Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-----------------o0o------------------

NGUYỄN THỊ LAN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY

TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG

ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

KHOA CHUYÊN MÔN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC

TRƢỞNG KHOA

PGS.TS. Lại Khắc Lãi

PHÒNG ĐÀO TẠO

THÁI NGUYÊN 2016

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Nguyễn Thị Lan

Sinh ngày 03 tháng 9 năm 1988

Học viên lớp cao học khóa 16 - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa -

Trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Điện tử Trƣờng Cao đẳng nghề kinh

tế kỹ thuật Bắc Ninh

Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu thuật toán xác định và

duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy giáo

PGS.TS Lại Khắc Lãi hƣớng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả

các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả

trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chƣa từng ai công bố trong bất kỳ

công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm.

Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn

tận tình của thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu

thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt

trời nối lưới” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:

Thầy giáo hƣớng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ

tác giả hoàn thành luận văn này.

Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện

trƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đã giúp đỡ tác giả trong suốt

quá trình học tập cũng nhƣ trong quá trình nghiên cứu đề tài.

Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và ngƣời thân đã quan tâm,

động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn.

Bắc Ninh, Ngày 12 tháng 03 năm 2016

Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Lan

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

iii

MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv

LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................ i

LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................. ii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ..................................................... iv

DANH MỤC CÁC BẢNG ............................................................................................ ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ .................................................................. xi

MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1

1. Tính cấp thiết của đề tài ............................................................................................... 1

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ..................................................................................... 2

Ý nghĩa khoa học ............................................................................................................. 2

Ý nghĩa thực tiễn ............................................................................................................. 2

3. Mục tiêu nghiên cứu .................................................................................................... 2

4. Đối tƣợng nghiên cứu .................................................................................................. 2

5. Phƣơng pháp nghiên cứu ............................................................................................. 3

6. Tên đề tài ..................................................................................................................... 3

7. Bố cục luận văn ........................................................................................................... 3

CHƢƠNG 1 ..................................................................................................................... 4

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ........................................................... 4

1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời ...................................................................................... 4

1.1.1. Cấu trúc của mặt trời ............................................................................................. 4

1.1.2. Năng lƣợng mặt trời .............................................................................................. 5

1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời................................................................................................ 6

1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất ................................................ 8

1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời ............................................................................................ 8

1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng qua lớp khí quyển( air mass). ............................................................................................... 11

1.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian............................................ 12

1.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian ........................................ 13

1.2. Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời ..................................... 14

1.2.1. Sử dụng hệ thống điện năng lƣợng mặt trời làm việc độc lập ............................. 15

1.2.1.1. Pin mặt trời ....................................................................................................... 15

1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời. ........................................... 16

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ........................................................................... 16

1.2.1.4. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT .......................................................... 17

1.2.1.5. Động cơ stirling chạy bằng NLMT .................................................................. 17

1.2.1.6. Bếp nấu dùng NLMT ........................................................................................ 18

1.2.1.7. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời ........................................... 20

1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT ..................................... 21

1.2.2. Hƣớng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lƣợng mặt trời ................................. 21

1.3. Kết luận chƣơng 1 .................................................................................................. 24

CHƢƠNG 2 ................................................................................................................... 25

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ..................................................................................................... 25

2.1. Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới .. 25

2.1.1. Điện trở ................................................................................................................ 25

2.1.2. Tụ điện ................................................................................................................. 27

2.1.3. Diode bán dẫn. ..................................................................................................... 28

2.1.3.1. Cấu tạo, kí hiệu ................................................................................................. 28

2.1.3.2. Đặc tuyến V-A. ................................................................................................. 29

2.1.3.3. Các tham số cơ bản của Diode: Chia làm hai nhóm......................................... 29

2.1.3.4. Phân loại ........................................................................................................... 30

2.1.4. Transistor lƣỡng cực( Transistor Bipolar) ........................................................... 30

2.4.1.1. Cấu tạo .............................................................................................................. 30

2.1.4.2. Nguyên lý làm việc ........................................................................................... 31

2.1.4.3. Các tham số cơ bản ........................................................................................... 33

2.1.5. Transistor Trƣờng< FET > (Field Effect Transistor) .......................................... 33

2.1.5.1. Tranzitor trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET ..................................................... 34

2.1.5.2. Tranzitor trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor FET) ............................................................................................................................... 36

2.1.6. Thysistor .............................................................................................................. 38

2.1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc ............................................................................. 38

2.1.6.2. Đặc tuyến V- A ................................................................................................. 40

2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới .......................................................... 40

2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................. 40

2.2.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới ................................................ 41

2.3. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic) ................................................................................ 41

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.3.1. Khái niệm ............................................................................................................. 41

2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời ............................................ 42

2.4. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) ......................................................... 45

2.4.1. Chức năng ............................................................................................................ 45

2.4.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC ................................................................................ 46

2.4.2.1. Bộ biến đổi DC/DC không cách ly ................................................................... 46

2.4.2.2. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly ........................................................................ 51

2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC ........................................................................... 51

2.4.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp.......................................................................... 51

2.4.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện ..................................................................... 52

2.5. Nghịch lƣu nối lƣới (Inverter) ................................................................................ 53

2.5.1. Các phép chuyển đổi ........................................................................................... 54

2.5.1.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha ................................................................ 54

2.5.1.1. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha ...................................................... 56

2.5.2. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation) ................................ 57

2.5.2.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) ................................. 58

2.5.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) ............................................................... 59

2.5.3. Điều khiển chuyển đổi DC-AC ........................................................................... 60

2.5.3.1. Bộ điều khiển PI ............................................................................................... 61

2.5.3.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant) ........................ 63

2.5.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái..................................................................... 63

2.6. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lƣới ................................................... 64

2.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ .................................................................................. 64

2.6.1.1. Điều kiện về tần số ........................................................................................... 64

2.6.1.2. Điều kiện về điện áp ......................................................................................... 65

2.6.1.2. Điều kiện về pha ............................................................................................... 65

2.6..2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới ................................................................... 65

2.7. Kết luận chƣơng 2 .................................................................................................. 66

CHƢƠNG 3 ................................................................................................................... 67

THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI ....................................................................... 67

3.1. Khái niệm ............................................................................................................... 67

3.2. Thuật toán dò điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT - Maximum Power Point Tracking) .............................................................................................................. 69

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

3.2.1. Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage) ..................................... 69

vii

3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe) .......................... 69

3.2.3. Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance) ............................. 70

3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance) ................................ 70

3.3. Ứng dụng fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống pin mặt trời ..................................................................................................... 71

3.3.1. Tổng quan về logic mờ ........................................................................................ 71

3.3.2. Thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC) .......................................... 77

3.4. Các kết quả mô phỏng ............................................................................................ 81

3.5. Kết luận chƣơng 3 .................................................................................................. 84

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ....................................................................................... 85

1. Kết luận ...................................................................................................................... 85

2. Kiến nghị ................................................................................................................... 85

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 87

viii

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

STT Ký hiệu Chú thích

NLMT Năng lƣợng mặt trời 1

PMT Pin mặt trời 2

BĐK Bộ điều khiển 3

BBĐ Bộ biến đổi 4

DC-DC Bộ biến đổi một chiều- một chiểu 5

DC-AC Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều 6

PV Tế bào quang điện 7

MPPT Maximum Power Point Tracking 8

PWM Pules- With- Modulation 9

CB- PWM Carrier Based Pulse With 10

Zero sequence signal 11 ZSS

Space vector Modulation 12 SVM

Current Control 13 CC

Voltage Control 14 VC

15 VSI

Voltage Source Inverter Cƣờng độ bức xạ mặt trời (w/m2) 16 IN

17 Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời UPV, IPV

18 Dòng quang điện (A) Igc

19 I0

20 q Dòng bão hòa (A) Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C)

21 K

22 Hằng số Boltzman (J/K) Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K) TC

23 Dòng điện (A), điện áp trên diode (V) ID, UD

24 (Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của PV ISC

25 UOC

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

26 G Điện áp hở mạch của Pin mặt trời Bức xạ mặt trời (Kw/m2)

27 D Hệ số làm việc

28 Thời gian khóa K mở Ton

29 T Chu kỳ làm việc của khóa

30 Tần số đóng cắt fDC

31 Dòng điện của cuộn cảm L1, L2 IL1, IL2

32 Điện áp trên tụ C1, C2 UC1, UC2

33 Thời điểm lấy mẫu tK

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng Tên bảng Trang

Bảng 1.1 Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bƣớc sóng 7

Bảng 1.2 Màu sắc và bƣớc sóng của ánh sáng mặt trời 8

Bảng 3.1 Luật điều khiển cơ bản của FLC 75

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Bảng 3.2 Thông số của tấm pin mặt trời 77

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình

Hình Trang

Hình 1.1 Cấu trúc mặt trời 5

Hình 1.2 Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời 6

Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 9

Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 10

Hình 1.5 Định nghĩa và cách xác định airmas 12

Hình 1.6 Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều 15

Hình 1.7 Pin mặt trời 15

Hình 1.8 Nhà máy sử dụng Năng lƣợng mặt trời 16

Hình1.9 Lò sấy sử dụng NLMT 16

Hình 1.10 Thiết bị chƣng cất nƣớc dùng NLMT 17

Hình 1.11 Động cơ stirling chạy bằng NLMT 17

Hình 1.12 Bếp nấu dùng NLMT 18

Hình 1.13 Bình nƣớc nóng Thái Dƣơng Năng 19

Hình 1.14 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 20

Hình 2.1 Điện trở thƣờng 24

Hình 2.2 Điện trở công suất 25

Hình 2.3 Điện trở dán 25

Hình 2.4 Biến trở 26

Hình 2.5 Tụ gốm 26

Hình 2.6 Tụ hoá 27

Hình 2.7 Tụ xoay sử dụng trong Radio 27

Hình 2.8 Cấu tạo và ký hiệu Diode 27

Hình 2.9 Đặc tuyến V- A của Diode 28

Hình 2.10 Cấu tạo và kí hiệu của Transistor BJT 29

Hình 2.11 Phân cực cho Transistor BJT 30

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.12 Nguyên lý hoạt động của Transistor BJT 30

xii

Hình 2.13 Sơ đồ tƣơng đƣơng thay thế của tranzitor dựa theo tham số h 32

Hình 2.14 Cấu tạo và kí hiệu Tranzitor Trƣờng JFET 32

Hình 2.15 Đặc tuyến V- A của JFET 34

Hình 2.16 Cấu tạo và ký hiệu Transistor Trƣờng MOSFET 35

Hình 2.17 Đặc tuyến V- A của JFET 36

Hình 2.18 Cấu tạo và kí hiệu Thysistor 36

Hình 2.19 Đặc tuyến V-A của Thyristor 38

Hình 2.20 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới 38

Hình 2.21 Mạch tƣơng đƣơng của Module PV 40

Hình 2.22 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 41

Hình 2.23 a,b,c,d: Họ đặc tính của PV 42

Hình 2.24 Sơ đồ nguyên lý mạch giảm áp Buck 44

Hình 2.25 Sơ đồ nguyên lý mạch Boost 45

Hình 2.26 Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost 46

Hình 2.27 Sơ đồ biến đổi Cuk 47

Hình 2.28 Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng 47

Hình 2.29 Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng 48

Hình 2.30 Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly 49

Hình 2.31 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp 50

Hình 2.32 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện 50

Hình 2.33 Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang tọa độ αβ 52

Hình 2.34 Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq 53

Hình 2.35 Cấu trúc của SOGI 54

Hình 2.36 Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin 56

Hình 2.37 Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra 56

Hình 3.1 Quan hệ I(U) và P(U) của PV 63

Hình 3.2 Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời 64

Hình 3.3 Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lƣới sử dụng MPP 64

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.4 Lƣu đồ thuật toán P & Q 65

xiii

Hình 3.5 Lƣu đồ thuật toán INC 66

Hình 3.6 Độ cao, miền xác định , miền tin cậy của tập mờ 67

Hình 3.7 Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ 68

Hình 3.8 Hợp hai tập mờ có cùng tập vũ trụ 69

Hình 3.9 Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ 69

70 Hình 3.10 Tập bù của tập mờ A.

Hình 3.11 Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ 71

Hình 3.12 Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ 72

Hình 3.13 Quan hệ P-U của tấm PV 73

Hình 3.14 Hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 1 € 74

Hình 3.15 Hàm liên thuộc đầu vào 2 (DE) 74

Hình 3.15 Hàm liên thuộc đầu ra (D) 74

Hình 3.17 Quan hệ Vào-Ra của FLC 75

Hình 3.18 Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim 76

Hình 3.19 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát 77

Hình 3.20 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng 78

Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng điều khiển mờ Hình 3.21 78 trên Matlab và Psim

Hình 3.22 Sơ đồ khối Psim trong hình 3.21 79

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.23 Đáp ứng hệ thống khi sử dụng điều khiển mờ 79

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, các nguồn năng lƣợng trên trái đất nhƣ dầu mỏ, than đá… đang dần cạn

kiệt, không còn để khai thác đƣợc nữa. Ngoài ra, những nguồn năng lƣợng này là nguyên

nhân chính gây ra sự ô nhiễm không khí làm ảnh hƣởng đến đời sống con ngƣời.

Trong khi đó, nguồn năng lƣợng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế

nguồn năng lƣợng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới môi trƣờng. Vì vậy, tập trung

nghiên cứu ứng dụng năng lƣợng tái tạo đang là hƣớng đi mới trong năng lƣợng

công nghiệp, nhất là trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lƣợng đang đặt

lên hàng đầu. Việc khai thác năng lƣợng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã

hội, an ninh năng lƣợng và phát triển bền vững.

Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng 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 lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối,

năng lƣợng các dòng sông,… Đó là loại hình năng lƣợng có khả năng áp dụng hơn cả

tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lƣới không vƣơn đến đƣợc (vùng núi, vùng

hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …). Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận,

để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất

cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.

Ở Việt Nam, năng lƣợng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lƣợng bức xạ trung

bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông

tin Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng

60 hệ thống đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ

thống cho gia đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lƣợng điện toàn

quốc. Mặc dù, đã có những chính sách khuyến khích, nhƣng vì nhiều lý do, việc

phát triển năng lƣợng mặt trời, vốn đòi hỏi đầu tƣ ban đầu lớn hơn các dạng năng

lƣợng truyền thống nên việc sử dụng vẫn còn hạn chế.

Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và

tích trữ năng lƣợng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lƣợng này, chủ yếu

vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng tại chỗ ), năng lƣợng dƣ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

thừa chƣa hòa đƣợc lên lƣới điện quốc gia (bán trở lại cho lƣới điện thông qua đồng hồ

đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).

Vì vậy, việc nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của

hệ thống điện mặt trời nối lƣới đang là một vấn đề cấp thiết.

2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Ý nghĩa khoa học

Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), Nguồn năng

lƣợng một chiều này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ

nghịch lƣu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để

cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa

đƣợc bán trở lại lƣới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện.

Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lƣới

điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và

sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp,

khu dân cƣ sử dụng nguồn năng lƣợng mặt trời.

Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tƣ liệu phục vụ cho công tác học tập

và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác.

3. Mục tiêu nghiên cứu

Đề tài này đặt mục tiêu chính là “ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm

làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’’

Các mục tiêu cụ thể:

 Tổng quan về năng lƣợng tái tạo.

 Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời.

+ Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới

+ Vấn đề hòa lƣới của hệ thống

 Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời

nối lƣới

 Viết chƣơng trình và mô phỏng thực nghiệm.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

4. Đối tƣợng nghiên cứu

Nghiên cứu nguồn năng lƣợng mặt trời: Phƣơng pháp sản xuất, sử dụng và hòa

lƣới.

Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống

điện mặt trời nối lƣới.

5. Phƣơng pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết

Phân tích đánh giá và hệ thống hóa các công trình nghiên cứu đƣợc công bố thuộc

lĩnh vực liên quan: bài báo, tạp chí, sách chuyên ngành…

Nghiên cứu thực tiễn

Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện

mặt trời nối lƣới

6. Tên đề tài

“ Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt

trời nối lưới ” .

7. Bố cục luận văn

Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung nhƣ sau:

Chƣơng 1: Tổng quan về năng lƣợng mặt trời.

Chƣơng 2: Thiết kế mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời

Chƣơng 3: Thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện

Kết luận và kiến nghị

mặt trời nối lƣới.

Tài liệu tham khảo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Phụ lục

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời

Năng lƣợng mặt trời là một trong các nguồn năng lƣợng 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 lƣợng tái tạo khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng

lƣợng các dòng sông,… Năng lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai

thác, sử dụng nguồn năng lƣợng này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ

bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất.

1.1.1. Cấu trúc của mặt trời

Có thể xem mặt trời là một quả cầu khí ở cách quả đất 1,49.108 km. Từ trái đất chúng ta nhìn mặt trời dƣới một góc mở là 31'59. Từ đó có thể tính đƣợc đƣờng kính của mặt trời là R = 1,4.106 km, tức là bằng 109 lần đƣờng kính quả đất và do đó thể tích của mặt trời lớn hơn thể tích quả đất 130.104 lần. Từ định luật hấp dẫn ngƣời ta cũng tính đƣợc khối lƣợng của mặt trời là 1,989.1027 tấn, lớn hơn khối lƣợng quả đất 33.104 lần. Mật độ trung bình của mặt trời là 1,4g/cm3, lớn hơn khối lƣợng riêng của nƣớc (1g/cm3) khoảng 50%. Tuy nhiên mật độ ở các lớp vỏ khác nhau của mặt

trời rất khác nhau. Ở phần lõi của mặt trời, do bị nén với áp suất rất cao nên mật độ lên tới 160 g/cm3, nhƣng càng ra phía ngoài mật độ càng giảm và giảm rất nhanh.

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong

và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền và

đƣợc gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có thể

chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lƣu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số thông

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

số của các lớp của mặt trời đƣợc cho trên hình 1.1.

Hình 1.1. Cấu trúc mặt trời

Từ mặt đất nhìn lên ta có cảm giác mặt trời là một quả cầu lửa ổn định. Thực ra

bên trong mặt trời luôn luôn có sự vận động mạnh mẽ không ngừng. Sự ẩn hiện của

các đám đen, sự biến đổi của quầng sáng và sự bùng phát dữ dội của khu vực xung

quanh các đám đen là bằng chứng về sự vận động không ngừng trong lòng mặt trời.

Ngoài ra, bằng kính thiên văn có thể quan sát đƣợc cấu trúc hạt, vật thể hình kim,

hiện tƣợng phụt khói, phát xung sáng,.. luôn luôn thay đổi và rất dữ dội.

1.1.2. Năng lƣợng mặt trời

Về mặt vật chất thì mặt trời chứa đến 78,4% khí Hydro (H2), Heli (He) chiếm

19,8%, các nguyên tố kim loại và các nguyên tố khác chỉ chiếm 1,8%.

