1

LỜI CẢM ƠN
Em xin gửi sự trân trọng và lòng biết ơn đến thầy Tô Hữu Phúc. Thầy đã hướng dẫn em
đồ án môn học trong học kì này . Những công sức, lời dạy, lời khuyên của thầy luôn là
hành trang, là tài sản quý giá giúp em tiến bộ lên từng ngày.
Và em cũng cảm ơn cha mẹ, cùng những người bạn thân nhất, đã sánh vai cùng mình
trong suốt thời gian này. Những lời động viên, an ủi lúc khó khăn chính là nhân tố giúp
em thực hiện đồ án này một cách tốt nhất.
Thân cảm ơn đến tất cả.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


2

TÓM TẮT ĐỒ ÁN
Tìm hiểu pin quang điện và đường đặc tính pin quang điện.Tìm hiểu DSP F28335 và
phần mền Code Composer Studio.

Thiết kế phần cứng và mô phỏng hệ thống pin mặt trời nối lưới (solar inverter công
suất nhỏ). Khảo sát kết quả mô phỏng của đáp ứng và hiệu suất của hệ thống pin quang
điện nối lưới với các điều kiện làm việc khác nhau bằng thuật toán MPPT đã dùng.
Nghiên cứu, đề xuất phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC; kết quả mô
phỏng đáp ứng của bộ nghịch lưu khi có sự thay đổi của hệ thống hay sự thay đổi của lưới.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC

3

NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN PHẢN BIỆN:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


4

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ ...................................................................................... 6
DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU .......................................................................... 7
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐÒ ÁN: .......................................................... 8
1.1

Nhiệm vụ của đồ án môn học: ............................................................... 8

CHƯƠNG II: PIN QUANG ĐIỆN (PV) ............................................................ 8
2.1

Cấu tạo pin quang điện: ......................................................................... 8

2.1.1.

Nguyên lý hoạt động: ....................................................................... 9


2.2 Đặc tính pin quang điện: ........................................................................ 11
2.2.1. Đặc tính I-V ở điều kiện tiêu chuẩn: ............................................ 11
CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI ........ 13
3.1 Hệ thống pin mặt trời nối lưới………………..………………………13
3.2

Bộ biến đổi điện áp một chiều(DC-DC) .............................................. 15

3.3

Bộ nghịch lưu cầu 1 pha:....................................................................... 17

CHƯƠNG IV: THUẬT TOÁN TÌM CÔN VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI………………………………………………19
4.1

Thuật toán tìm điểm công suất cực đại: ............................................. 19

4.1.1
4.2

Thuật toán Perturb and Observe P&O: ...................................... 19

Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 1 pha: ................................... 21

4.2.1 Phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng (Proportional ResonantPR): ........................................................................................................ 22
4.3

Hoàn thiện mô phỏng hệ thống pin mặt trời nối lưới trên
psim:…………………………………………………………………...25


CHƯƠNG V: ĐÁP ỨNG CỦA TOÀN BỘ HỆ THÓNG PIN MẶT TRỜI NỐI
LƯỚI: .................................................................................................................. 26
5.1

Đáp ứng của dòng điện Iivt theo tín hiệu đặt Iref: ............................ 26

5.1.1

Đáp ứng của dòng điện Iivt khi tần số lưới thay đổi……………27

5.1.2

Đáp ứng của dòng điện Iivt khi điện áp lưới thay đổi………….28

5.2

Đáp ứng toàn hệ thống : ....................................................................... 29

5.3

Khảo sát đáp ứng của bộ biến đổi DC/DC với các thuật toán MPPT khi
điều kiện môi trường thay đổi: ............................................................ 30

5.3.1

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

Công suất ngõ ra và hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC khi độ rọi thay
đổi: ................................................................................................... 30

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


5

5.3.2

Công suất ngõ ra và hiệu suất của bộ biến đổi DC/DC khi nhiệt độ
thay đổi: .......................................................................................... 31

