32
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
ĐIỂU KHIỂN ĐIỆN ÁP BUS DC DỰA TRÊN QUẢN LÝ NĂNG LƯỢNG TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ĐỘC LẬP
DC-BUS VOLTAGE CONTROL BASED ON ENERGY MANAGEMENT FOR STAND-ALONE PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
Phạm Duy AnTrường Đại học Khoa học và Công nghệ Hà NộiNgày nhận bài: 13/05/2024, Ngày chấp nhận đăng: 27/06/2024, Phản biện: PGS.TS. Nguyễn Hữu Đức
Tóm tắt:Hiệu suất làm việc của hệ thống điện mặt trời độc lập phụ thuộc nhiều vào điện áp của bus DC và khả năng đạt được điểm có công suất lớn nhất khi các điều kiện thời tiết và công suất tải tiêu thụ thay đổi. Trong bài báo này, Bộ điều khiển PI và bộ biến đổi điện áp hai chiều DC/DC sẽ được sử dụng để giữ điện áp của bus DC luôn là hằng số. Một bộ điều khiển MPPT logic mờ với một đầu vào được thiết kế để thu được công suất lớn nhất từ pin mặt trời. Để tránh trạng thái sạc và phóng điện quá mức của pin lithium-ion một bộ giám sát mờ sẽ được sử dụng. Các kết quả mô phỏng trong phần mềm Matlab/Simulink chỉ ra rằng các bộ điều khiển được thiết kế hoạt động tốt và phù hợp với hệ thống năng lượng mặt trời độc lập. Từ khóa: Hệ thống điện mặt trời độc lập; điều khiển mờ; MPPT; bộ biến đổi điện áp hai chiều DC/DC; điều khiển PI.Abstract:Standalone photovoltaic system performance is strongly dependent on the DC bus voltage and the ability to reach the point of maximum power under the variation of weather condition and load consumption. In this paper, The PI controller and bidirectional DC/DC converter are used to keep DC bus voltage in constant value. An input fuzzy logic controller is designed to extract the maximum power from PV panel. In order to avoid the over-charge and over-discharge of lithium-ion battery, a fuzzy logic supervisor is used. The simulation results in Matlab/Simulink software are presented to show the good performances of the proposed controllers in the standalone photovoltaic system .Keywords: Standalone photovoltaic system; fuzzy logic controller; MPPT; bidrectional DC/DC converter; PI controller.
Ký hiệuKýhiệu Đơnvị Ýnghĩa
D1 Chukỳnhiệmvụcủabộtăng
ápDC/DC
D2 Chukỳnhiệmvụcủabộbiến
đổihaichiềuDC/DC
P
PV
W Côngsuấtcủapinmặttrời
V
PV
V Điệnápcủapinmặttrời
V
dc
V ĐiệnápcủabusDC
V
dcref
V ĐiệnápđặtcủabusDC
Chữ viết tắ
t
MPPT Maximumpowerpointtracking(theodõi
điểmcôngsuấtcựcđại)
PMP Pointofmaximumpower(điểmcócông
suấtcựcđại)
FLC Fuzzylogiccontroller(bộđiềukhiển
logicmờ)
Bộđiều
khiểnPI
Bộđiềukhiểntíchphântỷlệ
SOC Stateofcharge(trạngtháisạccủapin)
P&O Perturbationsandobservations(nhiễuloạn
vàquansát)
33
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
1. GIỚI THIỆU CHUNGNănglượngmặttrờilànguồnnănglượngvôtận,
khônggiốngnhưcácnguồnnănglượnghoáthạch
nhưthan,dầuvàkhíđốt.Tạinhữngnơixaxôihẻo
lánhnơimàkhôngcólướiđiệnquốcgia,hệthống
nănglượngmặttrờiđộclậplàmộttrongnhững
giải pháp hiệu quả để cungcấp điện. Do không
đượckếtnốivớilướiđiện,nênviệccânbằngcông
suấtvàgiữổnđịnhđiệnáptronghệthốngluôn
đượcđặtra.Côngsuấtphátcủapinmặttrờiphụ
thuộcnhiềuvàocácđiềukiệntựnhiênnhưcường
độsángvànhiệtđộ,nênsẽthayđổivàkhônglà
hằngsố.Điềunàydẫntớiviệcphảisửdụngpin
lithium-ionđểđápứngcôngsuấttiêuthụcủatải.
VàthiếtkếbộđiềukhiểnMPPTđểthuđượccông
suấtlớnnhấttừpinmặttrời.
