hoạt động không chính xác tại điểm MPP và sẽ bị dao động

Hình 1.19: Sơ đồ thuật toán INC

Giải thích thuật toán:

Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V, sau đó tính toán

độ sai lệch ∆I, ∆V rồi so sánh:

+ Trong trường hợp ∆V = 0, nếu ∆I>0 thì tăng Vref, ∆I<0 thì sẽ giảm Vref và sẽ giữ nguyên Vref nếu ∆I = 0

+ Nếu ∆V ≠ 0, bộ điều khiển sẽ tăng điện áp Vref khi∆I/∆V > -I/V và giảm Vrefkhi ∆I/∆V < -I/V Vref sẽ được giữ nguyên nếu ∆I/∆V = -I/V

Sau khi các thuật bước so sánh trên đã hoàn thành, bộ điều khiển sẽ cập nhật các giá trị mới của I và V rồi tiến hành tiếp tục vòng lặp

1.4 Các bộ chuyển đổi năng lượng thường được sử dụng cho nguồn năng lượng mặt trời

1.4.1 Bộ chuyển đổi DC/DC

Trong hệ thống pin mặt trời, các bộ chuyển đổi năng lượng một chiều DC/DC [15] được sử dụng rộng rãi với mục đích biến đổi nguồn một chiều bất định thành nguồn một chiều ổn định dựa vào các phương pháp điều khiển Bộ chuyển đổi được tích hợp thêm các thuật toán MPPT nâng cao công suất đầu ra của pin, đạt được cực đại Các phần tử, linh kiện cơ bản trong bộ chuyển đổi một chiều DC/DC bao gồm: van bán dẫn (khóa điện tử) với vai trò điều khiển hoạt động mạch, cuộn cảm để tích trữ năng lượng

và lọc dòng điện DC, tụ điện để hạn chế dao động điện áp và một đi-ốt dẫn dòng Cos2 loại bộ chuyển đổi năng lượng DC/DC:

- Loại cách ly: Có máy biến áp để cách ly giữa hai nguồn điện đầu vào và đầu ra, đồng thời tận dụng tỉ số biến áp để tăng hoặc giảm áp, có độ an toàn cao hơn, tuy nhiên gặp nhiều hạn chế trong giá trị chuyển đổi;

- Loại không cách ly không sử dụng máy biến áp Các bộ biến đổi thường dùng:

 Bộ biến đổi giảm áp (Buck): Biến đổi điện áp đầu ra thấp hơn đầu vào, có thể định được điểm làm việc có công suất tối ưu mỗi khi điện áp ra của pin vượt quá điện áp tham chiếu Tuy nhiên, trường hợp này ít thực hiện được khi cường độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp, lúc này điện áp đầu vào thấp hơn điện áp đặt đầu ra

 Bộ biến đổi tăng áp (Boost): Nâng điện áp đầu vào lên mức cao hơn, có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng yếu Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra trước khi đưa vào bộ chuyển đổi DC/AC

 Bộ biến đổi đảo dấu điện áp (Buck – Boost): lại này là sự kết hợp của hai

bộ biến đổi trên, có thể tăng hoặc giảm điện áp dựa trên cách điều khiển van bán dẫn

 Ngoài ra còn các bộ khác như fly-back, bộ đẩy-kéo (push-pull), …

Việc chọn lựa loại bộ chuyển đổi tùy thuộc và yêu cầu thiết kế của tải và hệ thống

PV

1.4.2 Bộ chuyển đổi DC/AC

Bộ chuyển đổi DC/AC có các phần tử cấu tạo cơ bản tương tự bộ chuyển đổi DC/DC Chức năng chính là chuyển đổi năng lượng một chiều thành năng lượng xoay chiều có giá trị tần số thay đổi tùy thuộc vào quy tắc điều khiển van bán dẫn Có thể phân loại: Bộ chuyển đổi cầu H (1 pha, 3 pha), Bộ chuyển đổi nữa cầu H, Bộ chuyển đổi đa tầng, …

Hiện nay, nhiều bộ chuyển đổi DC/AC có thể làm việc cả hai chế độ là từ một chiều sang xoay chiều và ngược lại, từ xoay chiều sang một chiều Nhìn chung, bộ

chuyển đổi DC/AC trong hệ PV có thể làm việc ở nhiều mức điện áp khác nhau tùy thuộc vào tính chất của hệ PV và tải được kết nối

1.4.3 Bộ chuyển đổi AC/AC

Bộ biến đổi điện áp xoay chiều AC/AC được sử dụng để thay đổi giá trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra Nó được mắc vào nguồn xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị số hiệu dụng có thể thay đổi được Do đó bộ biến đổi AC/AC có tính năng như một máy biến thế điều khiển sơ cấp Điện áp đáp ứng ở ngõ ra thay đổi nhanh và liên tục

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TĂNG ÁP DC/DC

2.1 Giới thiệu chung về bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ chuyển đổi DC/DC [11,15-17] sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện một chiều như các thiết bị điện tử hay các động cơ một chiều Chúng có nhiệm vụ biến đổi các nguồn điện một chiều có điện áp không thông dụng thành nguồn điện một chiều ổn định thông dụng cho các tải một chiều