CHƯƠNG VI: GIỚI THIỆU VỀ DSP TMS320F28335………………….…..32
6.1

Tổng quan về các bộ xử lí tín hiệu số………………………………...32

6.2

Sơ lược về họ TMS320……………………………………….……….32

6.3

DSP TMS320F28335…………………………………………….……33

6.3.1

Bộ phận vào ra (I/O)…………………………………….….….....35

6.3.2

Khối tạo xung PWM……………………………………….……..38


6.3.3

Bộ chuyển đổi tín hiệu analog sang tín hiệu số………….………39

6.4 Code Composer Studio…………………………………………………40
CHƯƠNG VII: KẾT LUẬN, HẠN CHẾ VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN…….41
7.1 Kết luận ...................................................................................................... 41
7.2 Hạn chế:...................................................................................................... 41
7.3 Hướng phát triển ....................................................................................... 41
PHỤ LỤC 1: CODE CỦA THUẬT TOÁN ..................................................... 42
Tài liệu tham khảo: ............................................................................................ 45

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


6

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hình 2. 1: Sơ đồ cấu tạo pin quang điện. .................................................................. 8
Hình 2. 2: Nguyên lý hoạt động pin quang điện ....................................................... 9
Hình 2. 3: Hai mức năng lượng E1>E2..................................................................... 9
Hình 2. 4: Các vùng năng lượng ............................................................................... 10
Hình 2. 5: Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V và P-V của pin quang điện STP24020/Wde, SUNTECH .................................................................................................... 12
Hình 2. 5 (t-t): Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V và P-V của pin quang điện STP24020/Wde, SUNTECH .................................................................................................... 13

Hình 3. 1: Hệ thống pin mặt trời nối lưới. ................................................................13
Hình 3. 2: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng MPPT ........................................................14

Hình 3. 3: Sơ đồ Push-Pull Converter .......................................................................16
Hình 3. 4: Mạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu ..............................................................17
Hình 3. 5: Dạng sóng điện áp ngõ ra .........................................................................18

Hình 4. 1: Sơ đồ khối thuật toán PO .........................................................................21
Hình 4. 2: Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu nối lưới 1 pha. ...............................................23
Hình 4. 3: Bộ nghịch lưu nối lưới 1 pha với bộ điều khiển PR ................................. 23
Hình 4. 4: Hệ thống pin mặt trời nối lưới .................................................................25

Hình 5. 1: Đáp ứng dòng điện ngõ ra Iivt theo tín hiệu đặt Iref khi f=50Hz. ..........26
Hình 5. 2: Khi tần số lưới f=51Hz ............................................................................27
Hình 5. 3: Khi tần số lưới f=49Hz. ...........................................................................27
Hình 5. 4: Biên độ điện áp lưới thay đổi theo thời gian ............................................28
Hình 5. 5: Đáp ứng của dòng điện ngõ ra Iivt khi biên độ điện áp lưới thay đổi
(Ug=220) ...................................................................................................................28
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


7

Hình 5. 6: Đáp ứng toàn hệ thống khi độ rọi thay đổi với thuật toán PO. ...............29
Hình 5. 7: Thuật toán PO khi độ rọi thay đổi ............................................................30
Hình 5. 8: Thuật toán PO khi nhiệt độ thay đổi ........................................................31

Hình 6. 1: Sơ đồ ngoại vi của TMS320F28335 .......................................................... 35

DANH SÁCH BẢNG SỐ LIỆU
Bảng 5. 1: Hiệu suất của phương pháp PO khi chịu ảnh hưởng của độ rọi. ............. 30

Bảng 5. 2: Hiệu suất của phương pháp PO khi chịu ảnh hưởng của nhiệt độ . ........ 31
Bảng 6. 1: Bảng PORTA(GPIO0-GPIO31). ............................................................. 36
Bảng 6. 2: Bảng PORTB(GPIO32-GPIO63). ........................................................... 37
Bảng 6. 3: Bảng PORTC(GPIO33-GPIO87). ........................................................... 38
Bảng 6. 4: Các dạng file và vai trò trong CCS. ......................................................... 40

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


8

1.1
-

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ ĐỒ ÁN MÔN HỌC:
Nhiệm vụ của đồ án môn học:
Tìm hiểu pin quang điện.
Dùng psim mô phỏng bộ solar micro inverter nối lưới.
Khảo sát phương pháp điều khiển MPPT (phương pháp PO).
Tìm hiểu DSP28335