Córấtnhiềuphươngphápđểthiếtkếbộđiềukhiển
MPPT.Phươngphápsửdụngđiềukhiểnlogicmờ
đãchỉranhiềuưuđiểmvềhiệusuấtvàtínhlinh
hoạtkhiđiềukiệnmôitrườngthayđổi.Hầuhếtcác
bộđiềukhiểnMPPTlogicmờđượcđềxuấtđềucó
haiđầuvào[1]-[4].Điềunàysẽgâyranhữngsự
phứctạptrongcácbướcmờhoá,xâydựngluậthợp
thànhmờvàgiảimờ.Trong[5],bàibáođãthiếtkế
bộđiềukhiểnMPPTlogicmờvớimộtđầuvào,và
tácgiảđãchỉraưuđiểmvềmặtcấutrúcsovớibộ
điềukhiểnMPPTlogicmờvớihaiđầuvào.Tuy
nhiêntảitiêuthụtrong[5]làtảiđiệntrởmộtchiều,
vàbàibáochưađánhgiáđượchoạtđộngcủabộ
điềukhiểnMPPTlogicmờvớimộtđầuvàokhitải
tiêuthụlàtảixoaychiều.
Tronghệthốngđiệnmặttrờiđộclập,điệnápcủa
busDCcầnđượcgiữổnđịnhđểđảmbảohiệusuất
hoạtđộngcủahệthống.BusDCthườngđượcnối
trựctiếpvớipinlithium-ionhoặcthôngquamộtbộ
chuyểnđổihaichiềuDC/DC.Việcsửdụngbộbiến
đổihaichiềuDC/DCgiữapinlithium-ionvàbus
DCsẽgiúphệthốngtrởlênlinhhoạthơn[6]-[9].
Tronghệthốngđiệnmặttrờiđộclập,việcquảnlý
dòngcôngsuấtkhitốcđộcườngđộsángvàcông
suấttiêuthụcủatảithayđổilàcầnthiếtđểđápứng
nhucầutiêuthụcủatải[10]-12].
Dođặctínhphituyếncủahệthốngđiệnmặttrờivà
côngsuấtphátcủapinmặttrờithayđổiphụthuộc
vàođiềukiệnthờitiết,việcđiềukhiểnhệthống
nàysửdụnglogicmờtỏracóhiệuquảvàđãđược
đềxuấttrongnhiềubàibáo[13]-[15].
Bàibáonêunghiêncứuvềhệthốngđiệnmặttrời
độclậpbaogồmpinmặttrời,pinlithium-ionvàtải
tiêuthụxoaychiều.BộđiềukhiểnMPPTsửdụng
logicmờvớimộtđầuvàosẽđượcthiếtkếđểthu
đượccôngsuấtlớnnhấttừpinmặttrờikhiđiều
kiệnthờitiếtthayđổi.Bằngcáchchỉsửdụngmột
đầuvào,cấutrúccủabộđiềukhiểnMPPTsẽtrở
nênđơngiảnhơnkhithựchiệncácbướcmờhoá,
luậthợpthànhmờ,vàgiảimờ.BộđiềukhiểnPI
haivòngkínđượcsửdụngđểgiữđiệnápbusDC
ổnđịnhvàđiềukhiểntrạngtháiphóngsạccủapin
lithium-ion.Nghiêncứuđãdùngmộtbộgiámsát
mờđểhệthốngtránhđượctrạngtháiphóngvàsạc
quámứccủapinlithium-ion.
2. MÔ TẢ HỆ THỐNGHệthốngđiệnmặttrờiđộclậpbaogồmmộttấm
pinmặttrời20x30(15,12Vvà0,902Atại1000W/
m²và25°C),mộtpinlithium-ion(650V,10Ah)để
cungcấpđiệnchohaitảixoaychiềucócôngsuất
là4kWvà2kWđượcmôtảtrongHình1.Bộđiều
khiểnMPPTlogicmờsẽthayđổichukỳnhiệmvụ
D1củabộtăngápDC/DC1đểthuđượccôngsuất
lớnnhấttừpinmặttrời.Đầuvàocủabộđiềukhiển
làcôngsuấtvàđiệnápcủapinmặttrời.Đầuralà
chukỳnhiệmvụD1.