Năng lƣợng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lƣợng khổng lồ. Mỗi giây nó phát ra 3,865.1026J, tƣơng đƣơng với năng lƣợng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đá tiêu

chuẩn. Nhƣng bề mặt quả đất chỉ nhận đƣợc một năng lƣợng rất nhỏ và bằng 17,57.1016J hay tƣơng đƣơng năng lƣợng đốt cháy của 6.106 tấn than đá.

Năng lƣợng khổng lồ từ mặt trời đƣợc xác định là sản phẩm của các phản ứng hạt

nhân. Theo thuyết tƣơng đối của Anhxtanh và qua phản ứng nhiệt hạt nhân khối lƣợng có thể chuyển thành năng lƣợng. Nhiệt độ mặt ngoài của mặt trời khoảng 60000K,

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

còn ở bên trong mặt trời nhiệt độ có thể lên đến hàng triệu đô. Áp suất bên trong mặt trời cao hơn 340.108 MPa. Do nhiệt độ và áp suất bên trong mặt trời cao nhƣ vậy nên

vật chất đã nhanh chóng bị ion hóa và chuyển động với năng lƣợng rất lớn. Chúng va

chạm vào nhau và gây ra hàng loạt các phản ứng hạt nhân. Ngƣời ta đã xác định đƣợc

nguồn năng lƣợng mặt trời chủ yếu do hai loại phản ứng hạt nhân gây ra. Đó là các

phản ứng tuần hoàn giữa các hạt nhân Cacbon và Nitơ (C.N) và phản ứng hạt nhân

Proton.Proton. Khối lƣợng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn. Nhƣ vậy để mặt trời chuyển hóa hết khối lƣợng của nó thành năng lƣợng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm. Từ đó có thể

thấy rằng nguồn năng lƣợng mặt trời là khổng lồ và vô tận.

1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời có bản chất là song điện từ, là quá trình truyền các dao động điện

từ trƣờng trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cƣờng độ điện

trƣờng và cƣờng độ từ trƣờng luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phƣơng

truyền của sóng điện từ. Quãng đƣờng mà sóng điện từ truyền đƣợc sau một chu kỳ

dao động điện từ đƣợc gọi là bƣớc sóng  Trong chân không vận tốc truyền của sóng điện từ gần đúng bằng c = 3.108 m/s.

Còn trong môi trƣờng vật chất, vận tốc truyền của sóng nhỏ hơn và bằng v = c/n, trong

đó n đƣợc gọi là chiết suất tuyệt đối của môi trƣờng, với n  1. Các sóng điện từ có bƣớc sóng trải dài trong một phạm vi rất rộng từ 10-7 nm (nano met) đến hàng nghìn

km.

Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời

Ánh sáng nhìn thấy có bƣớc sóng từ 0,4µm đến 0,8µm , chỉ chiếm một phần rất nhỏ

của phổ sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Mặc dù có cùng bản chất là sóng điện từ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

nhƣng các loại sóng điện từ có bƣớc sóng khác nhau thì gây ra các tác dụng lý học,

hóa học và sinh học rất khác nhau. Nói riêng trong vùng phổ nhìn thấy đƣợc, sự khác

nhau về bƣớc sóng gây cho ta cảm giác màu sắc khác nhau của ánh sáng. Khi đi từ

bƣớc sóng dài µm đến giới hạn sóng ngắn µm ta nhận thấy màu sắc của

ánh sáng thay đổi liên tục từ đỏ, cam, vàng, lục, lam, chàm, tím. Mắt ngƣời nhạy nhất

với ánh sáng màu vàng có bƣớc sóng µm. Sự phân bố năng lƣợng đối với các

bƣớc sóng khác nhau cũng khác nhau. Bảng 1.1 cho thấy quan hệ giữa mật độ năng

lƣợng của bức xạ điện từ phụ thuộc vào bƣớc sóng của nó, còn bảng 1.2 là quan hệ

giữa màu sắc của ánh sáng và bƣớc sóng của nó. Từ bảng 1.1 ta thấy rằng mật độ năng

lƣợng bức xạ mặt trời chủ yếu phân bố trong dải bƣớc sóng từ µmtử ngoại C,

tỷ lệ mật độ năng lƣợng 0,57% đến µm (hồng ngoại, tỷ lệ mật độ năng lƣợng

1,93%), còn ngoài vùng đó mật độ không đáng kể.

Khi bức xạ mặt trời đi ngang qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân

tử khí, các hạt bụi,.. hấp thu hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lƣợng mặt trời khi

đến bề mặt trái đất bị thay đổi rất đáng kể.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất

1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời

Quả đất bị bao bọc xung quanh bởi một tầng khí quyển có chiều dày H khoảng

7991 km bao gồm các phần tử khí, hơi nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng, chất rắn và

các đám mây,… Vì vậy, khi bức xạ mặt trời xuyên qua lớp khí quyển đó để đến đƣợc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

mặt đất thì năng lƣợng của nó bị thay đổi đáng kể.

Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b)

Ở bên ngoài lớp khí quyển quả đất, năng lƣợng bức xạ mặt trời là hằng số và có giá trị là 1353W/m2. Giá trị này đƣợc gọi là hằng số mặt trời. Phổ của bức xạ mặt trời là

một đƣờng cong lien tục có năng lƣợng chủ yếu nằm trong vùng bƣớc sóng từ 0,1µm

đến 3 µm (hình 1.3). Đƣờng phân bố này gần giống đƣờng phân bố phổ bức xạ của một

vật đen tuyệt đối ở nhiệt độ 5726 K. Cực đại của phổ bức xạ mặt trời nằm ở bƣớc sóng 0,48µm và ứng với mật độ năng lƣợng 2.074W/m2.

Khi các bức xạ mặt trời xuyên vào lớp khí quyển quả đất, gặp các phân tử khí, hơi

nƣớc, các hạt bụi, các hạt chất lỏng,…bị tán xạ, phản xạ và hấp thụ nên một phần năng

lƣợng của nó không tới đƣợc mặt đất. Đối với những ngày trong sáng thì sự suy giảm

năng lƣợng của các tia bức xạ mặt trời do ba quá trình vật lý sau xảy ra một cách đồng

thời:

 Sự hấp thụ chọn lọc do các phân tử hơi nƣớc H2O,O2, O3 và CO2

 Sự tán xạ Rayleith trên các phan tử khí, các hạt bụi,..

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

 Tán xạ Mie.

Hình 1.4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển

Tán xạ Rayleith là sự tán xạ của tia mặt trời lên các phân tử khí hay các hạt bụi có

kích thƣớc rất nhỏ so với bƣớc sóng  của bức xạ. Theo lý thuyết Rayleith thì hệ số tán

xạ trong quá trình này tỉ lệ với Một cách gần đúng, có thể đánh giá rằng, 50% năng

lƣợng của các tia bức xạ tán xạ bị mất đi khi đi qua lớp khí quyển trái đất, chỉ còn 50%

đến đƣợc quả đất theo các hƣớng khác nhau, và đƣợc gọi là bức xạ nhiễu xạ hay bức

xạ tán xạ. Sự tán xạ xảy ra trên các hạt bụi nói chung có kích thƣớc lớn hơn rất nhiều

so với kích thƣớc các phân tử khí nên việc tính toán trở nên rất khó khăn. Vì kích

thƣớc và mật độ của chúng biến đổi từ vừng này sang vùng khác và còn phụ thuộc vào

độ cao và thời gian.

Tán xạ Mie là tán xạ xảy ra khi kích thƣớc của các hạt bụi lớn hơn bƣớc sóng của

bức xạ, khi đó sự suy giảm cƣởng độ bức xạ do hai nguyên nhân: do sự tán xạ thực sự

( phân bố lại năng lƣợng mới) và do sự hấp thụ bức xạ bởi các hạt bụi. Trong nguyên

nhân thứ 2, một phần năng lƣợng của bức xạ biến thành nhiệt. Phần bức xạ còn lại sau

tán xạ Mie, hƣớng đến quả đất nên cũng đƣợc gọi là bức xạ nhiễu xạ.

Do bức xạ bị hấp thu bởi các phần tử khí O2, O3 ở các vùng cao của lớp khí quyển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

nên vùng bƣớc sóng tử ngoại µm trong phổ mặt trời đã bị biến mất khi đến mặt

đất. Trong vùng hồng ngoại, sự hấp thụ xảy ra chủ yếu do hơi nƣớc H2O và CO2. Kết

quả của các quá trình nói trên làm cho cƣờng độ bức xạ mặt trời tới mặt đất yếu đi rất

nhiều so với ở ngoài vũ trụ và đƣờng cong phân bố phổ của nó ở mặt đất không còn

đƣợc lien tục nhƣ ở ngoài khí quyển quả đất, mà bị “xẻ” thành nhiều “rãnh” hoặc các

“vùng rãnh” nhƣ đã chỉ ra trên hình 1.3.

Trong các ngày mây mù, sự suy giảm bức xạ mặt trời còn xảy ra mạnh hơn. Một

phần đáng kể bức xạ mặt trời bị phản xạ lại vũ trụ từ các đám mây, một phần khác bị

các đám mây hấp thụ, phần còn lại truyền đến quả đất nhƣ là bức xạ nhiễu xạ. Tổng

các bức xạ mặt trời bị phản xạ trở lại vũ trụ do phản xạ và tán xạ từ các đám mây, từ

các phân tử khí, từ các hạt bụi và từ mặt đất (bao gồm các vật cản nhƣ nhà cửa, cây

cối,..) đƣợc gọi là Albedo của hệ khí quyển quả đất và có khoảng giá trị vào khoảng

30%.

Tóm lại ở mặt đất nhận đƣợc hai thành phần bức xạ:

 Bức xạ trực tiếp(còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ

mặt trời đến mặt đất, không bị thay đổi hƣớng khi qua lớp khí quyển.

 Bức xạ Nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ, phản xạ,…

Hƣớng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ

thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ

không có hƣớng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời. Tổng hai

thành phần bức xạ này đƣợc gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70% toàn bộ bức xạ

mặt trời hƣớng về quả đất.

1.1.4.2. Sự giảm năng lƣợng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia sáng

qua lớp khí quyển( air mass).

Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua lớp

khí quyển nên cƣờng độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đƣờng đi của tia

trong lớp khí quyển. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời .Ví dụ, khi

mặt trời ở điểm Zenith (ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí

quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đƣờng đi ngắn nhất. Còn ở các điểm “chân

trời”, lúc mặt trời mọc hoặc lặn thì đƣờng đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

là dài nhất, nên bức xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất. Để đặc trƣng cho sự mất mát

năng lƣợng phụ thuộc độ dài đƣờng đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển

ngƣời ta đƣa vào một đại lƣợng đƣợc gọi là “Air mass”, ký hiệu m (hay AM) và

đƣợc định nghĩa nhƣ sau:

Từ

hình 1.4 ta thấy, nếu tia mặt trời đến điểm A trên mặt đất theo hƣớng BA,

thì airmass đối với vị trí đó của mặt trời và đối với điểm điểm A trên mặt đất có thể

đƣợc xác định bởi công thức sau :

Trong đó: Bán kính quả đất, R= 6 370km; Chiều dày lớp khí quyển quả đất, H =7

991km;  : góc Zenith của mặt trời.

Biểu thức (1.1) cho thấy, m có thể tính gần đúng nhờ các biểu thức đơn giản

hơn sau:

Nhƣ vậy, giá trị của “Airmass” m và năng lƣợng bức xạ trực xạ mặt trời tƣơng ứng đối

với các vị trí mặt trời khác nhau là khác nhau, ví dụ:

Ở ngoài khí quyển quả đất : m = 0, E = 1 353W/m2 -

- Khi mặt trời ở điểm Zenith (đỉnh đầu) : m =1, E = 924,9 W/m2 Khi góc Zenith Z = 600 : m = 2, E = 691,2 W/m2

Hình 1.5: Định nghĩa và cách xác định air mass

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

1.1.4.3. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian

Mô hình lý thuyết để tính toán cƣờng độ bức xạ mặt trời trực tiếp gọi tắt là

trực xạ đƣợc xây dựng dựa trên các tài liệu đo đạc khí tƣợng trong nhiều năm. Mô

hình này dựa trên giả thiết cho rằng mặc dù các thông số khí quyển thay đổi từ

miền này đến miền khác và từ thời gian này đến thời gian khác, nhƣng hệ số truyền

qua hiệu dụng của bầu trời thay đổi không nhiều. Vì khi lƣợng nƣớc có thể ngƣng tụ

trong khí quyển giảm, thì lƣợng bụi lại tăng lên và ngƣợc lại. Theo định nghĩa “khí

quyển chuẩn” (đối với ngày trong tháng) là khí quyển mà lƣợng hơi nƣớc có thể

ngƣng tụ là 15 mm, lƣợng Ozon là 2,5 mm, bụi có mật độ 300 hạt/cm3 và ở áp suất

760 mmHg và với hằng số mặt trời 1.353 W/m2 . Khi đó cƣờng độ bức xạ trực tiếp đƣợc tính theo biểu thức:

Trong đó: m là airmass

Một công thức khác tổng quát hơn cho cƣờng độ trực xạ khi tia tới vuông góc với

mặt phẳng nằm ngang đã đƣợc Majumdar và cộng sự đƣa ra là:

Trong đó: p: áp suất ở địa phƣơng quan sát (milibar); m . Air mass; W = độ

dày lƣợng hơi nƣớc có thể ngƣng tụ (cm).

Các công thức trên (1.2) và (1.3) chỉ áp dụng đƣợc cho các ngày trong sáng.

1.1.4.4. Cƣờng độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian

Nhƣ đã phân tích, bức xạ nhiễu xạ tới mặt đất từ tất cả mọi phía của vòm bầu trời

và là do sự tán xạ, phản xạ của tia bức xạ mặt trời trong khí quyển quả đất. Ngay cả

những ngày trời đẹp nhất, khi bầu trời rất trong sáng, vẫn có bức xạ nhiễu xạ phụ

thuộc vào lƣợng bụi, Ozon và hơi nƣớc trong khí quyển. Trong những ngày mây mù,

lúc ta không nhìn thấy mặt trời, thì toàn bộ bức xạ đến đƣợc quả đất chỉ là bức xạ

nhiễu xạ. Việc tính toán bức xạ nhiễu xạ là rất khó khăn do thiếu các số liệu về bầu

khí quyển. Ngoài ra, do sự biến đổi của thời tiết nên sự phân bố bức xạ nhiễu xạ cũng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

biến đổi ngẫu nhiên theo không gian và thời gian. Những công thức tính toán lý thuyết

thành phần này của bức xạ mặt trời đều phải dựa trên một số giả thiết để làm đơn

giản bài toán. Theo lý thuyết của Buckuist và King thì hệ số truyền qua , đặc

trƣng cho bức xạ nhiễu xạ tới một mặt phẳng nằm ngang trên mặt đất đƣợc xác định bởi

biểu thức:

Trong đó: 0 = 1/m , m = airmass; KL: độ dày quang học (quang lộ) của lớp khí

quyển; a1= tham số tán xạ dị hƣớng. Mô hình lý thuyết này chỉ có giá trị đối với bầu

trời không có mây mù.

1.2. Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời

Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lƣợng ngày càng

tăng với tốc độ tăng trƣởng khoảng (15-20)%. Hiện tại chính sách quốc gia của Việt

Nam về nhu cầu năng lƣợng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà

máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên tử...

Tuy nhiên, để đảm bảo phát triển bền vững và đặc biệt cân bằng đƣợc năng lƣợng

của quốc gia trong tƣơng lai, Việt Nam đã và đang tập trung nghiên cứu phát triển các

nguồn năng lƣợng mới. Trong đó, năng lƣợng mặt trời vẫn là một nguồn năng lƣợng

tối ƣu trong tƣơng lai cho điều kiện Việt Nam trên phƣơng diện địa dƣ và nhu cầu phát

triển kinh tế. Nguồn năng lƣợng này sẽ góp phần vào:

 Hạn chế hiệu ứng nhà kính và sự hâm nóng toàn cầu.

 Giải quyết ô nhiễm môi trƣờng do việc gia tăng dân số và phát triển xã hội của các

quốc gia trên thế giới.

 Bổ túc vào sự thiếu hụt năng lƣợng trong tƣơng lai khi nguồn năng lƣợng trong

thiên nhiên sắp bị cạn kiệt.

Vị trí địa lý đã ƣu ái cho Việt Nam nguồn năng lƣợng tái tạo vô cùng lớn, đặc

biệt là năng lƣợng mặt trời. Việt Nam nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt

trời tƣơng đối cao, trong đó nhiều nhất phải kể đến TPHCM, tiếp đến là các vùng

Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La, Lào Cai)… Tuy nhiên, để khai thác nguồn năng lƣợng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

này, đòi hỏi rất nhiều nỗ lực. Những chuyển biến gần đây cho thấy, ứng dụng, khai

thác năng lƣợng mặt trời đã có những bƣớc tiến mới.

Năng lƣợng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lƣợng mà con ngƣời biết sử dụng từ rất

sớm, nhƣng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô rộng thì mới

chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nƣớc nhiều NLMT, những

vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lƣợng thế giới năm 1968 và 1973,

NLMT càng đƣợc đặc biệt quan tâm. Các nƣớc công nghiệp phát triển đã đi tiên

phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT phổ biến

hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

1.2.1. Sử dụng hệ thống điện năng lƣợng mặt trời làm việc độc lập

Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập là hệ nguồn không nối với mạng lƣới điện

quốc gia hay địa phƣơng. Hệ nguồn này đƣợc ứng dụng ở các khu vực không có lƣới

điện nhƣ ngoài đảo xa, khu vực miền núi, những nơi xa xôi, hẻo lánh... Ngoài dàn pin

mặt trời, trong một hệ nguồn điện mặt trời còn có các thành phần khác nhau nhƣ trong

sơ đồ dƣới đây:

Hình 1.6: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều

Trong thực tế, chúng ta đã gặp rất nhiều nguồn điện mặt trời độc lập. Công nghệ

nguồn loại này thƣờng đƣợc ứng dụng cho các khu vực không có lƣới điện công

nghiệp hoặc cho các tải tiêu thụ đặc biệt có công suất nhỏ hay đƣợc ứng dụng trong

các thiết bị sau:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

1.2.1.1. Pin mặt trời

Hình 1.7: Pin mặt trời

Pin mặt trời là phƣơng pháp sản xuất điện trực tiếp từ NLMT qua thiết bị biến đổi

quang điện. Pin mặt trời có ƣu điểm là gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ ở đâu có ánh sáng mặt

trời, đặc biệt là trong lĩnh vực tàu vũ trụ. Ứng dụng NLMT dƣới dạng này đƣợc phát

triển với tốc độ rất nhanh, nhất là ở các nƣớc phát triển. Ngày nay con ngƣời đã ứng

dụng pin NLMT để chạy xe thay thế dần nguồn năng lƣợng truyền thống.