CHƯƠNG II: PIN QUANG ĐIỆN (PV)
2.1

Cấu tạo pin quang điện:
Pin quang điện là thiết bị sử dụng vật liệu bán dẫn để chuyển hóa quang năng thành
điện năng, do đó kỹ thuật chế tạo pin quang điện rất gần với kỹ thuật chế tạo linh kiện bán
dẫn như transistor, diode,…Vật liệu cơ bản để chế tạo pin quang điện cũng như các loại

linh kiện bán dẫn khác, thường là tinh thể silicon tinh khiết thuộc nhóm IV trong bảng
phân loại tuần hoàn và được thêm vào Boron (B) hay phosphorous (P), thuộc nhóm III và
nhóm V. Galium và arsenic được dùng để tạo ra vật liệu quang điện GaAs, còn cadmium
và tellurium dùng để tạo ra vật liệu quang điện CdTe. Hầu hết vật liệu pin quang điện sử
dụng bán dẫn silic và hai loại pin quang điện chiếm thị phần lớn nhất là pin quang điện
silicon monocrystalline (đơn tinh thể) và polycrystalline (đa tinh thể).

Hình 2. 1: Sơ đồ cấu tạo pin quang điện.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


9

2.1.1.

Nguyên lý hoạt động:

Hình 2. 2: Nguyên lý hoạt động pin quang điện
Thông thường điện tử chiếm mức năng lượng thấp hơn E2. Khi được chiếu sáng,
lượng tử ánh sáng (photon) mang năng lượng hv ( h là hằng số Plank và v là tần số ánh
sáng) bị điện tử hấp thụ và chuyển lên múc E1.

Hình 2. 3: Hai mức năng lượng E1>E2
Phương trình cân bằng năng lượng: hv = E1 –E2
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC



10

Trong tế bào quang điện gồm rất nhiều mức năng lượng con rất sát nhau tạo thành vùng
năng lượng. Vùng năng lượng thấp bị các điện tử chiếm đầy khi ở trạng thái cân bằng gọi
là vùng hóa trị mà mức bên trên của nó có năng lượng Ev. Vùng năng lượng phía trên tiếp
đó hoàn toàn trống hoặc chỉ bị chiếm một phần gọi là vùng dẫn, mức bên dưới của vùng
dẫn có năng lượng EC, cách ly giữa vùng hóa trị và vùng dẫn đó gọi là một vùng cấm có
độ rộng năng lượng là Eg, trong đó không có mức năng lượng cho phép nào của điện tử.
Khi ánh sáng chiếu đến tế bào quang điện có vùng năng lượng nói trên, photon có
năng lượng hv bị điện tử của vùng hóa trị hấp thụ và nó có thể chuyển lên vùng dẫn để trở
thành điện tử tự do e, lúc này vùng hóa trị sẽ có một lỗ trống có thể di chuyển như “hạt”
mang điện tích nguyên tố ( kí hiệu là h+). Lỗ trống này có thể di chuyển và tham gia quá
trình dẫn điện.

Hình 2. 4: Các vùng năng lượng
Vậy khi chiếu sáng vào tế bào quang điện, điện tử ở vùng hóa trị thấp hấp thụ năng
lượng photon hv và chuyển lên vùng dẫn tạo ra cặp hạt dẫn điện tử - lỗ trống e-h, tức là
tạo ra một điện thế. Hiện tượng đó gọi là hiện tượng quang điện bên trong.
Nguyên lý hoạt động của pin mặt trời chính là hiện tượng quang điện xảy ra trên lớp
tiếp xúc p-n.
Một photon chỉ cần có năng lượng lớn hơn năng lượng đủ để kích thích electron lớp
ngoài cùng dẫn điện, nên phần lớn năng lượng mặt trời lớn hơn mức cần thiết (1,12eV với
silic) được chuyển thành nhiệt năng.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC



11

ĐẶC TÍNH PIN QUANG ĐIỆN

2.2
2.2.1-

Đặc tính I-V ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn

Vì đặc tính I-V của pin quang điện thay đổi theo độ chiếu nắng và nhiệt độ của
pin, nên để có thể so sánh các module pin quang điện khác nhau, nhà sản xuất thường
cung cấp số liệu về đặc tính pin ở điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn (STC- Standard
Test Condition). Điều kiện tiêu chuẩn này bao gồm: pin được chiếu sáng với ánh sáng
mặt trời có công suất chiếu sáng là 1kW/m2 (tương ứng với air-mass ratio là 1,5 – AM
1.5), và nhiệt độ của pin là 25oC (lưu ý đây là nhiệt độ của tế bào quang điện, không
phải nhiệt độ môi trường). Những thông số của pin được cung cấp trong điều kiện thử
nghiệm tiêu chuẩn thường là: ISC, VOC, công suất cực đại của pin Pmax, v.v.... Ví dụ về
thông số kỹ thuật của một pin quang điện thực tế (STP240-20/Wde, SUNTECH) được
cho trong hình 2.6.
Cần lưu ý là với độ chiếu nắng cho trước, công suất ra của pin phụ thuộc vào đặc
tính tải và sẽ đạt giá trị công suất cực đại gần điểm cánh chỏ (knee-point) của đặc
tính I-V. Đặc tính I-V và P-V (công suất theo điện áp ra) của pin quang điện
STP240-20/Wde với các độ chiếu nắng khác nhau cho trên hình 2.6.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


12


Hình 2. 5: Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V và P-V của pin quang điện
STP240-20/Wde, SUNTECH.
➔

Đây cũng là thông số mà đồ án môn học chọn để thực hiện mô phỏng trên phần

mềm psim .

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


13

Hình 2. 5(t-t): Thông số kỹ thuật và đặc tính I-V và P-V của pin quang
điện STP240-20/Wde, SUNTECH.

CHƯƠNG III: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
3.1-Hệ thống pin mặt trời nối lưới:

Photovoltaic
Panel

DC-DC Boost Single Phase
With MPPT
Inverter

Grid


Solar Micro Inverter
Hình 3.1: Hệ thống pin mặt trời nối lưới.
Hệ thống pin mặt trời như hình 3.1 gồm một tấm PV có công suất 240W, một bộ biến đổi
điện áp DC/DC và bộ nghịch lưu. Từ một tấm PV phát ra dòng và áp đi qua bộ biến đổi
DC-DC đề tăng điện áp rồi qua bộ biến đổi DC-AC để phát ra dòng điện sin để hòa lưới
.Tuy nhiên không phải lúc nào tấm PV cũng phát ra công suất ổn định (công suất cực
đại) vì thế để tấm PV luôn hoạt động tốt và phát ra công suất tối ưu ta phải dùng các thuật
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


14

toán MPPT ( tìm điểm công suất cực đại) ngoài ra khi thiết kế bộ nghịch lưu nối lưới ta
cũng phải tìm phương án làm cho khi nối lưới dòng Iivt luôn được bám theo Iref dù điều
kiện lưới thay đổi.Và dưới đây ta sẽ làm làm rõ hơn các phương pháp điều khiển nói trên.
.
Sơ đồ hóa hệ thống trên, ở hình 3.2 mô tả đơn giản khối điều khiển và phần cứng.

PV System

Vpc, Ipv

DC/DC Converter

DC/AC Converter

PWM Generator


PWM Generator

Duty Cycle

Vdc

U control

Grid

I inverter Vgrid

PR Controller

MPPT

I reference

Controller
Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống sử dụng MPPT.
Có nhiều yếu tố ảnh hưởng tới công suất ra của tấm pin ví dụ như: nhiệt độ, ánh
sáng... Để tấm pin luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại (Maximum Power Point –
MPP) với các thay đổi khác nhau của môi trường như là nhiệt độ, độ rọi,…đòi hỏi các bộ
biến đổi phía sau phải được trang bị thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT), thuật
toán này để giúp tấm pin luôn hoạt động tại điểm công suất cực đại bất chấp sự thay đổi
của môi trường. Có nhiều thuật toán MPPT khác nhau nhưng đa phần dựa trên việc hồi
tiếp điện áp, công suất của hệ thống để so sánh trong quá trình làm việc liên tục về bộ điều
khiển để tìm điểm công suất cực đại. Trong đồ án này sẽ tìm hiểu các thuật toán MPPT
đơn giản và phổ biến như Perturb and Observe (P&O), Incremental Conductance (INC) và

Fractional Open Circuit Voltage (FOCV). Trong đồ án này ta sẽ dùng phương pháp P&O.