BộđiềukhiểnPIvàbộbiếnđổiđiệnáphaichiều
DC/DCsẽđượcsửdụngđểgiữđiệnápcủabus
DCluônlàhằngsốvàđiềukhiểntrạngtháiphóng
hoặcsạccủapinlithium-ion.
34
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Nếunhưcôngsuấtcủapinmặttrờinhỏhơncông
suấttiêuthụcủatải,vàdunglượngcủapinlithium-
ionđủ.BộđiềukhiểnPIsẽđiềukhiểnpinlithium-
ionởtrạngtháiphóngđiệnđểcungcấpcôngsuất
điệnchotảitiêuthụ.
Nếunhưcôngsuấtcủapinmặttrờilớnhơncông
suấttiêuthụcủatải,vàdunglượngcủapinlithium-
ionchưađầy.BộđiềukhiểnPIsẽđiềukhiểnpin
lithium-ionởtrạngtháisạcđiện.Lượngcôngsuất
dưthừasẽđượcsạcvàopinlithium-ion.
Đểtránhtrạngtháiphóngvàsạcquámứcvàquađó
tăngtuổithọlàmviệccủapinlithium-ion,mộtbộ
giámsátmờsẽđượcsửdụng.Bộgiámsátmờsẽ
cầnhaithôngtinđầuvào.Đầuvàothứnhấtlàtrạng
tháiSOCcủapinlithium-ion.Đầuvàothứhailà
chênhlệchcôngsuấtgiữapinmặttrờivàtảitiêu
thụ.Bộgiámsátmờsẽlựachọnthờiđiểmđóngmở
củakhoáS
1
,vàxácđịnhthờiđiểmtiêutánlượng
côngsuấtdưthừaquatảiđiệntrởbằngkhoáS
2
.
Nếunhưcôngsuấtcủapinmặttrờinhỏhơncông
suấttiêuthụcủatảivàdunglượngcủapinlithium-
ionkhôngđủ.Bộgiámsátmờsẽđiềukhiểnkhoá
S
1
ởtrạngtháimởđểtránhtrạngtháiphóngđiện
quámứccủapinlithium-ion.
Nếunhưcôngsuấtcủapinmặttrờilớnhơncông
suấttiêuthụcủatảivàdunglượngcủapinlithium-
ionđãđầy.BộgiámsátmờsẽđiềukhiểnkhoáS2
ởtrạngtháiđóngđểtránhtrạngtháisạcđiệnquá
mứccủapinlithium-ion.Lượngcôngsuấtdưthừa
sẽđượctiêutánquamộttảiđiệntrở.
Bằngcáchsửdụnglogicmờ,chúngtasẽkhôngcần
phảibiếtmôhìnhchínhxáccủacáchệthốngphức
tạp(pinmặttrời,bộchỉnhlưu,bộnghịchlưu).
3. BỘ BIẾN ĐỔI HAI CHIỀU DC/DC Bộ biến đổi hai chiều DC/DC được sử dụng để
thực hiện quá trình trao đổi điện năng giữa hai
nguồnđiệnmộtchiều.Bộbiếnđổinàyđóngvai
tròquantrọngtronghệthốngđiệnmặttrờiđộclập
đểthựchiệnquátrìnhtraođổinănglượnggiữapin
mặttrời,tảitiêuthụvàpinlithium-ion.
ĐiệnápcủabusDCV
dc
đượcđiềukhiểnđểluôn
ổnđịnhởgiátrịđiệnápđặtV
dcref
thôngquahai
vòngđiềukhiểnkín(Hình2).
Pin
lithium-ion
Pin mặt
trời
Bộ tăng áp DC/DC
DC Bus
Bộ giám sát
logic mờ
SOC
ΔP
S
1
S
2
Bộ điều
khiển PI
Bộ biến đổi điện áp
2 chiều DC/DC
DC/AC Tải
Điện trở
MPPT
logic mờ
D
1
V
PV
P
PV
V
dcref
V
dc
I
ref
Bộ điều
khiển PI
D
2
I
pin
Hình 1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống
35
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
Pin
lithium-ion
C1 C2
DCbus S3
S4
L1
Vdc
Ipinref
Bộđiều
khiểnPI1
Bộđiều
khiểnPI2
Ipin
-1
D2
e1e2
Hình 2. Bộ biến đổi hai chiều DC/DC
Tại vòng điều khiển thứ nhất, giá trị đo lường
củaV
dc
sẽđượcsosánhvớiV
dcref
.Saisốe
1
sẽlà
đầu vào của bộ điều khiển PI 1. Đầu ra của bộ
điềukhiểnPI1sẽlàgiátrịdòngđiệnđặtcủapin
lithium-ionI
pinref
.Tạivòngđiềukhiểnthứ2,giátrị
đolườngcủadòngđiệnchạyquapinlithium-ion
IpinsẽđượcsosánhvớiI
pinref
.Saisốe
2
sẽlàđầu
vàocủa bộđiềukhiểnPI2.Đầura củabộđiều
khiểnPI2sẽlàgiátrịchukỳnhiệmvụD
2
củabộ
biếnđổihaichiềuDC/DC.