Ở Việt Nam, với sự hỗ trợ của một số tổ chức quốc tế đã thực hiện thành công

việc xây dựng các trạm pin mặt trời có công suất khác nhau phục vụ nhu cầu sinh hoạt

và văn hoá của các địa phƣơng vùng sâu, vùng xa, nhất là đồng bằng sông Cửu Long

và Tây Nguyên. Tuy nhiên hiện nay pin mặt trời vẫn đang còn là món hàng xa xỉ đối

với các nƣớc nghèo nhƣ chúng ta.

1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lƣợng mặt trời.

Tháp năng lƣợng mặt trời Nhà máy điện mặt trời

Hình 1.8. Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT

Hình 1.9: Lò sấy sử dụng NLMT

Hiện nay NLMT đƣợc ứng dụng khá phổ biến trong các lĩnh vực nông nghiệp để

sấy các sản phẩm nhƣ ngũ cốc, thực phẩm… nhằm giảm tỷ lệ hao hụt và tăng chất

lƣợng sản phẩm. Ngoài mục đích để sấy các loại nông sản, NLMT còn đƣợc dùng để

sấy các loại vật liệu nhƣ gỗ.

1.2.1.4. Thiết bị chƣng cất nƣớc sử dụng NLMT

Hình 1.10: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

Thiết bị chƣng cất nƣớc dùng NLMT Thiết bị chƣng cất nƣớc thƣờng có 2 loại: loại

nắp kính phẳng có chi phí cao (khoảng 23 USD/m2), tuổi thọ khoảng 30 năm, và loại

nắp plastic có chi phí rẻ hơn nhƣng hiệu quả chƣng cất kém hơn.

Ở Việt Nam đã có đề tài nghiên cứu triển khai ứng dụng thiết bị chƣng cất nƣớc

NLMT dùng để chƣng cất nƣớc ngọt từ nƣớc biển và cung cấp nƣớc sạch dùng cho

sinh hoạt ở những vùng có nguồn nƣớc ô nhiễm với thiết bị chƣng cất nƣớc NLMT có

gƣơng phản xạ đạt đƣợc hiệu suất cao tại khoa Công nghệ Nhiệt Điện lạnh-Trƣờng

Đại học Bách khoa Đà Nẵng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

1.2.1.5. Động cơ stirling chạy bằng NLMT

Hình 1.11. Động cơ stirling chạy bằng NLMT

Ứng dụng NLMT để chạy các động cơ nhiệt - động cơ Stirling ngày càng đƣợc

nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi dùng để bơm nƣớc sinh hoạt hay tƣới cây ở các nông

trại. Ở Việt Nam động cơ Stirling chạy bằng NLMT cũng đã đƣợc nghiên cứu chế tạo

để triển khai ứng dụng vào thực tế. Nhƣ động cơ Stirling, bơm nƣớc dùng năng lƣợng

mặt trời.

1.2.1.6. Bếp nấu dùng NLMT

Bếp nấu dùng NLMT đƣợc ứng dụng rất rộng rãi ở các nƣớc nguồn năng lƣợng

mặt trời dồi dào nhƣ các nƣớc Châu Phi.

Hình 1.12: Bếp nấu dùng NLMT

Ở Việt Nam việc sử dụng bếp NLMT đã bắt đầu từ những năm 2000. Trung tâm

nghiên cứu thiết bị áp lực và năng lƣợng mới – Đại học Đà Nẵng đã phối hợp với các

tổ chức từ thiện Hà Lan triển khai dự án 30000 USA đƣa bếp NLMT – bếp tiện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

lợi(BTL) vào sử dụng.

Ở các vùng nông thôn của tỉnh Quảng Nam, Quảng Ngãi dự án phát triển rất tốt và

ngày càng đƣợc nhân dân ủng hộ. Trong năm 2002, trung tâm đã một số lƣợng khá lớn

BTL vào sử dụng ở các xã huyện Núi Thành và triển khai ứng dụng ở các khu dân cƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ven biển để họ có thể nấu nƣớc, cơm và thức ăn bằng NLMT khi ra khơi.

1.2.1.7. Thiết bị đun nƣớc nóng bằng năng lƣợng mặt trời

Hình 1.13: Bình nước nóng Thái Dương Năng

Ứng dụng đơn giản, phổ biến và hiệu quả nhất hiện nay của NLMT là dùng để đun

nƣớc nóng. Các hệ thống nƣớc nóng dùng NLMT đã đƣợc dùng rộng rãi ở nhiều nƣớc

trên thế giới.

Ở Việt Nam hệ thống cung cấp nƣớc nóng bằng NLMT đã và đang đƣợc ứng dụng

rộng rãi ở các thành phố lớn nhƣ: Hà Nội, Thành phố HCM và Đà Nẵng. Các hệ thống

này đã tiết kiệm cho ngƣời sử dụng một lƣợng đáng kể về năng lƣợng, góp phần rất

lớn trong việc thực hiện chƣơng trình tiết kiệm năng lƣợng của nƣớc ta và bảo vệ môi

trƣờng chung của nhân loại.

Hệ thống cung cấp nƣớc nóng dùng NLMT hiện nay ở Việt nam cũng nhƣ trên thế

giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh nhận nhiệt, với nhiệt độ nƣớc sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn nếu sử dụng ở

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp.

1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Hình 1.14: Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

Trong số những ứng dụng của NLMT thì làm lạnh và điều hoà không khí là ứng

dụng hấp dẫn nhất vì nơi nào khí hậu nóng nhất thì nơi đó có nhu cầu về làm lạnh lớn

nhất, đặc biệt là ở những vùng xa xôi héo lánh thuộc các nƣớc đang phát triển không

có lƣới điện quốc gia và giá nhiên liệu quá đắt so với thu nhập trung bình của ngƣời

dân. Với các máy lạnh làm việc trên nguyên lý biến đổi NLMT thành điện năng nhờ

pin mặt trời (photovoltaic) là thuận tiện nhất, nhƣng trong giai đoạn hiện nay giá thành

pin mặt trời còn quá cao. Ngoài ra các hệ thống lạnh còn đƣợc sử dụng NLMT dƣới

dạng nhiệt năng để chạy máy lạnh hấp thụ, loại thiết bị này ngày càng đƣợc ứng dụng

nhiều trong thực tế, tuy nhiên hiện nay các hệ thống này vẫn chƣa đƣợc thƣơng mại

hóa và sử dụng rộng rãi vì giá thành còn rất cao và hơn nữa các bộ thu dùng trong các

hệ thống này chủ yếu là bộ thu phẳng với hiệu suất còn thấp (dƣới 45%) nên diện tích

lắp đặt bộ thu cần rất lớn chƣa phù hợp với yêu cầu thực tế.

Ở Việt Nam cũng đã có một số nhà khoa học nghiên cứu tối ƣu hoá bộ thu năng

lƣợng mặt trời kiểu hộp phẳng mỏng cố định có gƣơng phản xạ để ứng dụng trong kỹ

thuật lạnh, với loại bộ thu này có thể tạo đƣợc nhiệt độ cao để cấp nhiệt cho máy lạnh

hấp thụ, nhƣng diện tích mặt bằng cần lắp đặt hệ thống cần phải rộng.

1.2.2. Hƣớng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lƣợng mặt trời

Trong thời đại khoa học kỹ thuật phát triển, nhu cầu về năng lƣợng ngày càng

tăng. Trong khi đó các nguồn nhiên liệu dự trữ nhƣ than đá, dầu mỏ, khí thiên nhiên và

ngay cả thủy điện thì có hạn khiến cho nhân loại đứng trƣớc nguy cơ thiếu hụt năng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

lƣợng. Việc tìm kiếm và khai thác các nguồn năng lƣợng mới nhƣ năng lƣợng hạt

nhân, năng lƣợng địa nhiệt, năng lƣợng gió và năng lƣợng mặt trời là một trong những

hƣớng quan trọng trong kế hoạch phát triển năng lƣợng, không những đối với những

nƣớc phát triển mà ngay cả với những nƣớc đang phát triển.

Năng lƣợng mặt trời (NLMT)- nguồn năng lƣợng sạch và tiềm tàng nhất đang

đƣợc loài ngƣời đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết

bị sử dụng năng lƣợng mặt trời và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có

tính thời sự.

Việt Nam là nƣớc có tiềm năng về NLMT, nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ

mặt trời tƣơng đối cao, với trị số tổng xạ khá lớn từ 100-175 kcal/cm2.năm (4,2 -

7,3GJ/m2.năm), do đó việc sử dụng NLMT ở nƣớc ta sẽ đem lại hiệu quả kinh tế lớn.

Thiết bị sử dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam hiện nay chủ yếu là hệ thống cung

cấp điện dùng pin mặt trời, hệ thống nấu cơm có gƣơng phản xạ và đặc biệt là hệ

thống cung cấp nƣớc nóng kiểu tấm phẳng hay kiểu ống có cánh nhận nhiệt. Nhƣng

nhìn chung các thiết bị này giá thành còn cao, hiệu suất còn thấp nên chƣa đƣợc ngƣời

dân sử dụng rộng rãi. Hơn nữa, do đặc điểm phân tán và sự phụ thuộc vào các mùa

trong năm của NLMT, ví dụ: mùa đông thì cần nƣớc nóng nhƣng NLMT ít, còn mùa

hè không cần nƣớc nóng thì nhiều NLMT do đó các thiết bị sử dụng NLMT chƣa có

tính thuyết phục. Sự mâu thuẫn đó đòi hỏi chúng ta cần chuyển hƣớng nghiên cứu

dùng NLMT vào các mục đích khác thiết thực hơn nhƣ: chƣng cất nƣớc dùng NLMT,

dùng NLMT chạy các động cơ nhiệt (động cơ Stirling), nghiên cứu hệ thống điều hòa

không khí dùng NLMT... Hệ thống lạnh hấp thụ sử dụng NLMT là một đề tài hấp dẫn

có tính thời sự đã và đang đƣợc nhiều nhà khoa học trong và ngoài nƣớc nghiên cứu,

nhƣng vấn đề sử dụng bộ thu NLMT nào cho hiệu quả và thực tế nhất thì vẫn còn là

một đề tài cần phải nghiên cứu.

Vấn đề sử dụng NLMT đã đƣợc các nhà khoa học trên thế giới và trong nƣớc

quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn, nhƣng tỷ trọng năng lƣợng đƣợc sản

xuất từ NLMT trong tổng năng lƣợng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn. Nguyên

nhân chính chƣa thể thƣơng mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT là do

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

còn tồn tại một số hạn chế lớn chƣa đƣợc giải quyết :

 Giá thành thiết bị còn cao: vì hầu hết các nƣớc đang phát triển và kém phát triển

là những nƣớc có tiềm năng rất lớn về NLMT nhƣng để nghiên cứu và ứng dụng

NLMT lại đòi hỏi vốn đầu tƣ rất lớn, nhất là để nghiên cứu các thiết bị làm lạnh và

điều hòa không khí bằng NLMT cần chi phí quá cao so với thu nhập của ngƣời dân ở

các nƣớc nghèo.

 Hiệu suất thiết bị còn thấp: nhất là các bộ thu năng lƣợng mặt trời dùng để cấp nhiệt cho máy lạnh hấp thu cần nhiệt độ cao trên 850C thì các bộ thu phẳng đặt cố định

bình thƣờng có hiệu suất rất thấp, do đó thiết bị lắp đặt còn cồng kềnh chƣa phù hợp

với nhu cầu lắp đặt và về mặt thẩm mỹ. Các bộ thu có gƣơng parabolic hay máng

parabolic trụ phản xạ bình thƣờng thì thu đƣợc nhiệt độ cao nhƣng vấn đề định vị

hƣớng hứng nắng theo phƣơng mặt trời rất phức tạp nên không thuận lợi cho việc vận

hành.

 Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế: về mặt lý thuyết, NLMT là một

nguồn năng lƣợng sạch, rẻ tiền và tiềm tàng, nếu sử dụng nó hợp lý sẽ mang lại lợi ích

kinh tế và môi trƣờng rất lớn. Việc nghiên cứu về lý thuyết đã tƣơng đối hoàn chỉnh.

Song trong điều kiện thực tiễn, các thiết bị sử dụng NLMT lại có quá trình làm việc

không ổn định và không liên tục, hoàn toàn biến động theo thời tiết, vì vậy rất khó ứng

dụng ở quy mô công nghiệp cũng nhƣ sử dụng cho các hộ dân cƣ.

Để khai thác và sử dụng NLMT cần có một hệ thống lƣới điện thông minh. Khi có

ánh sang mặt trời sẽ tạo ra năng lƣợng một chiều (DC), nguồn năng lƣợng môt chiều

này đƣợc chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lƣu. Bộ điều

khiển có chức năng truyền năng lƣợng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các

thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dƣ thừa đƣợc bán trở lại lƣới điện qua

đồng hồ đo để giảm hóa đơn tiền điện.

Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời đƣợc sử dụng cho các thiết bị điện

trong nhà để thay cho điện lƣới. Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện tiêu

thụ thì lƣợng điện thừa sẽ đƣợc nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy). Ngƣợc lại, khi

lƣợng điện tiêu thụ lớn hơn lƣợng điện mặt trời sinh ra( vào ban đêm, hay lúc trời

nhiều mây…) thì dòng điện sẽ đƣợc lấy them từ lƣới điện nhƣ bình thƣờng hoặc từ hệ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

thống tồn trữ( nếu điện lƣới bị cắt).

1.3. Kết luận chƣơng 1

Năng lƣợng mặt trời là một dạng năng lƣợng tái tạo vô tận với trữ lƣợng lớn. Đó

là một trong những nguồn năng lƣợng tái tạo vô tận nhất mà thiên nhiên ban tặng cho

hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lƣợng tái tạo

khác nhƣ năng lƣợng gió, năng lƣợng sinh khối, năng lƣợng các dòng sông,… Năng

lƣợng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lƣợng

này cần phải biết các đặc trƣng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả

đất.

Chƣơng 1 đã giới thiệu đƣợc các vấn đề:

- Cấu trúc của mặt trời và đặc điểm của nguồn năng lƣợng mặt trời.

- Các phƣơng pháp khai thác, sử dụng năng lƣợng mặt trời hiện nay.

Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh vẫn đề sử dụng hiệu quả nguồn năng lƣợng mặt trời

và hê thống điện mặt trời nối lƣới là một phƣơng thức sử dụng năng lƣợng mặt trời rất

kinh tế. Đây là lĩnh vực có xu hƣớng nghiên cứu để đƣa vào sử dụng rộng rãi và cũng

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

là vấn đề mà luận văn nghiên cứu.

CHƢƠNG 2

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC

KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

2.1. Các linh kiện điện tử thông dụng sử dụng trong hệ thống điện mặt trời nối

lƣới

2.1.1. Điện trở

Điện trở là linh kiện thụ động không thể thiếu trong các mạch điện và điện tử,

chúng có tác dụng cản trở dòng điện, tạo sự sụt áp để thực hiện các chức năng khác tuỳ

theo vị trí của điện trở ở trong mạch. Đơn vị:  (ôm)

Trong thực tế, điện trở đƣợc phân loại thành nhiều loại khác nhau nhƣ:

+ Điện trở thƣờng : Điện trở thƣờng là các điện trở có công suất nhỏ từ 0,125W

đến 0,5W. Là loại điện trở thƣờng sử dụng nhất. Đặc điểm của nó là:

 Công suất hoạt động (tỏa nhiệt) thấp: 0.125W đến 0.5W.

 Độ chính xác không cao: sai số thƣờng dao động khoảng ± 5% trở lên.

 Giá thành rẻ.

 Dễ mua đƣợc ở bất kì đâu.

Hình 2.1: Điện trở thường

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

+ Điện trở công suất : Là các điện trở có công suất lớn hơn từ 1W, 2W, 5W, 10W.

Hình 2.2: Điện trở công suất

+ Điện trở sứ, điện trở nhiệt : Là cách gọi khác của các điện trở công suất , điện trở

này có vỏ bọc sứ, khi hoạt động chúng toả nhiệt.

+ Điện trở dán: Là loại điện trở có kích thƣớc cực nhỏ thƣờng dùng trong những

mạch đòi hỏi sự nhỏ gọn. Đặc điểm của nó là:

 Công suất hoạt động (tỏa nhiệt) cực thấp: dƣới 0.125W (dễ cháy nếu dùng

không cẩn thận).

 Độ chính xác cực cao: sai số chỉ +/- 1% trở xuống.

 Giá thành cao: cao hơn điện trở thông thƣờng khoảng 20%.

 Khó mua: thƣờng thì chỉ có những chỗ chuyên bán hàng điện tử mới có bán.

Hình 2.3: Điện trở dán

+ Biến trở (chiết áp)

Đây thực chất là một loại điện trở mà trị số của nó có thể thay đổi đƣợc. Biến trở

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

thƣờng có các loại :1K Ohm, 10K Ohm, 100K Ohm,...

Hình 2.4: Biến trở

2.1.2. Tụ điện

Tụ điện là linh kiện điện tử thụ động đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong các mạch điện tử,

chúng đƣợc sử dụng trong các mạch lọc nguồn, lọc nhiễu, mạch truyền tín hiệu xoay

chiều, mạch tạo dao động .vv...

Tụ điện đƣợc phân loại thành nhiều loại khác nhau nhƣ

+ Tụ giấy, Tụ gốm, Tụ mica. (Tụ không phân cực )

Các loại tụ này không phân biệt âm dƣơng và thƣờng có điện dung nhỏ từ 0,47 µF

trở xuống, các tụ này thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạch điện có tần số cao hoặc

mạch lọc nhiễu.

Hình 2.5: Tụ gốm

+ Tụ hoá ( Tụ có phân cực )

Tụ hoá là tụ có phân cực âm dƣơng , tụ hoá có trị số lớn hơn và giá trị từ 0,47µF đến

khoảng 4.700 µF , tụ hoá thƣờng đƣợc sử dụng trong các mạch có tần số thấp hoặc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

dùng để lọc nguồn, tụ hoá luôn luôn có hình trụ..

Hình 2.6: Tụ hoá

+ Tụ xoay .

Tụ xoay là tụ có thể xoay để thay đổi giá trị điện dung, tụ này thƣờng đƣợc lắp trong

Radio để thay đổi tần số cộng hƣởng khi ta dò đài.