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát về bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ biến đổi DC/DC thường bao gồm các phần tử cơ bản như: nguồn điện đầu vào (Vin), khóa bán dẫn (IGBT hay MOSFET), cuộn cảm (L), tụ điện (C), đi-ốt (D)

Bất kỳ bộ chuyển đổi nào cũng hoạt động ở hai chế độ, liên quan đến dòng điện dẫn của cuộn cảm: chế độ dẫn liên tục và chế độ dẫn không liên tục Khi dòng điện dẫn của cuộn cảm lớn hơn không thì mạch làm việc ở chế độ dẫn liên tục, còn khi dòng điện dẫn của cuộn cảm nhỏ do điện trở tải cao hoặc tần số chuyển mạch thấp mạch sẽ làm việc ở chế độ dẫn không liên tục

Trong hệ thống pin mặt trời thì bộ chuyển đổi DC/DC luôn gắn liền với bộ MPPT kết hợp với bộ điều khiển PWM để tạo ra điện áp mong muốn

2.1.1 Phân loại các bộ chuyển đổi

Tùy thuộc vào cách bố trí khác nhau của cuộn cảm, khóa chuyển mạch và đi-ốt, các bộ chuyển đổi này sẽ thực hiện mục đích khác nhau, nhưng đều dựa trên hiện tượng duy trì dòng điện đi qua cuộn cảm Dựa trên chức năng của từng mạch có thể phân thành nhiều loại như đã nói ở trên:

- Mạch tăng áp;

- Mạch giảm áp;

- Mạch đảo dấu điện áp

2.1.2 Cấu trúc chi tiết và nguyên lý hoạt động

a) Mạch tăng áp (Boost)

Mạch tăng áp [11,16-17] có tác dụng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào (Vo>Vin) Nguồn áp một chiều được mắc nối tiếp với một cuộn cảm có vai trò

như một nguồn dòng Một khóa chuyển mạch mắc song song được đóng mở theo chu

kỳ và tụđiện dùng để lọc điện áp đầu ra như hình 2.2 dưới đây

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp Mạch tăng áp làm việc luân phiên ở 2 trạng thái: khóa S đóng và khóa S mở Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ TS:

Trong đó:

- Ton: Thời gian khóa S đóng

- Toff: thời gian khóa S mở

Hình 2.3 Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng

Khi khóa S đóng (Ton) thì dòng điện trong cuộn cảm được tăng lên rất nhanh, dòng điện chạy vòng qua cuộn cảm về nguồn, đây là thời gian nạp năng lượng cho cuộn cảm, dòng điện trong cuộn cảm tăng lên Trong khi đó, dòng điện không qua đi-ốt do phân cực ngược lúc này điện áp cung cấp cho tải được tạo ra từ năng lượng tích trữ ở

tụ Ở thời điểm này thì tải được cung cấp bởi tụ điện Ở chu kỳ đầu, có thể nói chỉ có nguồn và cuộn cảm là việc ở trạng thái này, tụ điện chưa tích điện do đó tải chưa được cung cấp năng lượng làm việc Ở trạng thái làm việc của những chu kỳ tiếp theo, khi tụ điện được nạp năng lượng ở những giai đoạn Toff của khóa thì điện áp của đầu ra sẽ được duy trì và có trạng thái làm việc của các phần tử được mô tả như hình 2.3

V

V

Hình 2.4: Trạng thái làm việc của mạch tăng áp khi khóa S đóng

Hình 2.4 mô tả trạng thái làm việc của tải và chiều dòng điện chạy trong mạch Khi khóa S mở (Toff), lúc này ở cuối cuộn cảm xuất hiện một suất điện động được tạo nên từ việc thay đổi độ lớn dòng điện chạy qua cuộn cảm Điện áp được tạo ra có xu hướng làm giảm sự thay đổi của dòng điện, lúc này cuộn cảm làm việc giống như một nguồn điện nối tiếp với nguồn điện ban đầu Điện áp tại đầu ra lúc này bằng tổng điện

áp nguồn cấp và điện áp ở cuộn cảm, thông qua đi-ốt cấp cho tải và đồng thời nạp cho

Dựa vào nguyên lý hoạt động và dạng sóng của điện áp và dòng điện ta có thể thiết lập được mối liên hệ giữa điện áp đầu vào và điện áp đầu ra như sau:

Do:

𝑣 = 𝐿.𝑑𝐼

Trong đó:

- I = I + I : dòng điện qua cuộn cảm

- IC: dòng điện qua tụ điện

- Vin (V): điện áp đầu vào

- 𝐷 = : hệ số làm việc của khóa S

- I0 (A): dòng điện đầu ra

- ∆𝐼 (A): dao động của dòng điện qua cuộn cảm L b) Mạch giảm áp (Buck)

I

Hình 2.6: Sơ đồ nguyên lý của mạch giảm áp Mạch giảm áp [11,16-17] có vai trò biến điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào (Vo<Vin) Theo sơ đồ nguyên lý hình 2.6 mạch có cấu tạo nguyên lý đơn giản chỉ