KhiV
dc
lớnhơnV
dcref
,I
pin
sẽđượcđiềukhiểnđể
đạtgiátrịâm.Dođópinlithium-ionsẽlàmviệc
ởchếđộsạc,vàbộbiếnđổihaichiềuDC/DCsẽ
hoạtđộngởchếđộgiảmđiệnáp(buckmode).Khi
V
dc
nhỏhơnV
dcref
,I
pin
sẽđượcđiềukhiểnđểđạtgiá
trịdương.Dođópinlithium-ionsẽlàmviệcởchế
độphóng,vàbộbiếnđổihaichiềuDC/DCsẽhoạt
độngởchếđộtăngđiệnáp(boostmode).
4.THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN MPPT LOGIC MỜ BộđiềukhiểnMPPTlogicmờđượcthiếtkếdựa
trênsựkếthợpcủaphươngphápnhiễuloạnvàquan
sát(P&O)trongbộđiềukhiểnlogicmờ.Bộđiều
khiểnMPPTlogicmờcómộtđầuvàovàmộtđầu
ra:đầuvàolàđạohàmbậcmộtcủacôngsuấttheo
điệnáppinmặttrời(dP
PV
/dV
PV
),đầuralàsựkhác
nhaugiữachukỳnhiệmvụhiệntạivàchukỳnhiệm
vụtrướcđó∆D
1
củamạchtăngápDC/DC(Hình3).
Khiđiểmlàmviệccủapinmặttrờivềphíabêntrái
củađiểmcôngsuấtcựcđại,giátrịcủa(dP
PV
/dV
PV
)
sẽdương.LúcnàycầngiảmgiátrịD
1
đểtănggiá
trị điện áp V
PV
. Do đó, điểm làm việc sẽ tiến lại
gầnđiểmcócôngsuấtlớnnhất(pointofmaximum
power)(PMP).
C1 C2
DCbus
S
L
Vdc
D
MPPT
logicmờ
Vpv
Vpv
Ppv
D
1
Hình 3. Bộ điều khiển MPPT logic mờ
Khiđiểmlàmviệccủapinmặttrờivềphíabên
phải của điểm công suất cực đại, giá trị của
(dP
PV
/dV
PV
)sẽâm.LúcnàycầntănggiátrịD
1
để
giảmgiátrịđiệnápV
PV
.Dođó,điểmlàmviệcsẽ
tiếnlạigầnPMP(Hình4).
Hình 4. Điểm có công suất lớn nhất theo điện áp pin mặt trời
Nếuchúngtachọnmộtgiátrịlớncủa∆D
1
,chúng
tacóthểnhanhchóngđạtđượcPMP.Nhưngđiều
nàysẽgâyranhiềudaođộngxungquanhPMP.Mặt
khác,nếuchúngtachọnmộtgiátrịnhỏcủa∆D
1
,đáp
ứngthờigiancủabộđiềukhiểnMPPTlogicmờsẽ
chậm.Nhưng,chúngtacóthểdễdàngđạttớiPMP.
Đểgiảiquyếtvấnđềnày,giátrịthựccủacácbiến
đầuvàovàđầurasẽđượcchiathànhcácbiếnngôn
ngữsauđâyđểxửlýtrongbộđiềukhiểnmờ:
-dP
PV
/dV
PV
[rấtâm,kháâm,âm,không,dương,
khádương,rấtdương].
36
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ NĂNG LƯỢNG - TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐIỆN LỰC
(ISSN: 1859 - 4557)
-ΔD
1
[-2%,-1%,0.5%,0%,+0.5%,+1%,+2%].
Độlớncủa∆D
1
sẽđượcbộMPPTlogicmờthay
đổituỳthuộcvàokhoảngcáchcủađiểmlàmviệc
pinmặttrờivớiPMP.Dođó,PMPsẽnhanhchóng
đạtđược,nhưngkhôngvượtquá.Vàsẽkhôngcòn
daođộngxungquanhPMP.