Hình 2.7: Tụ xoay sử dụng trong Radio

2.1.3. Diode bán dẫn.

2.1.3.1. Cấu tạo, kí hiệu

A K Anốt Katốt

P

Hình b: Kí hiệu Hình a: Cấu tạo

Hình 2.8: Cấu tạo và kí hiệu Diode

Điốt thực chất là một tiếp giáp P-N. Điện cực nối với khối P đƣợc gọi là Anốt (ký

hiệu là A), điện cực nối với khối N gọi là Katốt (ký hiệu là K), toàn bộ cấu trúc trên

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

đƣợc bọc trong một lớp vỏ bằng kim loại hay bằng nhựa.

2.1.3.2. Đặc tuyến V-A.

Hình 2.9: Đặc tuyến V- A của Diode

Đặc tuyến V-A đƣợc chia làm 3 vùng:

+ Vùng : Ứng với trƣờng hợp phân cực thuận. Khi tăng UAK , lúc đầu dòng

tăng từ từ, sau khi UAK > U0 (thƣờng U0 = (0,60,7)V nếu điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu

Silic, U0 = (0,20,3)V nếu điốt đƣợc chế tạo từ vật liệu Gecmani) thì dòng điện tăng

theo điện áp với quy luật của hàm số mũ.

+ Vùng : Tƣơng ứng với trƣờng hợp phân cực ngƣợc với giá trị dòng điện

ngƣợc ing có giá trị nhỏ (ing  Ibhòa).

+ Vùng : Gọi là vùng đánh thủng, tƣơng ứng Ung > Ung.max (Uđánh thủng).

Dòng điện ngƣợc tăng lên đột ngột, dòng điện này sẽ phá hỏng điốt (vì vậy để

bảo vệ điốt thì chỉ cho chúng làm việc dƣới điện áp: U = (0,7  0,8).Uz , Uz là điện áp

đánh thủng) trong khi đó điện áp giữa Anốt và Katốt không đổi  tính chất van của

điốt bị phá hỏng. Tồn tại hai dạng đánh thủng: do nhiệt độ cao và điện trƣờng mạnh

làm cho các hạt dẫn chuyển động nhanh, gây va đập và gây nên hiện tƣợng ion hoá do

va chạm làm cho quá trình tạo thành hạt dẫn ồ ạt, dẫn đến dòng điện tăng nhanh.

2.1.3.3. Các tham số cơ bản của Diode: Chia làm hai nhóm

* Các tham số giới hạn:

- Ung.max là giá trị điện áp ngƣợc lớn nhất đặt lên điốt mà tính chất van của nó

chƣa bị phá hỏng.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

- Imax.cp là dòng điện thuận lớn nhất đi qua khi điốt mở.

- Công suất tiêu hao cực đại cho phép: Pcp.

- Tần số làm việc cho phép: fmax

* Các tham số làm việc:

- Điện trở một chiều của điốt Rđ

- Điện trở xoay chiều của điốt rđ

2.1.3.4. Phân loại

- Theo vật liệu chế tạo: điốt Ge, điốt Si…

- Theo cấu tạo: điốt tiếp xúc điểm, tiếp xúc mặt…

- Theo dải tần số làm việc: điốt tần số thấp, điốt tần số cao, siêu cao…

- Theo công suất: điốt công suất lớn, trung bình, nhỏ.

- Theo công dụng: điốt chỉnh lƣu, điốt tách sóng, điốt ổn áp, điốt quang…

2.1.4. Transistor lƣỡng cực( Transistor Bipolar)

Nếu trên cùng một đế bán dẫn ngƣời ta tạo ra hai tiếp giáp P-N ở gần nhau, dựa

trên đặc tính dẫn điện của mỗi tiếp giáp và tác dụng tƣơng hỗ giữa chúng sẽ làm cho

dụng cụ này có khả năng khuếch đại đƣợc những tín hiệu điện và khi đó ngƣời ta gọi

là đèn bán dẫn 3 cực hay Tranzito.

2.4.1.1. Cấu tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.10: Cấu tạo và kí hiệu của Transistor BJT

Gồm 3 lớp bán dẫn ghép liên tiếp nhau, hai lớp ngoài cùng có tính dẫn điện cùng

loại, lớp ở giữa có tính dẫn điện khác với hai lớp ngoài. Tuỳ theo cách sắp xếp các

khối bán dẫn mà ta có Tranzito thuận p-n-p (hình a) và Tranzito ngƣợc n-p-n (hình b) -

- Lớp (miền) bán dẫn thứ nhất gọi là lớp phát (Emitơ), có đặc điểm là nồng độ tạp chất

lớn nhất, điện cực nối với nó gọi là cực phát E.

- Lớp thứ hai gọi là lớp gốc (Bazơ), có kích thƣớc rất mỏng cỡ m và nồng độ tạp chất

ít nhất, điện cực nối với nó gọi là cực gốc B.

- Lớp thứ ba có nồng độ tạp chất trung bình gọi là lớp góp (Côlectơ), điện cực nối với

nó gọi là cực góp C

- Tiếp giáp giữa lớp phát với lớp gốc gọi là tiếp giáp phát JE

- Tiếp giáp giữa lớp gốc với lớp góp gọi là tiếp giáp góp JC

- Chiều mũi tên trong ký hiệu của Tranzito bao giờ cũng là chiều của điện áp phân cực

thuận cho tiếp giáp phát JE (có chiều từ bán dẫn P sang bán dẫn N).

2.1.4.2. Nguyên lý làm việc

Để cho Tranzito có thể làm việc ở chế độ khuyếch đại tín hiệu điện, ngƣời ta phải

đƣa điện áp một chiều tới các điện cực của nó gọi là phân cực cho tranzito, sao cho

tiếp giáp JE phân cực thuận và tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nhƣ hình vẽ.

Hình 2.11: Phân cực cho Transistor BJT

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Giả sử ta xét tranzito pnp nhƣ hình vẽ

Hình 2.12: Nguyên lý hoạt động của Transistor BJT

Do tiếp giáp JE đƣợc phân cực thuận bằng nguồn UEB, điện trƣờng EEB này có tác

dụng gia tốc các hạt dẫn điện đa số (lỗ trống) từ vùng phát qua JE đến vùng gốc tạo

thành dòng điện cực phát IE. Do nồng độ các lỗ trống ở vùng phát lớn nên dòng điện

cực phát IE có giá trị lớn.

Khi đến vùng gốc, một phần nhỏ lỗ trống sẽ tái hợp với các điện tử đến từ cực âm

của nguồn UEB tạo thành dòng điện cực gốc IB. Do vùng gốc có bề dày mỏng và nồng

độ các hạt dẫn điện tử rất ít nên dòng điện cực gốc IB rất nhỏ. Phần lớn các lỗ trống

còn lại khuyếch tán qua vùng gốc và di chuyển đến tiếp giáp góp JC. Tại tiếp giáp góp,

điện trƣờng UCB thuận chiều với các hạt này nên sẽ cuốn chúng qua tiếp giáp JC sang

lớp góp để tạo thành dòng điện cực góp IC.

Thực tế, vì tiếp giáp JC phân cực ngƣợc nên trên nó vẫn tồn tại một dòng điện

ngƣợc có trị số nhỏ (giống nhƣ dòng điện ngƣợc của điốt) ICB0 , do mật độ các hạt dẫn

thiểu số nhỏ nên dòng ICB0 có trị số nhỏ, ta có thể bỏ qua.

Khi đó, ta có biểu thức dòng điện trong tranzito là:

IE = IB + IC . Do IB << IE , IB << IC nên IE  IC

Để đánh giá mức độ hao hụt của dòng điện cực phát tại vùng cực gốc, ngƣời ta

đƣa ra khái niệm gọi là hệ số truyền đạt dòng điện :

 = IC / IE ,  1 càng tốt. (1)

Để đánh giá tác dụng điều khiển của dòng điện cực gốc tới dòng điện cực góp

ngƣời ta đƣa ra hệ số khuyếch đại dòng điện :  = IC / IB . (2)

Thƣờng  = vài chục  vài trăm lần , từ (1) và (2) ta có quan hệ:  =  / 1+

Đối với Tranzito ngƣợc P-N-P, nguyên lý làm việc cũng tƣơng tự nhƣ tranzito

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

thuận, chỉ khác là ở tranzito ngƣợc phần tử mang điện đa số ở cực phát là điện tử, đồng

thời để cho sơ đồ hoạt động ta phải đổi lại cực tính của các nguồn điện cũng nhƣ đổi

lại chiều của các dòng điện IE, IB, IC.

2.1.4.3. Các tham số cơ bản

rE - điện trở vi phân của tiếp giáp emitơ và phần chất bán dẫn làm cực emitơ.

rB - điện trở khối của vùng bazơ

rC - điện trở vi phân của tiếp giáp góp

CE - điện dung của tiếp giáp phát

CC - điện dung của tiếp giáp góp

IE – nguồn dòng tƣơng đƣơng của cực emitơ đƣa tới colectơ.

Hình 2.13: Sơ đồ tương đương thay thế của tranzitor dựa theo tham số h

U1, I1, U2, I2 lần lƣợt tƣơng ứng là điện áp và dòng điện đầu vào và đầu ra của mạch.

h11 - Điện trở đầu vào của tranzito khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:

h12 - Hệ số phản hồi điện áp khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu:

h21 - Hệ số khuếch đại dòng điện khi đầu ra ngắn mạch đối với tín hiệu:

h22 - Điện dẫn đầu ra khi đầu vào hở mạch đối với tín hiệu:

2.1.5. Transistor Trƣờng< FET > (Field Effect Transistor)

Tranzito trƣờng FET (hay đúng hơn là tranzito hiệu ứng trƣờng) là một loại

tranzito đơn cực, nó làm việc dựa trên hiệu ứng trƣờng là dụng cụ điều khiển bằng

điện áp và chỉ dẫn điện bằng một loại hạt dẫn (n hoặc p). FET chia ra hai loại:

+ Loại có cực cửa tiếp giáp JFET.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

+ Loại có cực cửa cách ly MOSFET.

2.1.5.1. Tranzitor trƣờng có cực cửa tiếp giáp JFET

a. Cấu tạo và kí hiệu

D

+

Kênh n

G _

S

D

S

ID

///////////////////////////// n-

_

D

G

UGS _

///////////////////////////// _

+

Kênh n

G +

+ UDS

S

Hình a: Cấu tạo Hình b: Kí hiệu

Hình 2.14: Cấu tạo và kí hiệu Tranzitor Trường JFET

Trên một khối bán dẫn loại n (hoặc p) có nồng độ tạp chất thấp, ngƣời ta tạo ra

xung quanh nó một lớp bán dẫn loại p (hoặc n) có nồng độ tạp chất cao.

Toàn bộ cấu trúc lấy ra ba điện cực: cực nguồn S (Source), cực máng D (Drain),

cực cửa G (Gate).

Nhƣ vậy, giữa cực S và cực D hình thành nên một kênh dẫn điện loại n và nó

đƣợc cách ly với cực cửa G bởi một lớp tiếp giáp p-n.

Cực cửa G đóng vai trò là cực điều khiển khi thay đổi điện áp đặt vào nó.

b. Nguyên lý hoạt động

Xét loại kênh dẫn n.

Để JFET làm việc ta phân cực cho nó bởi hai nguồn điện áp: UDS > 0, UGS < 0.

- Giữa cực D và cực S có một điện trƣờng mạnh do nguồn điện cực máng UDS

cung cấp, nguồn này có tác dụng đẩy các hạt điện tích đa số (điện tử) từ cực nguồn S

tới cực máng D, hình thành nên dòng điện cực máng ID .

- Điện áp điều khiển UGS < 0 luôn làm cho tiếp giáp p-n bị phân cực ngƣợc, do đó

bề rộng vùng nghèo tăng dần khi UGS < 0 tăng dần. Khi đó tiết diện dẫn điện giảm dần,

điện trở R kênh dẫn tăng lên làm dòng ID giảm xuống và ngƣợc lại.

Nhƣ vậy: điện áp điều khiển UGS có tác dụng điều khiển đối với dòng điện cực

máng ID.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

- Trƣờng hợp: UDS > 0, UGS = 0 trong kênh dẫn xuất hiện dòng điện ID có giá trị

phụ thuộc vào UDS.

- UDS > 0, UGS < 0 tăng dần, bề rộng vùng nghèo mở rộng về phía cực D vì với

cách mắc nhƣ hình vẽ thì điện thế tại D lớn hơn điện thế tại S do đó mức độ phân cực

ngƣợc tăng dần từ S tới D  tiết diện kênh dẫn giảm dần làm cho dòng ID giảm dần.

c. Các họ đặc tuyến của JFET

- Họ đặc tuyến ra: iD = f(uDS) khi uGS = const

- Họ đặc tuyến truyền đạt: : iD = f(uGS) khi uDS = const

Hình 2.15: Đặc tuyến V- A của JFET

- Đặc tuyến ra chia làm ba vùng:

+ Vùng gần gốc (đoạn OA): Dòng ID tăng gần nhƣ tuyến tính theo UDS vì khi đó

kênh dẫn đóng vai trò nhƣ một điện trở thuần cho đến khi đặc tuyến bị uốn mạnh tại

điểm A. Tại đó bắt đầu xuất hiện hiện tƣợng thắt kênh, dòng ID hầu nhƣ không tăng

theo UDS. Hoành độ điểm A gọi là điện áp thắt kênh.

+ Vùng bão hoà (đoạn AB): Dòng ID hầu nhƣ không phụ thuộc vào UDS nhƣng

phụ thuộc mạnh vào UGS. Khi UGS < 0 tăng dần dòng ID càng giảm, hiện tƣợng thắt

kênh xảy ra sớm hơn, điểm thắt kênh dịch dần về gốc toạ độ.

+ Vùng đánh thủng: Khi UDS đủ lớn, dòng ID tăng đột ngột do tiếp giáp p-n bị

đánh thủng tại khu vực gần D do tại vùng này điện áp phân cực ngƣợc đặt lên tiếp giáp

p-n là lớn nhất.

d. Các tham số của JFET

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

- Tham số giới hạn: - ID. max là dòng cực đại qua đèn ứng với điểm B trên đặc

tuyến ra ứng với UGS = 0 V ( 50mA).

- UDS.maxcp  UB / (1,21,5)  vài chục vôn.

- Tham số làm việc. - Điện trở trong: ri = rDS = UDS / ID  0,5 M. Thể hiện độ

dốc của đặc tuyến ra trong vùng bão hoà.

- Hỗ dẫn truyền đạt: cho biết tác dụng điều khiển của điện áp cực cửa UGS tới

dòng điện cực máng ID.

2.1.5.2. Tranzitor trƣờng có cực cửa cách ly MOSFET (Metal-Oxide-

Semiconductor FET)

a. Cấu tạo

Hình 2.16: Cấu tạo và kí hiệu Tranzitor Trường MOSFET

b. Nguyên lý làm việc

+ Với kênh n đặt sẵn

- Khi UDS > 0; UGS > 0, các điện tử tự do từ vùng đế đƣợc hút về phía gần cực

cửa G làm cho kênh dẫn có nồng độ hạt dẫn tăng lên  điện trở R kênh dẫn giảm 

dòng ID tăng, ta nói đèn làm việc ở chế độ giàu.

- Nếu UGS < 0, một số điện tử từ kênh dẫn bị đẩy ra khỏi kênh dẫn làm cho các

hạt dẫn điện của kênh dẫn giảm  R kênh tăng  dòng ID giảm  ta nói đèn làm việc Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ở chế độ nghèo.

+ Với kênh n cảm ứng

- Khi UDS > 0; UGS  0  dòng ID qua đèn = 0 vì giữa cực D và cực S tồn tại một

điện trở rất lớn.

- Khi UDS > 0; UGS > 0  các điện tử bị hút về phía cực G tập trung tạo thành

kênh dẫn nối giữa cực D và cực S  xuất hiện dòng ID. Khi UGS càng lớn  R kênh

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

dẫn càng giảm  dòng ID càng tăng. Nhƣ vậy loại này chỉ làm việc ở chế độ giàu.

c. Đặc tuyến V-A

Hình 2.17: Đặc tuyến V- A của JFET

d. Đặc điểm của Tranzito trường

- Vì kênh dẫn và cực điều khiển cách ly về điện nên việc điều khiển dòng điện ra

không ảnh hƣởng đến công suất của nguồn tín hiệu vào.

- Điện trở đầu vào lớn (109  1012), dòng điện rò đầu vào xấp xỉ không, cho

phép tranzito trƣờng có khả năng khuyếch đại đƣợc những nguồn tín hiệu có công suất

cực kỳ yếu.

- Giữa cực D và cực S có tính chất đối xứng, khi thay đổi vị trí của hai cực này,

tính chất của tranzito hầu nhƣ không thay đổi.

2.1.6. Thysistor

2.1.6.1. Cấu tạo, nguyên lý làm việc

Hình 2.18: Cấu tạo và kí hiệu Thysistor

a. Cấu tạo

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Gồm bốn lớp bán dẫn P1, N1, P2, N2 đặt xen kẽ nhau, giữa các lớp bán dẫn hình

thành các tiếp giáp J1, J2, J3.

Điện cực nối với P1 gọi là Anốt (A), điện cực nối với P2 gọi là cực điều khiển G,

điện cực nối với N2 gọi là Katốt (K).

b. Nguyên lý làm việc

Để tiện cho quá trình phân tích nguyên lý làm việc của Thyristo, ta coi Thyristo

nhƣ hai tranzito T1, T2 khác loại mắc nối tiếp nhau nhƣ hình vẽ b.

* Trƣờng hợp cực G hở mạch (IG = 0).

- Khi UAK > 0  J1, J3 phân cực thuận, J2 phân cực ngƣợc, khi đó toàn bộ điện áp

UAK đặt lên J2. Khi UAK còn nhỏ trong mạch chỉ có dòng bão hoà ngƣợc của chuyển

tiếp J2 (Ico1).

- Khi UAK > 0 đủ lớn  tăng mức độ phân cực thuận cho tiếp giáp J1, J3, tăng

phân cực ngƣợc cho J2. Khi UAK tăng tới điện áp đánh thủng J2  J2 bị đánh thủng trở

thành dẫn điện. Khi đó J1, J3 coi nhƣ hai điốt phân cực thuận mắc nối tiếp và nối tắt

qua J2  khi đó Thyristo chuyển sang trạng thái mở. Khi Thyristo mở, nội trở của nó

giảm về giá trị rất nhỏ coi nhƣ bằng không. Điện áp rơi trên hai cực A và K sẽ là:

UAK = UEC1 + UBE2  0,2V + 0,7V  0,9V

Nhƣ vậy: Phƣơng pháp tăng điện áp phân cực thuận UAK để Thyristo chuyển từ

khoá sang mở gọi là phƣơng pháp kích mở bằng điện áp thuận (phƣơng pháp kích mở

tự nhiên)  phƣơng pháp này không dùng trong thực tế.