Bộ Solar micro Inverter nối lưới được sử dụng để chuyển toàn bộ công suất nhận
được từ tấm PV để biến đổi thành tín hiệu dòng điện đẩy hết lên lưới. Do đó, bộ nghịch lưu
(DC/AC Converter) có nhiệm vụ phát một dòng điện sin lên lưới. Biên độ dòng sin này
được quyết định bởi điện áp ngõ vào bộ nghịch lưu.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


15

Thông số kỹ thuật khi thiết kế hệ thống pin mặt trời nối lưới:
Output:PV;30V
Output: DC-DC:350-380V
Output:DC-AC:0.1-1V
Power:240W
Sampling time:10ms

3.2-Bộ biến đổi điện áp một chiều (DC-DC):
- Ở đồ án này ta dùng bộ biến đổi điện áp một chiều là bộ Push – Pull Converter.
Ta chọn bộ Push – Pull Converter vì hệ thống pin mặt trời của ta là một hệ thống có
công suất nhỏ ,điện áp ra của tấm PV rất thấp ,cho nên để phát lên lưới ta cần hệ số
biến đổi rất lớn, vì thế ta sử dụng mạch cách ly .Tuy nhiên để đạt được hiệu quả song
song khi tải có điện áp lớn hơn điện áp hệ thống ta dùng mạch tăng áp và ngược lại ta
dùng mạch giảm áp thì vì thế ta nên sử dụng mạch Push – Pull Converter cho hệ
thống này.
*Cơ sở lý thuyết về Push-pull Converter:
Trong trạng thái xác định, khi Q1 đóng trong khoảng thời gian TON (B), cuộn NP1 có

điện áp, diode D5 bị phân cực ngược do ngược chiều dòng và diode D6 phân cực thuận.
Do đó, diode D6 dẫn dòng qua phía NS2, đi qua cuộn L, làm dòng IL tăng lên đến IL2
(D). Sau đó hết thời gian TON, cả Q1 và Q2 đều đóng trong TOFF, cuộn L sẽ phóng năng
lượng đi qua 2 diode D6 và D5, mỗi diode dẫn ½ dòng điện, đi qua 2 cuộn NS1, NS2 tạo ra
2 điện thế cùng độ lớn nhưng ngược chiều nhau, khiến điện thế trên cả cuộn thứ cấp bằng
không. Điện áp VL bằng âm của giá trị điện áp Vout. Giá trị dòng IL giảm từ IL2 xuống
IL1(D).
Khi qua nửa chu kỳ tiếp theo, Q2 đóng trong khoảng thời gian TON (B), cuộn NP2 có
điện áp, diode D6 phân cực ngược và D5 phân cực thuận. Dòng điện được diode D5 dẫn
qua cuộn L từ cuộn NS1, làm dòng IL tăng từ IL1 lên IL2. Tiếp tục, Q2 và Q1 đóng trong
TOFF.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


16

Hình 3.3: Sơ đồ Push – Pull Converter.

Điện áp ngõ ra được tính theo công thức:

V = 2 D 
out

NS
NP

V

out
V  V =
in
in 2  D  NNS  V
P
in

Ở đây, chọn thông số các phần tử như sau:
Tần số đóng cắt của FET: Fs = 50 KHz
Cuộn cảm: L = 50 mH
Tụ điện: 1.2 mF
Diode lý tưởng: VD = 0.7 V
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


17

Máy biến áp:
R1 = R’2 = R3 = R’4 = 0.1 mΩ
X1 = X’2 = X3 = X’4 = 1 uΩ
Xm = 100 m Ω
NS : NP = 20
Duty Cycle: D = 0.3
3.3 - Bộ nghịch lưu cầu 1 pha:
-

Đồ án sẽ sử dụng bộ nghịch lưu 1 pha kiểu cầu điều khiển kiểu PWM với điện áp
đóng ngắt đơn cực (2-arm bridge (4 pulse)) như hình 3.5:


Hình 3.4: Mạch nghịch lưu 1 pha kiểu cầu.