Khiđiểmlàmviệccủapinmặttrờiởxavềphía
bên trái của điểm công suất cực đại giá trị của
(dP
PV
/dV
PV
)sẽrấtdương.Lúcnàychukỳnhiệm
vụD1cầngiảmxuốngmộtcáchnhanhchóngđể
tăngđiệnápV
PV
đạttớiPMP.
Quy tắc hợp thành max-min và mô hình mờ
TakagiSugenosẽđượcsửdụng.
NếunhưdP
PV
/dV
PV
làrấtdươngthìΔD
1
=-2%.
NếunhưdP
PV
/dV
PV
làdươngthìΔD
1
=-0.5%.
NếunhưdP
PV
/dV
PV
làkhôngthìΔD
1
=0%.
NếunhưdP
PV
/dV
PV
làrấtâmthìΔD
1
=+2%.Nếu
nhưdP
PV
/dV
PV
làâmthìΔD
1
=+0.5%.
Luậthợpthànhđượctómtắttrongbảng1sauđây:
Bảng 1. Luật hợp thành của ΔD1
dP
PV
/dV
PV
rấtâm kháâm âm không
ΔD
1
+2% +1% +0.5% 0%
dP
PV
/dV
PV
dương khádương rấtdương
ΔD
1
-0.5% -1% -2%
GiátrịD1củabộtăngápDC/DCđượctínhtoán
dựatheocôngthứcsauđây:
D
1
(k)=D
1
(k-1)+ΔD
1
(k)
Phươngphápđiểmtrọngtâmđượcsửdụngđểgiải
mờ.HàmliênthuộccủabiếnđầuvàodP
PV
/dV
PV
đượcmôtảtrongHình5.
không
dương
0 0.2 1
âm
rấtâm
-1 -0.3 -0.2
0
0.5
1
-0.1 0.1 0.3
kháâm khádương rấtdương
Hình 5. Hàm liên thuộc của biến đầu vào dP
PV
/dV
PV
5. THIẾT KẾ BỘ GIÁM SÁT MỜ Bộ giám sát mờđượcthiết kế đểtránh trạng thái
phóngvàsạcquámứccủapinlithium-ion.Bộgiám
sátmờcóhaiđầuvàovàhaiđầura.Đầuvàothứ
nhấtlàstate-of-charge(SOC) củapinlithium-ion.
ĐầuvàothứhailàΔPchêchlệchgiữacôngsuấtphát
củapinmặttrờivàcôngsuấttiêuthụcủatải.Đầura
thứnhấtlàkhoáS
1
.ĐầurathứhailàkhoáS
2
.
Giátrịthựccủacácbiếnđầuvàovàđầurasẽđược
chia thành các biến ngôn ngữ sau đây để xử lý
trongbộđiềukhiểnmờ:
-ΔP[âm,dươngnhỏ,dương,rấtdương];
-SOC[trốngkhông,trungbình,đầy];
-S
1
[đóng,mở];
-S
2
[đóng,mở].
HàmliênthuộccủabiếnđầuvàoΔPvàSOCđược
môtảtrongHình6vàHình7.
Việcxâydựngcácluậthợpthànhmờsẽdựatrên
luậthợpthànhmờMamdani.Phươngphápđiểm
trọngtâmđượcsửdụngđểgiảimờ.
Nếu nhưΔPlà âm vàSOClàtrungbình,thìS
1
đóngvàS
2
mở.
NếunhưΔPlàâmvàSOClàtrốngkhông,thìS
1
mởvàS
2
mở.
Nếu nhưΔP là rất dương và SOC là đầy, thì S
1
đóngvàS
2
đóng.
![Ngân hàng câu hỏi thi giữa kì môn Truyền động điện [Mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250920/kimphuong1001/135x160/42601758354546.jpg)
![Câu hỏi ôn tập Quy trình an toàn điện có đáp án [kèm đáp án chi tiết]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250920/kimphuong1001/135x160/18761758354548.jpg)
![Đề thi trắc nghiệm Kỹ thuật mạch điện tử: Tổng hợp [Năm]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250920/kimphuong1001/135x160/23481758356189.jpg)
![Tài liệu ôn tập Thông tin quang [năm] [mới nhất]](https://cdn.tailieu.vn/images/document/thumbnail/2025/20250917/anvunguyen0207@gmail.com/135x160/56551758168054.jpg)