- Khi UAK < 0  J1, J3 phân cực ngƣợc, J2 phân cực thuận, dòng qua Thyristo là

dòng rò ngƣợc (chiều từ K  A) có trị số nhỏ.

- Khi UAK < 0 đến giá trị Ung.max  J1, J3 bị đánh thủng  dòng ngƣợc qua

Thyristo tăng nhanh Thyristo bị hỏng.

* Trƣờng hợp IG  0 (phƣơng pháp kích mở bằng dòng điều khiển).

Khi UAK < Ukích mở tự nhiên ta đặt một điện áp UGK > 0  điện áp UGK tạo ra dòng

(IG + Ico1), nếu dòng này lớn hơn dòng mở của tranzito T2  T2 mở  T1 mở 

Thyristo chuyển sang trạng thái mở hoàn toàn. Khi Thyristo đã mở thì sự có mặt của

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

dòng IG không còn có ý nghĩa. Nhƣ vậy, ta chỉ cần đƣa một điện áp UGK có giá trị nhỏ

(một xung điện áp dƣơng có biên độ, độ rộng đủ lớn) làm mở Thyristo.

2.1.6.2. Đặc tuyến V- A

Hình 2.19: Đặc tuyến V-A của Thyristor

Trong đó: UF là điện áp dẫn thuận (điện áp ghim)

- Đặc tuyến V-A của Thyristo chia làm 3 vùng: miền chắn thuận, miền chắn

ngƣợc, miền dẫn thuận.

- Từ đặc tuyến, thực tế đã chứng minh: điện áp thuận đặt lên A và K càng giảm

nếu dòng điều khiển IG càng tăng.

2.2. Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lƣới

2.2.1. Sơ đồ khối hệ thống

Hình 2.20: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới

 Khối Modul quang điện (PV) làm nhiệm vụ biến đổi năng lƣợng mặt

trời thành điện năng một chiều với công suất điện phụ thuộc vào bức xạ mặt

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

trời và nhiệt độ làm việc của pin.

 Khối dò điểm công suất tối đa với giải thuật tìm điểm công suất cực

đại của modul PV ứng với giá trị xác định của bức xạ mặt trời và nhiệt độ.

 Khối biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC) có nhiệm vụ biến đổi

điện áp một chiều tƣơng ứng với điểm công suất cực đại thành điện áp một

chiều có giá trị phù hợp và ổn định.

Nhƣ vậy, trong hệ thống này, năng lƣợng mặt trời đƣợc biến đổi thành năng

lƣợng điện dƣới dạng năng lƣợng điện một chiều, năng lƣợng này sau đó đƣợc đƣa

qua bộ biến đổi DC-AC chuyển thành năng lƣợng xoay chiều dùng trực tiếp cho tải

xoay chiều hoặc kết nối với lƣới điện.

2.2.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lƣới

Để đảm bảo cho hệ thống điện mặt trời nối lƣới làm việc an toàn, ổn định, có hiệu

suất cao thì cần phải có các điều khiển sau:

 Điều khiển dò tìm điểm công suất tối đa, điều khiển bộ biến đổi

DC/DC đối với hệ thống điện mặt trời.

 Điều khiển bộ nghịch lƣu nối lƣới DC/AC

Ngoài ra còn có các điều khiển khác nhƣ bù sóng hài, chống cô lập hóa

(Anti islanding) ...

2.3. Pin mặt trời (PV-Photovoltaic)

2.3.1. Khái niệm

Pin năng lƣợng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện) là thiết bị

bán dẫn chứa lƣợng lớn các điôt p-n, duới sự tác động của ánh sáng mặt trời có khả

năng tạo ra dòng điện sử dụng đƣợc. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.

Pin năng lƣợng mặt trời bao gồm nhiều tế bào quang điện đƣợc kết nối

thành các modul hay các mảng năng lƣợng mặt trời. Số tế bào quang điện đƣợc sử

dụng trong tấm pin tùy theo công suất và điện áp yêu cầu.

Hiệu suất pin mặt trời là tỉ số giữa năng lƣợng điện pin mặt trời có thể phát

ra và năng lƣợng từ ánh sáng mặt trời tỏa nhiệt trong 1m². hiệu suất của pin mặt trời

thay đổi từ 6% - 30% tùy theo loại vật liệu và hình dạng tấm pin.

Pin mặt trời đƣợc sản xuất và ứng dụng phổ biến hiện nay là các pin mặt trời

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

đƣợc chế tạo từ vật liệu tinh thể bán dẫn Silicon (Si) có hoá trị 4. Từ tinh thể Si tinh

khiết, để có vật liệu tinh thể bán dẫn Si loại n, ngƣời ta pha tạp chất Donor là Photpho

(P) có hoá trị 5. Còn để có vật liệu bán dẫn tinh thể loại p thì tạp chất Acceptor đƣợc

dùng để pha vào Si là Bo có hoá trị 3. Đối với pin mặt trời từ vật liệu tinh thể Si khi

đƣợc chiếu sáng thì hiệu điện thế hở mạch giữa hai cực vào khoảng 0,55V, còn dòng

ngắn mạch của nó dƣới bức xạ mặt trời 1000W/m2 vào khoảng (2530) mA/cm3. Hiện

nay cũng đã có các pin mặt trời bằng vật liệu Si vô định hình (a-Si). Pin mặt trời a-Si có

ƣu điểm là tiết kiệm đƣợc vật liệu trong sản xuất do đó có thể có giá thành rẻ hơn. Tuy

nhiên so với pin mặt trời tinh thể thì hiệu suất biến đổi quang điện của nó thấp và

kém ổn định khi làm việc ngoài trời.

Năng lƣợng mặt trời đƣợc tạo ra từ các tế bào quang điện (PV) là một trong

những nguồn năng lƣợng tái tạo quan trọng do lợi thế nhƣ không cần chi phí

nhiên liệu, bảo trì ít và không có tiếng ồn và mòn do sự vắng mặt của bộ phận

chuyển động. Về lý thuyết đây là một nguồn năng lƣợng lý tƣởng. Tuy nhiên, để hệ

thống này đƣợc triển khai rộng rãi trong thực tế cần phải tiếp tục giải quyết một số

vấn đề nhƣ: Giảm chi phí lắp đặt, tăng hiệu suất chuyển đổi năng lƣợng và các vấn

đề liên quan đến sự tƣơng tác với các hệ thống khác.

2.3.2. Mô hình toán và đặc tính làm việc của pin mặt trời

Mô hình toán học của tế bào quang điện đã đƣợc nghiên cứu trong nhiều

thập kỷ qua. Mạch điện tƣơng đƣơng của mô hình tế bào quang điện bao gồm: Dòng

quang điện, Điôt, điện trở song song (dòng điện dò), điện trở nối tiếp đƣợc chỉ ra

trên hình 2.21. Ta có:

Trong đó: Igc là dòng quang điện (A); I0 là dòng bão hòa (A) phụ thuộc vào nhiệt độ tế bào quang điện; q là điện tích của điện tử, q = 1,6.10-19 C; k là hằng số Boltzman, k = 1,38.10-23J/K; F là hệ số phụ thuộc vào công nghệ chế tạo pin, ví dụ công nghệ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Si- mono F = 1,2; công nghệ Si-Poly F = 1,3, …; Tc là nhiệt độ tuyệt đối của tế bào (0K); Vd là điện áp trên điôt (V); Rp là điện trở song song.

Hình 2.21: Mạch tương đương của module PV

Dòng quang điện Igc phụ thuộc trực tiếp vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ pin,

đƣợc tính theo công thức (2.2)

Với: µsc là hệ số phụ thuộc nhiệt độ của dòng ngắn mạch (A/0C); Tref là nhiệt độ tham chiếu của tế bào quang điện (0K); Tc là nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K); Isc là dòng điện ngắn mạch trong điều kiện chuẩn (nhiệt độ 250C và bức xạ mặt trời 1kW/m2); G là bức xạ mặt trời kW/m2.

Dòng bão hòa I0 thay đổi theo nhiệt độ của tế bào quang điện theo biểu

thức (2.3).

Trong đó I0α là dòng điện bão hòa tại một bức xạ mặt trời và nhiệt độ tham

chiếu; Vg là năng lƣợng lỗ trống của chất bán dẫn đƣợc sử dụng làm tế bào; V0c là

điện áp hở mạch của tế bào. Từ các biểu thức (2.1), (2,2), (2.3), (2.4) ta xây dựng

đƣợc mô hình mô phỏng modul PV trên Matlab. Trong mô hình này các đầu vào là

bức xạ mặt trời và nhiệt độ của tế bào quang điện, các đầu ra là điện áp và dòng

điện PV. Các thông số của mô hình thƣờng đƣợc lấy từ bảng dữ liệu do nhà sản xuất

cung cấp. Đặc tính làm việc của pin mặt trời thể hiện qua đƣờng đặc tính I(U) hai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

thông số là điện áp hở mạch UOC (khi dòng điện ra bằng 0) và Dòng điện ngắn mạch

ISC (khi điện áp ra bằng 0).

Hình 2.22: Quan hệ I(U) và P(U) của PV

Công suất của pin đƣợc tính theo công thức:

Tiến hành mô phỏng ta thu đƣợc họ đặc tính I(U) và đặc tính P(U) của pin mặt

trời nhƣ hình 2.23 a,b,c,d

Hình 2.23. a,b,c,d: Các họ đặc tính của PV

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Trong đó hình 2.23 a, b là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với các mức

bức xạ khác nhau; hình 2.23 c,d là đặc tính P(U) và đặc tính I(U) của PV với nhiệt

độ khác nhau. Từ đó ta có nhận xét sau:

 Dòng ngắn mạch Isc tỉ lệ thuận với cƣờng độ bức xạ mặt trời và ít thay đổi

theo nhiệt độ.

 Điện áp hở mạch tỉ lệ nghịch với nhiệt độ và ít thay đổi theo bức xạ mặt trời.

 Công suất modul PV thay đổi nhiều theo cả bức xạ mặt trời và nhiệt độ tấm

PV. Mỗi đƣờng đặc tính P(U) có một điểm ứng với công suất lớn nhất, gọi là

điểm công suất cực đại (MPP - Max Power Point).

2.4. Bộ biến đổi một chiều - một chiều (DC-DC)

2.4.1. Chức năng

Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp

một chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lƣu (thƣờng

400V). Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều k h i ể n

b á m điểm công suất cực đại cho hệ thống.

Các bộ biến đổi DC/DC đƣợc chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách

ly. Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều

đầu vào với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số

biến áp. Loại này thƣờng đƣợc sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá

điện tử và cho hệ thống lai. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến

áp cách ly. Chúng luôn đƣợc dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.

Các loại bộ biến đổi DC/DC thƣờng dùng trong hệ PV gồm:

 Bộ giảm áp (buck)

 Bộ tăng áp (boost)

 Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk

Bộ giảm áp buck có thể định đƣợc điểm làm việc có công suất tối ƣu mỗi

khi điện áp vào vƣợt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trƣờng hợp này ít thực hiện

đƣợc khi cƣờng độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.

Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ƣu ngay cả với cƣờng độ

ánh sáng yếu. Hệ thống làm việc với lƣới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

tải trƣớc khi đƣa vào bộ biến đổi DC/AC.

2.4.2. Các loại bộ biến đổi DC/DC

2.4.2.1. Bộ biến đổi DC/DC không cách ly

a, Mạch Buck.

Sơ đồ nguyên lý mạch buck đƣợc chỉ ra trên hình 2.24. Khóa K trong mạch là

những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm điện

áp đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor đƣợc đóng mở với tần số

cao. Hệ số làm việc D của khóa đƣợc xác định theo công thức sau:

Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, fDC tần số

đóng cắt.

Hình 2.24. Sơ đồ nguyên lý mạch Buck

Trong thời gian mở, khóa K thông cho dòng đi qua, điện áp một chiều đƣợc nạp

vào tụ C2 và cấp năng lƣợng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng, khóa

K đóng lại không cho dòng qua nữa, năng lƣợng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy

nhiên tải vẫn đƣợc cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lƣợng lƣu trên cuộn kháng và tụ

điện do Diode khép kín mạch. Nhƣ vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lƣu giữ

năng lƣợng trong thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.

Công thức (2.7) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển đƣợc bằng cách

điều khiển hệ số làm việc. Hệ số làm việc đƣợc điều khiển bằng cách phƣơng

pháp điều chỉnh độ rộng xung thời gian mở ton. Do đó, bộ biến đổi này còn đƣợc

biết đến nhƣ là bộ điều chế xung PWM.

Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất. Bộ Buck cũng

thƣờng đƣợc dùng để nạp ắc quy nhƣng nó có nhƣợc điểm là dòng vào không liên tục

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

vì khóa điện tử đƣợc bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt.

Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy.

Dòng công suất đƣợc điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa

điện tử. Bộ Buck có thể làm việc làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện

nhiệt độ, cƣờng độ bức xạ. Nhƣng bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm

MPP xuống thấp hơn ngƣỡng điện áp nạp ắc quy dƣới điều kiện nhiệt độ cao và

cƣờng độ bức xạ xuống thấp. Vì vậy để nâng cao hiệu quả làm việc, có thể kết hợp

bộ Buck với thành phần tăng áp.

b, Mạch Boost

Sơ đồ nguyên lý mạch Boost nhƣ hình 2.25

Hình 2.25: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost

Giống nhƣ bộ Buck, hoạt động của bộ Boost đƣợc thực hiện qua cuộn kháng

L. Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn

kháng tích năng lƣợng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lƣợng qua Điôt

tới tải.

Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp

ra. Khi khóa K mở, cuộn cảm đƣợc nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dòng điện

cảm ứng chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra đƣợc

tính theo:

Với phƣơng pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục

để điều chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo.

c, Mạch Buck - Boost:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 2.26

Hình 2.26: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost

Từ công thức (2.9): Do D < 1 nên điện áp ra luôn lớn hơn điện áp vào. Vì

vậy mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ

có thể giảm điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck –

Boost vừa có thể tăng và giảm điện áp vào.

Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện

cảm tăng dần theo thời gian. Khi khóa ngắt điện cảm có khuynh hƣớng duy trì

dòng điện qua nó sẽ tạo điện áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ

giữa thời gian đóng khóa và mở khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng

hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi trƣờng hợp thì dấu của điện áp ra là

ngƣợc với dấu của điện áp vào, do đó dòng điện đi qua điện cảm sẽ giảm dần theo thời

gian.

Ta có công thức:

Công thức (2.9) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào

tùy thuộc vào hệ số làm việc D:

Khi D = 0.5 thì Uin = Uout ;

Khi D < 0.5 thì Uin > Uout;

Khi D > 0.5 thì Uin < Uout

d, Mạch Cuk:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Sơ đồ nguyên lý nhƣ hình 2.27

Hình 2.27: Sơ đồ biến đổi Cuk

Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cuk dùng một tụ điện để lƣu

giữ năng lƣợng vì vậy dòng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cuk ít gây tổn hao trên khoá

điện tử hơn và cho hiệu quả cao. Nhƣợc điểm của Cuk là điện áp ra có cực tính

ngƣợc với điện áp vào nhƣng bộ Cuk cho đặc tính dòng ra tốt hơn do có cuộn cảm

đặt ở tầng ra. Chính từ ƣu điểm chính này của Cuk (tức là có đặc tính dòng vào và

dòng ra tốt)

Nguyên lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục. Ở trạng thái ổn định,

điện áp trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchôp ở vòng

mạch ngoài cùng hình vẽ 2.27 ta có:

VC1 = VS + V0

Giả sử tụ C1 có dung lƣợng đủ lớn và điện áp trên tụ không gợn sóng mặc

dù nó lƣu giữ và chuyển một lƣợng năng lƣợng lớn từ đầu vào đến đầu ra.

Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào đƣợc cấp và khoá SW khoá không

cho dòng chảy qua. Điốt D phân cực thuận, tụ C1 đƣợc nạp. Hoạt động của mạch

đƣợc chia thành 2 chế độ.

Chế độ 1: Khi khoá SW mở thông dòng, mạch nhƣ ở hình vẽ 2.28

Hình 2.28: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thông dòng

Điện áp trên tụ C1 làm điôt D phân cực ngƣợc và Điốt khoá. Tụ C1 phóng

sang tải qua đƣờng SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng dòng

điện trên cuộn cảm không gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:

Chế độ 2: Khi SW khoá ngăn không cho dòng chảy qua, mạch có dạng nhƣ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

hình vẽ 2.29

Hình 2.29: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng

Tụ C1 đƣợc nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1. Năng lƣợng lƣu trên cuộn

cảm L2 đƣợc chuyển sang tải qua đƣờng D, C2, và R tải. Vì vậy ta có:

Để hoạt động theo chu kỳ, dòng điện trung bình của tụ là 0. Ta có:

Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khoá SW (0 < D < 1) và T là chu kỳ đóng cắt.

Giả sử rằng đây là bộ biến đổi lý tƣởng, công suất trung bình do nguồn cung

cấp phải bằng với công suất trung bình tải hấp thụ đƣợc.

Kết hợp công thức (2.15) và (2.18) vào ta có:

Từ công thức (2.1 9):

 Nếu 0 < D < 0,5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào.

 Nếu D = 0,5: Đầu ra bằng đầu vào.

 Nếu 0,5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Từ công thức (2.19) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến đổi

DC/DC bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW.

Nhƣ vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều

bằng cách điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong

hệ là tùy thuộc vào nhu cầu và mục đích sử dụng.

Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt đƣợc điểm làm việc tối

ƣu nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất

(MPPT) sẽ đƣợc trình bày chi tiết ở chƣơng tiếp sau.

2.4.2.2. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly

Bộ chuyển đổi DC-DC đƣợc mô tả trong hình 2.30. Bộ chuyển đổi bao gồm

một tụ lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), sáu điôt xoay tự

do, hai điôt chỉnh lƣu, D1 và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến áp bằng K và

một tụ hóa C2.

Hình 2.30: Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly

Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lƣới, nâng cao

độ an toàn cho toàn hệ thống. Điện cảm rò (Lk) đƣợc sử dụng nhƣ 1 phần tử chuyển

đổi nguồn, loại bỏ những vấn đề quá áp thiết bị và cần thiết cho sự chống rung các

bảng mạch. Sự điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa những chân cầu vào

(M1- M4) và những chân kích hoạt chỉnh lƣu (M5-M6) cho phép định hƣớng dòng

điện của biến áp, vì vậy đạt đƣợc chuyển đổi với điện áp và dòng điện bằng 0

(Zero current Zero Voltage Switching - ZCZVS).

2.4.3. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC

Để điều khiển bộ biến đổi DC-DC, có thể sử dụng mạch vòng điều khiển

điện áp hoặc mạch vòng điều khiển dòng điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.4.3.1. Mạch vòng điều khiển điện áp

Sơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (RU) nhƣ hình 2.31. Điện áp ra ở đầu

cực của pin đƣợc sử dụng nhƣ một biến điều khiển cho hệ. Nó duy trì điểm làm việc

của cả hệ sát với điểm làm việc có công suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp

của pin phù hợp với điện áp theo yêu cầu.

 Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời.

 Không đƣợc áp dụng rộng rãi cho hệ thống lƣu giữ điện năng.

Phƣơng pháp này cũng có những nhƣợc điểm sau:

Vì vậy, phƣơng pháp điều khiển này chỉ thích hợp dƣới điều kiện độ bức xạ

ổn định, chẳng hạn nhƣ hệ thống vệ tinh, vì nó không thể tự động xác định điểm làm

việc tối ƣu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi.

Hình 2.31: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp

2.4.3.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện

Mạch vòng điều khiển dòng điện đƣợc chỉ ra trên hình 2.32. Phƣơng pháp

này chỉ áp dụng với những thuật toán MPPT cho đại lƣợng điều khiển là dòng

điện.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.32: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện

2.5. Nghịch lƣu nối lƣới (Inverter)

Bộ nghịch lƣu (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC)

thành dòng điện xoay chiều (AC) và kết nối với lƣới. Khác với bộ nghịch lƣu làm

việc độc lập, nghịch lƣu nối lƣới phải đảm bảo chuẩn kết nối lƣới về biên độ, tần

số và góc pha, đồng thời phải điều chỉnh đƣợc dòng công suất bơm vào lƣới. Trong

phạm vi đề tài, chúng tôi chỉ đề cập tới hệ thống nối lƣới điện 1 pha. Các kỹ thuật

đƣợc đề cập trong phần này bao gồm: chuyển đổi hệ thống 1 pha sang 2 pha; điều

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

chế độ rộng xung (PWM) và các chiến lƣợc điều khiển converter.

2.5.1. Các phép chuyển đổi

2.5.1.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha

Để tránh điều khiển ba dòng điện/ điện áp một cách riêng biệt, ngƣời ta biến

đổi hệ thống ba pha. Điều này dựa trên thực tế là trong một hệ thống 3 pha đối xứng

chỉ có 2 thành phần dòng điện/ điện áp độc lập, thành phần thứ 3 đƣợc rút ra từ 2

thành phần kia. Các hệ thống này thƣờng đƣợc gọi là khung tham chiếu (hay hệ qui

chiếu). Trong kỹ thuật đang sử dụng 2 loại khung tham chiếu là khung tham chiếu cố

định và khung tham chiếu đồng bộ (quay)

+ Khung tham chiếu (hệ qui chiếu) cố định (chuyển đổi Clarke)

Hệ thống 3 pha đƣợc chuyển sang hệ thống 2 pha, thƣờng đƣợc gọi là chuyển

từ hệ trục abc sang hệ trục αβ (hoặc αβ0 khi sử dụng véc tơ zero). Cả hai hệ thống 3

pha và 2 pha đều đƣợc coi là cố định bởi lẽ các trục bị khóa tại một vị trí, song

trong chừng mực nào đó, khái niệm hệ qui chiếu cố định thƣờng dùng để chỉ hệ qui

chiếu 2 pha cố định.

Việc chuyển đổi đƣợc thực hiện bằng cách áp dụng công thức chuyển đổi Clarke,

trong đó lƣợng 3 pha phải là giá trị pha, không phải là giá trị dây. Bằng cách đảo

ngƣợc ma trận hệ số lƣợng 3 pha có thể xem có chức năng nhƣ hệ 2 pha.

Việc chuyển đổi đƣợc coi nhƣ sự thay đổi hệ trục tọa độ, từ hệ thống 3 trục (3

pha) sang hệ thống 2 trục (2 pha) nhƣ hình 2.33. Ta thấy rằng trong hệ qui chiếu

abc chỉ cần 2 pha là có thể xác định đƣợc véc tơ Xabc và do đó nó đƣợc biểu diễn

trên hệ qui chiếu 2 pha αβ giống nhƣ véc tơ Xab mà không bị mất thông tin. Trong

hình vẽ là tốc độ góc của véc tơ còn là góc tức thời (góc pha đầu) của véc tơ.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Nếu X là điện áp lƣới thì đại diện cho tần số lƣới còn là góc pha tức thời.

Hình 2.33: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ

Thông thƣờng hệ thống 3 pha đƣợc giả định là đối xứng, nên bỏ qua thành phần

thứ tự không. Khi đó giá trị tức thời của công suất tác dụng và công suất phản

kháng của 3 pha đƣợc xác định bởi (2.24) và (2.25)

+ Khung tham chiếu đồng bộ( Chuyển đổi Park)

Trong hệ qui chiếu này, hệ trục tọa độ không bị khóa cố định mà quay theo một

véc tơ tùy ý. Vì vậy hệ qui chiếu đồng bộ còn đƣợc gọi là hệ qui chiếu quay dq

(hay dq0). Chuyển đổi này đƣợc sử dụng rộng rãi trong điều khiển động cơ điện, ở

đó hệ trục quay theo vị trí roto hoặc từ thông roto. Trong hệ biến tần nối lƣới nó

thƣờng đƣợc dùng để khóa các trục với điện áp hoặc dòng điện (thƣờng là điện áp

lƣới). Trong hình 2.34, trục d đƣợc khóa với véc tơ Xab, do đó Xd = Xab và Xq = 0.

Hệ trục sẽ quay với tốc độ góc và có góc tức thời bằng (gọi tắt là hệ tham chiếu

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

cố định)

Hình 2.34: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq

Việc chuyển đổi đƣợc thực hiện bởi hàm chuyển đổi Park (2.26)

Nếu hệ trục dq đƣợc khóa với điện áp lƣới, các trục sẽ quay với tần số góc

2πfg và các giá trị dq sẽ trở thành giá trị một chiều cố định. Nếu vẫn coi hệ thống 3

pha là đối xứng, không có thành phần thứ tự không thì công suất tác dụng và công

suất phản kháng đƣợc tính theo các công thức (2.27) và (2.26).

Trong các phƣơng trình trên cả điện áp và dòng điện đều đƣợc chuyển đổi sang hệ

trục dq bằng cách sử dụng cùng một hệ qui chiếu. Khi khung tham chiếu định

hƣớng vào véc tơ điện áp thì thành phần dòng điện trên trục d sẽ đại diện cho

dòng điện trong pha với điện áp và do đó nó đại diện cho công suất tác dụng trong

mạch. Thành phần dòng điện trên trục q đại diện cho công suất phản kháng trong

mạch.

2.5.1.1. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha

Tƣơng tự nhƣ hệ thống 3 pha, ta mong muốn biểu diễn hệ thống một pha

trong hệ qui chiếu cố định αβ và hệ qui chiếu đồng bộ dq để tiện phân tích và thiết kế

các bộ điều khiển, muốn vậy trạng thái của hệ thống cần phải có 2 thành phần trực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

giao nhau. Đối với hệ thống một pha, do điện áp cũng nhƣ dòng điện chỉ có một

thành phần duy nhất, vì vậy để áp dụng điều khiển trong hệ qui chiếu đồng bộ ta cần

tạo ra một thành phần ảo vuông pha với trạng thái điện áp hoặc dòng điện của hệ thống. Có thể sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau nhƣ dịch góc pha 900, phép biến

đổi Hilbert, sử dụng bộ lọc All-pass và sử dụng bộ tích phân bậc hai tổng quát (SOGI)

+ Dịch góc pha 900

+ Phép biến đổi Hilbert

+ Bộ lọc All-Pass

+ Khâu tích phân bậc hai tổng quát

Khâu tích phân bậc hai tổng quát (Second-order generalised integrator - SOGI) là

một kỹ thuật tạo ra tín hiệu trực giao tiên tiến và phổ biến, cấu trúc cơ bản của

SOGI đƣợc minh họa trong hình 2.35, trong đó k là hệ số giảm xóc, là tần số góc

cơ bản. Một tính năng nổi bật của SOGI là tùy thuộc vào hệ số giảm xóc mà cho ta

một vài loại lọc và có thể nâng cao hiệu quả méo dƣới điện áp lƣới.

Hình 2.35: Cấu trúc của SOGI

Từ hình 2.35, ta thu đƣợc đặc tính hàm số truyền của SOGI nhƣ sau:

Áp dụng (2.29) cho điện áp lƣới (u) cũng nhƣ dòng điện (i) mà không kể đến

thành phần điện sóng hài, ta xây dựng đƣợc hệ thống hai pha trực giao nhƣ sau:

Trong biểu thức (2.31) i và i là thành phần sóng hài bậc n của dòng điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.5.2. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)

PWM đƣợc ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thƣờng

hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều

khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn đƣợc dùng để điều

khiển sự ổn định tốc độ động cơ. Ngoài lĩnh vực điều khiển hay ổn định tải thì

PWM còn tham gia vào điều chế các mạch nguồn nhƣ: boot, buck, nghịch lƣu 1

pha và 3 pha...

PWM còn gặp nhiều trong thực tế ở các mạch điện điều khiển. Điều đặc biệt là

PWM chuyên dùng để điều khiển các phần tử điện tử công suất có đƣờng đặc tính

là tuyến tính khi có sẵn 1 nguồn 1 chiều cố định .Nhƣ vậy PWM đƣợc ứng dụng rất

nhiều trong các thiết bị điện- điện tử.

Các bộ điều chế độ rộng xung là bộ điều khiển điện áp vòng hở, các phƣơng

pháp phổ biến nhất để điều chế độ rộng xung là: Điều chế độ rộng xung dựa trên

song mang (CB-PWM- Carrier Based Pulse Width); Điều chế véc tơ không gian

(SVM - Space Vecto Modulation) và điều chế độ rộng xung ngẫu nhiên.

2.5.2.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM)

Đây là cách phổ biến nhất để điều chế tín hiệu chuyển mạch. Phƣơng pháp

này có thể chia thành phƣơng pháp điều chế độ rộng xung hình sin và phƣơng

pháp điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang với chuỗi tín hiệu zero (ZSS -

Zero Sequence Signal). Đối với điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM), tín hiệu

tham chiếu hình sin đƣợc so sánh với sóng mang tam giác có tần số cao để tạo ra tín

hiệu logic điều khiển các chuyển mạch. Trong khi đó phƣơng pháp ZSS đƣợc dựa

trên SPWM với việc bổ sung tín hiệu thứ tự zero của sóng hài tần số bậc 3. Việc

đƣa thêm sóng hài bậc 3 không làm biến dạng điện áp pha hoặc giá trị trung bình

của dòng điện tải. Tuy nhiên nó mở rộng vùng hoạt động tuyến tính, làm giảm tần

số chuyển mạch trung bình và làm giảm song hài dòng điện. Phƣơng pháp ZSS có

thể chia thành điều chế liên tục và điều chế gián đoạn, tiêu biểu của phƣơng pháp

điều chế liên tục là phƣơng pháp ZSS hình sin, đôi khi sử dụng ZSS tam giác.

Nguyên tắc tạo ra tín hiệu chuyển mạch đƣợc chỉ ra trên hình 2.36, trong đó

tín hiệu mang tam giác đƣợc so sánh với điện áp tham chiếu hình sin đại điện cho

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

điện áp pha. Nếu tín hiệu sin lớn hơn sóng mang chuyển mạch sẽ mở và nếu tín

hiệu hình sin nhỏ hơn chuyển mạch sẽ đóng.

Hình 2.36: Điều chế độ rộng xung dựa trên song mang hình sin

2.5.2.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM)

SVM là phƣơng pháp dựa trên biểu diễn véc tơ không gian của chuyển đổi

bên điện áp xoay chiều AC, trong chỉ ra sự khác biệt giữa SVM và CB-PWM ở

việc xử lý các lƣợng 3 pha. CB-PWM hoạt động trong các điều kiện của các thành

phần 3 pha tự nhiên, trong khi đó SVM sử dụng véc tơ chuyển đổi nhân tạo. Với

biến tần 3 pha 2 mức có 8 trạng thái chuyển mạch, gồm 6 trạng thái chuyển mạch

hoạt động và 2 trrạng thái chuyển mạch bằng không. Có nhiều phƣơng pháp khác

nhau để tạo ra mẫu chuyển mạch, sự khác biệt duy nhất giữa chúng là vị trí véc

tơ zero. Các trạng thái chuyển mạch khác nhau đƣợc biểu diễn trên hình 2.37

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 2.37: Biểu diễn véc tơ không gian của điện áp ra

Phƣơng pháp phổ biến nhất là SVM 3 pha với sự phân bổ đối xứng của các

véc tơ zero. Phƣơng pháp này tƣơng đƣơng với phƣơng pháp CB-PWM với ZSS

tam giác gồm ¼ biên độ và có hàm lƣợng sóng hài gần nhƣ bằng với CB-PWM với

ZSS hình sin. Nó rất dễ dàng thực hiện trong bộ vi xử lý và đó là sự lựa chọn tự

nhiên của SVM.

Hai kỹ thuật khác của SVN là điều chế véc tơ với VN0 = 0 (điện áp giữa

trung tính chuyển đổi và trung tính lƣới bằng không, tƣơng đƣơng với sine PWM)

và điều chế véc tơ với điều hòa bậc 3 (tƣơng đƣơng với CB-PWM với ZCC hình

sin) nhƣng dễ thực hiện hơn so với CB-PWM. Điều chế véc tơ không gian 2 pha là

một phƣơng pháp khác, nó tƣơng đƣơng với CB-PWM không liên tục với ZSS

(DPWM). Phƣơng pháp này sẽ chỉ có 1 trạng thái zero trong thời gian lấy mẫu và

do đó tốt nhất là sử dụng ở các tỉ lệ điều chế cao. Điện áp dây cực đại đối với

SVPWM và cũng vậy đối với PWM 2 pha là:

Ngoài ra còn một số biến thể của SVM gọi là SVM thích nghi (ASVM), nó

kết hợp các SVM khác nhau thành một giải pháp chung. Phƣơng pháp này cho

phạm vi điều khiển đầy đủ bao gồm quá điều chế và sáu bƣớc hoạt động (hoạt

động sóng vuông), hiệu quả của biến tần cao hơn, song biến tần sẽ chủ yếu hoạt

động ở vùng tuyến tính trên của điều chế, vì vậy phƣơng pháp này không đƣợc

quan tâm. Việc tạo ra tín hiệu chuyển mạch đối với SVM dựa trên cơ sở toán học,

nó thực hiện dễ dàng trong vi xử lý.

2.5.3. Điều khiển chuyển đổi DC-AC

Có 2 chiến lƣợc điều khiển chính để điều khiển chuyển đổi DC-AC là

điều khiển dòng điện (CC - Current Control), điều khiển điện áp (VC - Voltage -

Control). Điều khiển dòng điện là chiến lƣợc chung nhất để điều khiển kết nối lƣới

biến tần nguồn áp( VSI - Voltage Source Inverter). Điều khiển dòng điện có lợi thế

là ít nhạy cảm với sự dịch pha điện áp và sự méo điện áp lƣới, do đó nó làm giảm

sóng hài dòng điện đến mức tối thiểu. Trong khi đó điều khiển điện áp có thể dẫn đến

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

quá tải biến tần do góc pha có sai số nhỏ và có thể xuất hiện sóng hài dòng điện lớn

nếu điện áp lƣới bị méo. Khi hệ thống biến tần làm việc độc lập thì điều khiển điện

áp sẽ là sự lựa chọn tự nhiên nhƣng khi chúng hoạt động ở chế độ kết nối lƣới điều

khiển dòng điện là giải pháp điều khiển bền vững nhất. Trong phần này chỉ đề cập

đến điều khiển dòng điện biến tần nguồn áp (CC-VSI). Các sơ đồ điều khiển trình

bày trong phần này liên quan đến việc biến đổi hệ thống 3 pha sang các hệ thống 2

pha nhƣ đã trình bày trong mục 2.5.1.1

Điểm chung cho tất cả các chiến lƣợc điều khiển đƣợc mô tả trong phần này

là tách biệt rõ việc bù sai số dòng điện với phần điều chế điện áp (điều chế

PWM). Ý tƣởng này cho phép khai thác lợi thế của các bộ điều biến vòng hở tách ra

từ vòng lặp bù sai số dòng điện (sẽ đƣợc mô tả trong phần sau)

Để điều khiển bộ nghịch lƣu DC-AC ta có thể sử dụng các qui luật điều

khiển khác nhau. Ba bộ điều khiển đang đƣợc dùng phổ biến hiện nay, đó là điều

khiển tỉ lệ tích phân (PI), điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR) và điều khiển phản hồi

trạng thái.

2.5.3.1. Bộ điều khiển PI

Bộ điều khiển PI đƣợc áp dụng cho cả hệ qui chiếu tĩnh (αβ) và hệ qui

chiếu đồng bộ (dq), nhƣng áp dụng cho hệ qui chiếu dq sẽ có dòng điện một chiều

cố định, bù PI cho phép làm giảm sai lệch tĩnh của thành phần cơ bản về không.

Điều này không đúng cho trƣờng hợp bộ điều khiển PI làm việc trong hệ trục αβ, ở

đó có sai số theo dõi vốn có của biên độ và pha. Vì vậy điều khiển dòng điện

trong hệ qui chiếu đồng bộ (hệ qui chiếu quay) sử dụng PI là giải pháp điển hình

trong nghịch lƣu nối lƣới.

Lợi thế của điều khiển dòng điện trong hệ trục dq là điều khiển riêng rẽ công

suất tác dụng và công suất phản kháng bằng cách gắn khung tham chiếu dq lên đện

áp lƣới. Khi đó công suất tác dụng đƣợc điều khiển bằng dòng điện trục d còn công

suất phản kháng đƣợc điều khiển bằng dòng điện trục q. Nhƣợc điểm cơ bản của

phƣơng pháp này là cần nhiều phép biến đổi, phép tách trong chuyển đổi 3 pha và

hạn chế trong việc bù các hài thấp để phù hợp với tiêu chuẩn chất lƣợng điện

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

năng. Về hình thức bộ điều khiển PI đƣợc định nghĩa:

Khi cần bù sóng hài ta có thể thêm bộ bù sóng hài với phƣơng pháp tƣơng

tự nhƣ mô tả ở trên nhƣng sử dụng hệ qui chiếu quay với tần số của sóng hài

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

mong muốn.

2.5.3.2. Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)

Bộ điều khiển cộng hƣởng tỉ lệ là một kiểu điều khiển mới. T rong phƣơng

pháp này PI bù một chiều đƣợc chuyển đổi thành bù xoay chiều tƣơng đƣơng, do

đó đem lại đặc điểm của đáp ứng tần số trong băng thông quan tâm. Sử dung phƣơng

pháp này sẽ giảm độ phức tạp của tính toán và loại bỏ sự ghép nối chéo. PR đƣợc

định nghĩa:

Kết hợp với bộ điều khiển PR ngƣời ta thƣờng thêm vào bộ bù điều hòa (HC

- Harmonic Compensator). Các bù điều hòa bao gồm tổng các bộ tích phân tổng

quát (GI - Generalized Integrator) đƣợc điều chỉnh để có độ khuếch đại ở các tần số

khác nhau gọi là tần số cộng hƣởng. Bên ngoài tần số này các GI hầu nhƣ không có

sự suy giảm. Đây là một tính năng thú vị của GI bởi lẽ nó không ảnh hƣởng đến đặc

tính động của bộ điều khiển PR bên ngoài tần số điều chỉnh. Nhƣ vậy khi cần thiết

có thể thêm nhiều GI mà không ảnh hƣởng đến động lực của toàn hệ thống. Các bù

sóng hài đƣợc định nghĩa:

Sự kết hợp bộ điều khiển PR với bù sóng hài có thể điều chỉnh để phản ứng

với các tần số cơ bản cho kết quả điều chỉnh tốt và điều chỉnh tần số sóng hài để

bù cho chúng

2.5.3.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái

Trong các phƣơng pháp điều khiển mô tả ở trên, quá trình điều khiển đƣợc

mô tả dƣới dạng hàm số truyền, nó không thể quan sát và điều khiển các hiện tƣợng

nội bộ lên quan trong quá trình điều khiển. Vì vậy phƣơng pháp không gian trạng

thái ngày càng đƣợc chú ý nhiều hơn, bởi vì phƣơng pháp này cung cấp sự miêu tả đầy

đủ và mạnh mẽ trong miền thời gian hệ tuyến tính đa biến bậc tùy ý, hệ phi tuyến

hoặc hệ có thông số biến đổi theo thời gian. Có nhiều cách viết hệ phƣơng trình

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

trạng thái, thông thƣờng đƣợc viết dƣới dạng (2.36)

Trong đó: X(t) là véc tơ trạng thái; U(t) là véc tơ vào; Y(t) là véc tơ ra; A là

ma trận kết nối trạng thái; B là ma trận kết nối vào; C là ma trận kết nối ra; D là

ma trận kết nối vào/ra.

Với cách mô tả này cùng với các điều kiện đầu rất dễ thực hiện, bộ điều

khiển phản hồi trạng thái có thể làm việc trong cả hệ qui chiếu tĩnh và hệ qui chiếu

đồng bộ. Khi sử dụng phƣơng pháp này các điểm cực của hệ thống vòng kín có thể

đặt ở những vị trí định trƣớc trong mặt phẳng s (hoặc mặt phẳng z đối với hệ rời

rạc) và do đó có thể điều khiển đƣợc các đặc tính của đáp ứng của hệ thống. Ngoài

ra, với phƣơng pháp này việc bù sóng hài có thể đạt đƣợc bằng cách đƣa thêm mô

hình của hệ thống tại tần số sóng hài mong muốn.

2.6. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lƣới

Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát, pin mặt trời…)

có thể hoạt động ở chế độ làm việc song song hoặc cùng nối chung vào một mạng lƣới

điện.

Các nguồn điện khi không hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn

khác, hoặc nhiều nguồn cùng nối chung vào một mạng lƣới điện luôn đòi hỏi một số

điều kiện. Một trong các điều kiện đó là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với

nhau.

2.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ

 Điều kiện về tần số: Hai nguồn phải cùng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điện

phải bằng tần số lƣới.

 Điều kiện về điện áp: Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn

phải bằng điện áp lƣới.

 Điều kiện về pha: Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lơn hơn 1và góc

pha phải trùng nhau.

Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ nhƣ mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn cho góc

pha của hai phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số, mà đã điều chỉnh tần số thì tần

số không thể bằng nhau. Còn nếu muốn giữ nguyên cho hai tần số bằng nhau thì khó

có thể điều chỉnh đƣợc góc pha. Do đó, điều kiện thực tế là:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

2.6.1.1. Điều kiện về tần số

Tần số của hai nguồn xấp xỉ bằng nhau. Sai lệch nằm trong khoảng cho phép. Gía

trị này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơ le hòa điện tự

động hoặc rơ le chống hòa sai.

Thông thƣờng, ngƣời ta điều chỉnh sao cho có trị số lớn hơn 0 một chút, nghĩa là

tần số nguồn điện cao hơn tần số lƣới một chút. Nhƣ vậy, khi hòa vào lƣới nguồn điện

sẽ bị tần số lƣới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lƣới ngay

thời điểm đóng máy cắt.

2.6.1.2. Điều kiện về điện áp

Đối với điện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lƣới

chính xác mà không có vấn đề gì. Ngƣời ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so

với điện áp lƣới và ngƣời ta cũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc

hơn điện áp lƣới một chút để khi đóng điện thì công suất và công của nguồn điện lớn

hơn 0 một chút.

2.6.1.2. Điều kiện về pha

Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác. Thứ tự pha thƣờng chỉ

kiểm tra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa, bảo trì mà phải tháo rời các

điểm nối. Vì phải điều chỉnh tần số nên hai tần số không bằng nhau. Do đó, góc pha sẽ

thay đổi liên tục theo tần số phách bằng hiệu của hai tần số. Các rơ le phải dự đoán

chính xác các thời điểm góc pha bằng không, biết trƣớc thời gian đóng của máy cắt và

phải cho ra tín hiệu đóng máy cắt trƣớc thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó.

Thƣờng khoảng dƣới 100ms đến vài trăm ms.

Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thể kiểm tra bằng các dụng cụ

đo trực tiếp nhƣ vôn kế, tần số kế nhƣng các điều kiện về pha nhƣ: thứ tự pha và đồng

vị góc pha( góc lệch pha) cần phải kiểm tra nghiêm ngặt hơn.

2.6..2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lƣới

Đối với hệ thống phân đoạn, hệ thống lƣới mạch vòng, thì đồng vị pha đã đƣợc

xác định ngay khi thiết kế. Tuy nhiên, do những sai lệch về điện áp giáng trên đƣờng

dây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp tổng trở các máy biến áp

trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trƣớc khi đóng nên góc pha giữa hai

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

đầu máy cắt có thể khác không. Nhƣng thƣờng là ít thay đổi trong thời gian ngắn.

Trong trƣờng hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hƣởng lớn, ngoại trừ một vài

điểm nào đó có khả năng quá tải. Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lƣới bằng

một đƣờng duy nhất hoặc nhiều đƣờng nhƣng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại

góc pha sẽ không còn bằng không nữa. Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì hai tần

số lúc ấy không còn bằng nhau. Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần

số nhƣ hòa đồng bộ máy phát điện, và thƣờng rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát.

Vì muốn thay đổi tần số của một trong hai hệ thì không thể tác động tại chỗ đƣợc mà

phải liên hệ từ xa. Để đảm bảo đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải

có lắp đặt rơ le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai. Đối với trƣờng hợp thứ nhất, rơ

le có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%,

điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%.

Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lƣới cũng không đơn giản do điện áp và tần

số khó thỏa mãn điều kiện hòa. Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp mà hòa điện thong

qua bộ nghịch lƣu. Các bộ nghịch lƣu ngày nay có thể biến điện áp một chiều từ ắc

quy thành nguồn có tần số và điện áp bất kì.

2.7. Kết luận chƣơng 2

Trong chƣơng 2 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện

năng lƣợng mặt trời:

- Nêu đặc điểm, các linh kiện thƣờng sử dụng trong hệ thống điện năng lƣợng mặt

trời nối lƣới.

- Nghiên cứu hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới:

+ Đƣa ra cấu trúc của hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới

+ Đƣa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

- Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lƣới.

CHƢƠNG 3

THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC

CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

3.1. Khái niệm

Ở chƣơng 2 ta đã biết quan hệ giữa các thông số dòng điện, điện áp, công suất (Ipv,

P,I

I(U)

MPP

ISC

P(U)

UMPP UOC

Upvvà Ppv) của modul PV với các bức xạ mặt trời và nhiệt độ khác nhau là:

Hình 3.1: Quan hệ I(U) và P(U) của PV

Quan hệ này đƣợc biểu diễn trên hình 3.1, đó là một quan hệ phi tuyến. Hơn nữa

bức xạ mặt trời thay đổi có tính chất ngẫu nhiên làm cho điểm công suất tối đa( MPP)

của PV thay đổi liên tục. Để hệ thống PV vận hành hiệu quả, cần duy trì chế độ làm

việc của chúng luôn tại điểm công suất tối đa.

Giả sử modul PV có đặc tính I(U) và P(U) ứng với giá trị xác định của bức xạ

mặt trời và nhiệt độ nhƣ hình 3.2, đặc tính tải của PV là đƣờng thẳng 0 m đi qua gốc

tọa độ, điểm làm việc của PV là giao điểm giữa đặc tính I(U) của PV và đặc tính tải

của chúng. Ta thấy rằng nếu modul PV làm việc tại điểm C sẽ có công suất cực đại.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Điểm có công suất cực đại gọi là điểm MPP (Maximum Power Point).

Hình 3.2: Đặc tính V-A của tải và của pin mặt trời

Điểm công suất cực đại luôn thay đổi một cách ngẫu nhiên theo bức xạ mặt trời

và nhiệt độ pin. Để sử dụng đƣợc tối đa năng lƣợng đƣợc sản xuất bởi pin mặt trời tại

mọi thời điểm, hệ thống cần có bộ phận theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT -

Maximum Power Point Tracker) và duy trì hệ thống luôn luôn làm việc tại điểm công

suất tối đa đó.

Thuật toán dò tìm điểm MPP là thuật toán theo dõi điện áp để tại đó công suất

cực đại, nó thƣờng đƣợc thực hiện trong khối chuyển đổi DC-DC, đối với hệ thống

không có chuyển đổi DC-DC thì MPPT thực hiện trong chuyển đổi DC-AC. Dƣới đây

là một số thuật toán theo dõi điểm công suất tối đa. Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời

Grid

DC-DC Converter

DC-AC Converter

UpvIpv

MPPT

PWM

nối lƣới có sử dụng MPPT đƣợc chỉ ra trên hình 3.3

Hình 3.3: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng MPP

Nhiệm vụ của khối MPPT là đƣa ra thuật toán xác định điểm làm việc có công

suất cực đại (MPP) và gửi tín hiệu điều khiển hệ thống duy trì làm việc tại điểm có

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

công suất cực đại đó.

3.2. Thuật toán dò điểm công suất tối đa của pin mặt trời (MPPT - Maximum

Power Point Tracking)

3.2.1. Thuật toán điện áp không đổi (CV – Constant Voltage)

Thuật toán này dựa trên nhận xét rằng: Điện áp tại điểm công suất cực đại chỉ

thay đổi đôi chút với các mức bức xạ khác nhau. Điện áp MPP là tỉ số giữa điện áp

UMPPvà điện áp UOC, trong đó UMPP là điện áp tại điểm MPP, UOC là điện áp hở mạch.

Tỷ số này tùy thuộc vào các thông số của tế bào năng lƣợng mặt trời, giá trị thƣờng

đƣợc sử dụng là 76%. Tại thời điểm dòng điện bằng không, tiến hành đo điện áp hở

mạch UOC sau đó tính đƣợc UMPP. Nhƣợc điểm của thuật toán này sự mất năng lƣợng

khi tải bị ngắt kết nối và MPP không luôn ở mức 76%.

3.2.2. Thuật toán xáo trộn và quan sát (P&O - Perturb and Observe)

Đây là thuật toán thƣờng đƣợc sử dụng nhất để dò điểm MPP nó dựa trên cơ sở

gây nhiễu loạn điện áp và quan sát dP/dt. Đạo hàm này cho thấy điện áp đang là

caohay thấp và do đó cần giảm hay tăng điện áp cho tới khi đạo hàm bằng 0. Lƣu đồ

thuật toán P&Q đƣợc chỉ ra trên hình 3.4

Hình 3.4: Lưu đồ thuật toánP&O

Nhƣợc điểm của thuật toán này là do dựa trên sự nhiễu loạn nên sẽ luôn tồn tại

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

dao động ngay cả khi đã đạt tới điểm công suất cực đại.

3.2.3. Thuật toán độ dẫn gia tăng (INC - Inremental Conductance)

Thuật toán này sẽ khắc phục đƣợc hiện tƣợng dao động xung quanh điểm công

suất cực đại của thuật toán P&Q. Điều này đƣợc thực hiện bằng cách sử dụng sự gia

tăng độ dẫn của các tấm PV để tính toán dấu hiệu không nhiễu loạn.

Từ biểu thức của công suất:

Dựa vào (3.2) thuật toán có thể xác định điểm MPP và dừng gây nhiễu điểm hoạt

động. Lƣu đồ thuật toán INC đƣợc chỉ ra trên hình 3.5. Thuật toán này phức tạp hơn

thuật toán P&Q

Hình 3.5. Lưu đồ thuật toán INC

Trong mỗi tế bào pin mặt trời đều có một điện dung ký sinh và chúng đƣợc

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

3.2.4. Thuật toán điện dung ký sinh (PC – ParasiticCapacitance)

sử dụng để xác định điểm công suất cực đại. Kỹ thuật điện dung ký sinh sử dụng

gợn sóng chuyển mạch để xáo trộn mảng. Để tính toán điện dung ký sinh các

gợn sóng trung bình trong công suất và điện áp mảng tạo ra bởi tần số chuyển

mạch đƣợc đo và sử dụng để tính toán độ dẫn mảng. Sau đó thuật toán dẫn gia

tăng đƣợc sử dụng để xác định hƣớng điểm hoạt động của MPP. Đây có thể coi

là một sự cải tiến của kỹ thuật INC. Thuật toán này có nhƣợc điểm phức tạp, mặt

khác vì điện dung ký sinh thƣờng rất nhỏ nên chỉ thích hợp cho hệ thống lớn có

nhiều modul mắc song song. Ngoài ra khi có tụ điện lớn mắc ở đầu vào của

chuyển đổi DC-DC thì phƣơng pháp này mất tác dụng.

3.3. Ứng dụng fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc công suất cực đại

của hệ thống pin mặt trời

3.3.1. Tổng quan về logic mờ

Năm 1965, giáo sƣ Lofti A. Zadeh ở trƣờng đại học Califonia - Mỹ đã cho ra đời

một lý thuyết mới đó là lý thuyết tập mờ (Fuzzy set theory). Công trình này thực sự đã

khai sinh một ngành khoa học mới là lý thuyết tập mờ và đã nhanh chóng đƣợc các

nhà nghiên cứu công nghệ mới chấp nhận ý tƣởng. Lý thuyết tập mờ ngày càng phong

phú và hoàn chỉnh, đã tạo nền vững chắc để phát triển logic mờ. Có thể nói logic mờ

(Fuzzy logic) là nền tảng để xây dựng các hệ mờ thực tiển, ví dụ trong công nghiệp

sản xuất xi măng, sản xuất điện năng, các hệ chuyên gia trong y học giúp chuẩn đoán

và điều trị bệnh, các hệ chuyên gia trong xử lý tiếng nói, nhận dạng hình ảnh,...

Trong phần này, tác giả xin giới thiệu sơ lƣợc nhất về logic mờ.

Tập mờ B xác định trên tập kinh điển M là một tập mà mỗi phần tử của nó đƣợc

biểu diễn bởi một cặp giá trị (x, µB(x)). Trong đó x M, µB(x) là ánh xạ.

Ánh xạ µB(x) đƣợc gọi là hàm liên thuộc của tập mờ B. Tập kinh điển M gọi là

cơ sở của tập mờ B.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Các thông số đặc trƣng cho tập mờ là độ cao, miền xác định và miền tin cậy (hình 3.6)

Hình 3.6: Độ cao, miền xác định, miền tin cậy của tập mờ

+ Độ cao của một tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M ) là giá trị lớn nhất trong các

giá trị của hàm liên thuộc:

+ Miền xác định của tập mờ B (Định nghĩa trên cơ sở M) đƣợc ký hiệu bởi S là

tập con của M có giá trị hàm liên thuộc khác không:

+ Miền tin cậy của tập mờ B( Định nghĩa trên cơ sở M) đƣợc ký hiệu bởi T, là tập

con của M có giá trị hàm liên thuộc bằng 1:

Có rất nhiều cách khác nhau để biểu diễn hàm liên thuộc của tập mờ. Dƣới đây là

một số dạng hàm liên thuộc thông dụng:

+ Hàm liên thuộc hình tam giác (hình 3.7a)

+ Hàm liên thuộc hình thang (hình 3.7b)

+ Hàm liên thuộc dạng Gauss (hình 3.7c)

+ Hàm liên thuộc dạng Sign (hình 3.7d)

+ Hàm Sigmoidal (hình 3.7e)

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

+ Hàm hình chuông (hình 3.7f)

Hình 3.7: Các dạng hàm liên thuộc của tập mờ

Trên tập mờ có 3 phép toán cơ bản là phép hợp, phép giao và phép bù.

-Phép hợp của hai tập mờ.

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X, tập mờ hợp của A và B là một tập mờ, ký

hiệu là C = A B.

Theo phép hợp chuẩn ta có C (x) từ các hàm thành viên A(x), B (x) nhƣ sau:

Hình 3.8: Hợp hai tập mờ có cùng tập vũ trụ

C (x) có thể đƣợc suy ra từ hàm thành viên A (x), B (x) nhƣ sau:

Một cách tổng quát ta dùng hàm hợp u: . Hàm thành viên

- Phép giao của hai tập mờ.

Cho tập mờ A, B trên tập vũ trụ X, tập mờ giao của A và B cũng là một tập mờ, ký

hiệu là I = A B.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Theo phép giao chuẩn ta có 1 (x) từ các hàm thành viên A (x), B (x):

Hình 3.9: Giao hai tập mờ có cùng tập vũ trũ

1 (x) có thể đƣợc suy từ hàm thành viên A (x), B (x) nhƣ sau:

Một cách tổng quát ta dùng hàm giao i: . Hàm thành viên

- Phép bù của một tập mờ.

Cho tập mờ A trên tập vũ trụ X, tập mờ bù của A là tập mờ , hàm thuộc (x) đƣợc

tính từ hàm thuộc A (x)

a. Hàm thuộc của tập mờ A. b. Hàm thuộc của tập mờ .

Hình 3.10: Tập bù của tập mờ A.

Một cách tổng quát để tìm nhƣ sau: (x) từ A (x) ta dùng hàm bù c:

Một biến có thể gán bởi các từ trong ngôn ngữ tự nhiên làm giá trị của nó gọi là

biến ngôn ngữ.

Một biến ngôn ngữ thƣờng bao gồm 4 thông số: X, T, U, M. Với:

+ X: Tên của biến ngôn ngữ

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

+ T: Tập của các giá trị ngôn ngữ

+ U: Không gian nền mà trên đó biến ngôn ngữ X nhận các giá trị rõ

+ M: Chỉ ra sự phân bố của T trên U.

- Xét hai biến ngôn ngữ  và  Biếnnhận giá trị (mờ) A có hàm liên thuộc A(x) và 

nhận giá trị (mờ) B có hàm liên thuộc B(y) thì hai biểu thức:

 A;  B đƣợc gọi là hai mệnh đề.

Luật điều khiển: nếu = A thì = B đƣợc gọi là mệnh đề hợp thành

- Xét mệnh đề hợp thành: nếu = A thì = B; trong kỹ thuật điều khiển ta thƣờng sử dụng

nguyên tắc của Mamdani “Độ phụ thuộc của kết luận không được lớn hơn độ phụ

thuộc của điều kiện”. Từ nguyên tắc đó ta có hai công thức xác định hàm liên thuộc

cho mệnh đề hợp thành A  B:

1. công thức MINAB(x,y) = MIN {A(x)B(y)}

2. công thức PROD: AB(x,y) = A(x)B(y)

- Luật hợp thành là tên chung gọi mô hình R biểu diễn (một hay nhiều) hàm liên thuộc

B(x,y) cho (một hay nhiều) mệnh đề hợp thành AB.

Một luật hợp thành chỉ có 1 mệnh đề hợp thành gọi là luật hợp thành đơn, có từ 2

mệnh đề hợp thành trở lên gọi là luật hợp thành phức.

+ Cấu trúc SISO là cấu trúc trong đó luật hợp thành có các mệnh đề điều kiện và

mệnh đề kết luận là các mệnh đề đơn.

+ Cấu trúc MISO là cấu trúc trong đó luật hợp thành có các mệnh đề điều kiện là

mệnh đề phức và mệnh đề kết luận là mệnh đề đơn.

Một bộ điều khiển mờ bao gồm 3 khối cơ bản: Khối mờ hoá, thiết bị hợp thành và

khối giải mờ. Ngoài ra còn có khối giao diện vào và giao diện ra.

Hình 3.11: Các khối chức năng của bộ điều khiển mờ

- Khối mờ hoá: Có chức năng chuyển mỗi giá trị rõ của biến ngôn ngữ đầu vào thành

véc tơ µ có số phần tử bằng số tập mờ đầu vào.

- Thiết bị hợp thành: Có bản chất của nó sự triển khai luật hợp thành R đƣợc xây dựng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

trên cơ sở luật điều khiển.

- Khối giải mờ: Có nhiệm vụ chuyển tập mờ đầu ra thành giá trị rõ y0 (ứng với mỗi giá

trị rõ x0 để điều khiển đối tƣợng.

- Giao diện đầu vào: Thực hiện việc tổng hợp và chuyển đổi tín hiệu vào (từ tƣơng tự

sang số), ngoài ra còn có thể có thêm các khâu phụ trợ để thực hiện bài toán động nhƣ

tích phân, vi phân, ...

- Giao diện đầu ra: Thực hiện chuyển đổi tín hiệu ra (từ số sang tƣơng tự) để điều

khiển đối tƣợng.

Bộ điều khiển mờ đƣợc phân loại nhƣ sau:

-- Theo số lƣợng đầu vào và đầu ra:

+ Bộ điều khiển mờ “Một vào - một ra” (SISO);

+ Bộ điều khiển mờ “Nhiều vào - một ra” (MISO);

+ Bộ điều khiển mờ “Nhiều vào - nhiều ra” (MIMO);

-- Theo bản chất của tín hiệu đƣa vào bộ điều khiển:

+ Bộ điều khiển mờ tĩnh

+ Bộ điều khiển mờ động.

Cấu trúc tổng quát của một hệ điều khiển mờ đƣợc chỉ ra trên hình 3.12.

Hình 3.12 : Cấu trúc tổng quát của một hệ mờ

Với một miền compact X Rn (n là số đầu vào) các giá trị vật lý của biến ngôn ngữ

đầu vào và một đƣờng phi tuyến g(x) tùy ý nhƣng liên tục cùng các đạo hàm của nó

trên X thì bao giờ cũng tồn tại một bộ điều khiển mờ cơ bản có quan hệ:

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Để tổng hợp đƣợc các bộ điều khiển mờ và cho nó hoạt động một cách hoàn thiện

ta cần thực hiện qua các bƣớc sau:

- Bước 1: Khảo sát đối tƣợng, từ đó định nghĩa tất cả các biến ngôn ngữ vào, ra và

miền xác định của chúng.

- Bước 2: Mờ hoá các biến ngôn ngữ vào/ra

- Bước 3: Xây dựng các luật điều khiển (mệnh đề hợp thành)

- Bước 4: Chọn thiết bị hợp và chọn nguyên tắc giải mờ.

- Bước 5: Tối ƣu hệ thống: Sau khi thiết kế xong bộ điều khiển mờ, ta cần mô hình hoá

và mô phỏng hệ thống để kiểm tra kết quả, đồng thời chỉnh định lại một số tham số để

có chế độ làm việc tối ƣu.

3.3.2. Thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC)

Sau đây tác giả đề xuất giải pháp một sử dụng bộ điều khiển mờ để xây dựng

thuật toán theo dõi và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại cho hệ thống điện

mặt trời nối lƣới. Từ đƣờng cong quan hệ giữa công suất và điện áp (P-U) của tấm pin

(hình 3.13) ta thấy khi hệ thống làm việc ở phía trái điểm Pmax thì dP/dU dƣơng cần

tăng điện áp để hệ thống tiến đến điểm Pmax, ngƣợc lại khi hệ thống làm việc ở phía

phải điểm Pmax thì dP/dU âm cần giảm điện áp để hệ thống tiến đến điểm Pmax. Hệ

thống làm việc tại điểm Pmax thì dP/dU = 0.

Hình 3.13: Quan hệ P-U của tấm PV

Bộ điều khiển mờ tìm điểm Pmax thực hiện đo lƣờng điện áp và dòng điện ở đầu ra

của tấm pin, sau đó tính công suất theo biểu thức P = U*I để đƣa đến đầu vào bộ điều

khiển. Đầu ra bộ điều khiển làm thay đổi chu kỳ điều chế độ rộng xung để đóng cắt bộ

chuyển đổi DC-DC. Nguyên tắc làm việc của bộ điều khiển mờ nhƣ sau:

Tại mỗi thời điểm lấy mẫu (tk) FLC kiểm tra công suất ở đầu ra PV và xác định

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

sự thay đổi tƣơng đối của công suất so với điện áp (dp/du). Nếu giá trị này lớn hơn

zero, bộ điều khiển sẽ thay đổi chu kỳ làm việc của PWM để tăng điện áp cho đến khi

công suất là cực đại (hoặc giá trị dp/du = 0), Nếu giá trị này nhỏ hơn zero, bộ điều

khiển sẽ thay đổi chu kỳ làm việc của PWM để giảm điện áp cho đến khi công suất là

cực đại. FLC có 2 đầu vào là sai số và sự thay đổi sai số, có 1 đầu ra đƣa vào bộ điều

chế độ rộng xung để điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC. Các đầu vào và đầu ra đƣợc

định nghĩa nhƣ sau:

(3.3)

Trong đó P(k) công suất tức thời của PV tại thời điểm tk. Sai số E(k) cho biết

điểm hoạt động của tải tại thời điểm tk đang ở phía bên trái hay bên phải điểm công

suất cực đại trên đƣờng đặc tính của PV, độ thay đổi DE diễn tả hƣớng chuyển động

của điểm MPP. Sử dụng mô hình mờ Mandani, giải mờ bằng phƣơng pháp điểm trọng

tâm.

+ Hàm liên thuộc vào, ra

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.14: Hàm liên thuộc của tập mờ đầu vào 1 €

Hình 3.15: Hàm liên thuộc đầu vào 2 (DE)

Hình 3.16: Hàm liên thuộc đầu ra (D)

Nguyên tắc thiết lập các luật điều khiển của bộ điều khiển mờ đƣợc phân tích

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

ở trên, các luật đƣợc liệt kê trên bảng 3.1

Bảng 3.1: Luật điều khiển cơ bản của FLC

Giải mờ bằng phƣơng pháp trọng tâm giá trị đầu ra D đƣợc tính theo công thức

(3.4)

Quan hệ Vào-Ra của bộ điều khiển mờ đƣợc biểu diễn trên hình 3.17

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.17: Quan hệ Vào-Ra của FLC

3.4. Các kết quả mô phỏng

Việc mô phỏng thuật toán xác định và duy trì điểm công suất tối đa của hệ thống điện

mặt trời nối lƣới đƣợc thực hiện trên phần mềm Matlab và powersim. Sơ đồ mô phỏng

đƣợc mô tả trên hình 3.18. Trong đó bộ biến đổi DC- DC sử dụng mạch boost, thông

số của tấm pin đƣợc chỉ ra trên bảng 3.1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT trên Psim

Bảng 3.2: Thông số của tấm pin mặt trời

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.19: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát

Hình 3.20: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng thuật toán điện dẫn gia tăng

Đáp ứng dòng điện và điện áp của hệ thống khi sử dụng thuật toán xáo trộn và quan sát

đƣợc chỉ ra trên hình 3.19, khi sử dụng thuật toán độ dẫn gia tăng đƣợc chỉ ra trên hình

3.20.

Để mô phỏng thuật toán MPPT bằng phƣơng pháp điều khiển mờ, ta sử dụng đồng

mô phỏng trên Matlab và Psim, sơ đồ mô phỏng đƣợc chỉ ra trên hình 3.21 và hình

Khối Psim

3.22; Đáp ứng hệ thống khi sử dụng điều khiển mờ đƣợc chỉ ra trên hình 3.23.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Hình 3.21: Sơ đồ mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng điều khiển mờ trên Matlab và Psim

Hình 3.22: Sơ đồ khối Psim trong hình 3.21

Hình 3.23: Đáp ứng hệ thống khi sử dụng điều khiển mờ

Nhận xét: Từ các kết quả mô phỏng trên ta thấy thuật toán MPPT đảm bảo cho hệ

thống điện mặt trời luôn bám điểm làm việc có công suất cực đại khi điều kiện môi

trƣờng (bức xạ mặt trời và nhiệt độ) thay đổi.

3.5. Kết luận chƣơng 3

Chƣơng 3 đƣa ra các thuật toán dò điểm công suất tối đa của pin mặt trời, ứng dụng

fuzzy logic để xác định và duy trì điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống pin

mặt trời. Tác giả đã mô phỏng và rút ra kết luận cho đề xuất sử dụng một bộ điều

khiển mờ để xây dựng thuật toán theo dõi và duy trì điểm làm việc có công suất cực

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

đại cho hệ thống điện mặt trời nối lƣới

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ

lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS. Lại

Khắc Lãi. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong Bộ môn Tự động hóa -

T rƣờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp - Đại học Thái Nguyên đã tạo điều kiện

giúp đỡ trong suốt quá trình tham gia khóa học. Xin chân thành cảm ơn khoa sau đại

học, bạn bè đồng nghiệp đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.

Luận văn với đề tài" Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì diểm làm việc cực

đại của hệ thống điện mặt trời nối lƣới" đã đƣợc hoàn thành và đạt đƣợc một số kết

quả nhƣ sau:

- Nêu đƣợc tổng quan về năng lƣợng mặt trời

- Thiết kế đƣợc mạch điện tử công suất trong việc khai thác năng lƣợng mặt trời

- Mô phỏng thuật toán MPPT sử dụng bộ điều khiển mờ (FLC) trên phần mềm

Matlad và Psim

Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót.

Tác giả rất mong nhận đƣợc những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng

nhƣ các đồng nghiệp để luận văn đƣợc hoàn thiện hơn.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!

2. Kiến nghị

Do thời gian và trình độ có hạn nên bản luận văn mới chỉ dừng ở việc mô

phỏng các thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc có công suất cực đại của hệ

thống điện mặt trời nối lƣới. Trong thời gian tới tác giả dự kiến tiếp tục nghiên cứu

theo hƣớng này với các nội dung sau:

- Xây dựng mô hình và khảo sát các thuật toán MPPT bằng thực nghiệm, hiệu

chỉnh và hoàn thiện để có thể triển khai vào thực tế.

- Tiếp tục nghiên cứu cải tiến các thuật toán MPPT đã có cũng nhƣ đề xuất các

thuật toán MPPT mới đảm bảo cho hệ thống điện mặt trời nối lƣới luôn làm việc ở chế

độ tối ƣu.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt

[1]. Nguyễn Hồng Anh, Nguyễn Minh trí, “Ứng dụng hệ mờ điều khiển SVC trên lưới

điện” Tạp chí khoa học số 15 + 16 Đại học Đà Nẵng.

[2]. Phạm Thị Hồng Anh, “Xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt

trời,” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, chuyên ngành tự động hóa; 2012.

[3]. Lại Khắc Lãi, Dƣơng Quốc Hƣng, Trần Thị Thanh Hải "Thiết kế bộ điều khiển

hòa lƣới cho máy phát điện sức gió sử dụng máy điện cảm ứng nguồn kép" Tạp

chí Khoa học và Công nghệ Đại học Thái Nguyên số 10 (2011); Tr 219-226

[4]. Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Trần Gia Khánh "Điều khiển hệ thống lai năng

lƣợng gió và mặt trời trong lƣới điện thông minh" Tạp chí Khoa học và Công

nghệ Đại học Thái Nguyên số 4, tập 118 (2014); Tr 15-21

[5]. Lại Khắc Lãi, Vũ Nguyên Hải, Lại Thị Thanh Hoa "Điều khiển công suất tác

dụng và công suất phản kháng của biến tần một pha nối lƣới" Tạp chí Khoa học

và Công nghệ Đại học Thái Nguyên số 8, tập 122 (2014); Tr 149-154

[6]. Lại Khắc Lãi và công sự “Báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp Bộ

mã số B2011-TN01-01”

Tiếng Anh

[7]. Lai Khac Lai "Fuzzy Logic Controller for Grid-Connected single phase Inverter"

Journal of science and technology - Thai Nguyen University No:02 (2013)

[8]. E. Miller, “Smart grids – a smart idea?,” Renewable Energy Focus Magazine,

vol. 10, pp. 62-67, Sep.-Oct. 2009.

[9]. H. Yang, Z. Wei, and L. Chengzh, “Optimal design and techno-economic

analysis of a hybrid solar-wind power generation system,” Applied Energy, vol.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

86, pp. 163-169, Feb. 2009.

[10]. S. Dihrab, and K. Sopian, “Electricity generation of hybrid PV/wind systems in

Iraq,” Renewable Energy, vol. 35, pp. 1303-1307, Jun. 2010.

[11]. S.K. Kim, J.H. Jeon, C.H. Cho, E.S. Kim, and J.B. Ahn, “Modeling and

simulation of a grid-connected PV generation system for electromagnetic

transient analysis, ”Solar Energy, vol.83, pp. 664-678, May 2009.

[12]. H.L Tsai, “Insolation-oriented model of photovoltaic module using

Matlab/Simulink,” Solar Energy, vol. 84, pp. 1318-1326, July 2010.

[13]. J.A. Gow, and C.D. Manning, “Development of a photovoltaic array model for

use in power-electronics simulation studies,” IEE Proceedings- Electric Power

Applications, vol. 146, pp. 193-199, Mar. 1999.

[14]. M.J. Khan, and M.T. Iqbal, “Dynamic modeling and simulation of a small wind

fuel cell hybrid energy system,” Renewable Energy, vol. 30, pp. 421-439, Mar.

2005.

[15]. M.G. Villalva, J.R. Gazoli, and E.R. Filho, “Comprehensive approach to

modeling and simulation of photovoltaic arrays,” IEEE Transactions on Power

Electronics, vol. 24, pp 1198 - 1208, May 2009.

[16]. E. Muljadi, C.P. Butterfield, “Pitch-controlled variable-speed wind turbine

generation,” IEEE Trans. Industry Appl., vol. 37, pp. 240–246, Jan.-Feb. 2001.

[17]. Crowhurst, B., El-Saadany, E.F., El Chaar, L., Lamont, L.A.: „Single-phase grid-

tie inverter control using DQ transform for active and reactive load power

compensation‟. Proc. Power and Energy (Pecon), 2010, pp. 489–494

[18]. Ichikawa, R., Funato, H., Nemoto, K.: „Experimental veriﬁcation of single-phase

utility interface inverter based on digital hysteresis current controller‟. Int. Conf.

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

Electrical Machines and Systems, 2011, pp. 1–6

[19]. Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen

Huu Phuc: „Active and reactive power controler for single-phase grid-connected

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn

photovoltaic systems‟, www4.hcmut.edu.vn/.../HCMUT_VN

Luận văn Thạc sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới

Đề tài này đặt mục tiêu chính là “Nghiên cứu thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới’. Để hiểu rõ hơn, mời các bạn tham khảo chi tiết nội dung luận văn này.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN

TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-----------------o0o------------------

NGUYỄN THỊ LAN

NGHIÊN CỨU THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY

TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG

ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

THÁI NGUYÊN 2016

LỜI CAM ĐOAN

duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt trời nối lưới” do thầy giáo

Nguyễn Thị Lan

LỜI CẢM ƠN

Sau một thời gian nghiên cứu, đƣợc sự động viên, giúp đỡ và hƣớng dẫn

thuật toán xác định và duy trì điểm làm việc cực đại của hệ thống điện mặt

trời nối lưới” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến:

Nguyễn Thị Lan

MỤC LỤC MỤC LỤC ..................................................................................................................... iv

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

DANH MỤC CÁC BẢNG

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Tên hình

MỞ ĐẦU

Nghiên cứu thực tiễn

CHƢƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

CHƢƠNG 2

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG VIỆC

KHAI THÁC NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

P

D

+

Kênh n

G _

S

D

S

ID

///////////////////////////// n-

_

D

G

UGS _

///////////////////////////// _

+

Kênh n

G +

+ UDS

S

CHƢƠNG 3

THUẬT TOÁN XÁC ĐỊNH VÀ DUY TRÌ ĐIỂM LÀM VIỆC

CỰC ĐẠI CỦA HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƢỚI

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Có thể bạn quan tâm

Tài liêu mới

AI tóm tắt

Giới thiệu tài liệu

Đối tượng sử dụng

Từ khoá chính

Nội dung tóm tắt

Giới thiệu

Về chúng tôi

Việc làm

Quảng cáo

Liên hệ

Chính sách

Thoả thuận sử dụng

Chính sách bảo mật

Chính sách hoàn tiền

DMCA

Hỗ trợ

Hướng dẫn sử dụng

Đăng ký tài khoản VIP

093 303 0098

support@tailieu.vn

Phương thức thanh toán

Theo dõi chúng tôi