Với phương pháp điều chế này, hai nhánh cầu của bộ nghịch lưu sẽ được điều khiển
riêng biệt. Nhánh A sẽ được đóng cắt bằng cách so sánh điện áp điều khiển u control với
sóng mang utri , và nhánh B sẽ được đóng cắt bằng cách so sánh điện áp điều khiển –
ucontrol với sóng mang utri.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


18

ucontrol > utri : S1 ON và S4 OFF ucontrol < utri : S1 OFF và S4 ON
Tương tự:
-ucontrol > utri : S3 ON và S2 OFF
-ucontrol < utri : S3 OFF và S2 ON
Dạng sóng điện áp ngõ ra như hình 3.5 : ( để đơn giản, trên hình chỉ vẽ dạng sóng điều
khiển S1, S3. Dạng sóng điều khiển S4 là nghịch đảo của dạng sóng S1, và dạng sóng S2 là
nghịch đảo của dạng sóng S3).

Hình 3.5: Dạng sóng điện áp ngõ ra.
Điện áp ngõ ra uo của bộ nghịch lưu:

u0 = u A0 − uB 0
Điện áp ngõ ra uo đóng ngắt quanh giá trị U và 0 hoặc –U và 0, kết quả là tần số đóng
ngắt của điện áp ra uo có thể xem là gấp đôi tần số đóng ngắt của mỗi nhánh cầu.
Đồ án sẽ sử dụng bộ nghịch lưu nguồn áp với điên áp đầu vào Uo là không đổi và điều

khiển dòng điện ngõ ra Iiv.
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


19

CHƯƠNG IV: THUẬT TOÁN TÌM ĐIỂM CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI (MPPT) VÀ
THUẬT TOÁN NỐI LƯỚI CHO NGHỊCH LƯU
4.1-Thuật toán tìm điểm công suất cực đại:
-

MPPT là một thuật toán đáp ứng theo điều kiện môi trường để làm sao dịch chuyển
được điểm làm việc của tấm pin mà tại đó công suất phát ra từ tấm PV là tối đa.
MPPT rất đa dạng, đa dạng từ độ phức tạp, cách điều khiển, các biến khiển và cả
giá thành. Theo như sự tìm hiểu hiểu của nhóm thì MPPT có 3 thuật toán: Perturb
and observe (P&O), Incremental Conductance (INC), Fractional Open Circuit
Voltage (FOCV). Tuy nhiên trong đồ án này ta sẽ dùng thuật toán P&O.

-

Thuật toán P&O rất nhạy khi môi trường thay đổi, ví dụ như mây rải rác che phủ
tấm pin,đây chính là điểm mạnh của phương pháp này vì nó đáp ứng rất tốt với
điều kiện môi trường thay đổi, điểm làm việc sẽ được thay đổi liên tục để thích
nghi. Một vấn đề nữa chính là độ thay đổi điện áp. Ở đây, việc thay đổi điện áp
được thực hiện gián tiếp qua duty cycle (D). Độ thay đổi D (delta D) của ta nếu lựa
chọn đúng sẽ làm tăng đáp ứng, giảm thời gian xác lập, tăng ổn định cho hệ thống.

4.1 .1-Thuật toán Perturb and Observe (P&O)

Theo sơ đồ khối thuật toán P&O tại hình 4.3, điện áp sẽ được thay đổi một lượng nhỏ.
Sau đó 2 công suất trước và sau khi thay đổi sẽ được so sánh, nếu P2 lớn hơn P1 thì chiều
thay đổi V đã đúng, nếu P2 nhỏ hơn P1, thì phải đổi ngược lại. Sau một vài chu kỳ, điện
áp tại điểm làm việc công suất cực đại VMPP và công suất cực đại sẽ được tìm thấy.
Như đã nói ở trên độ thay đổi D (delta D) của ta nếu lựa chọn đúng sẽ làm tăng đáp
ứng, giảm thời gian xác lập, tăng ổn định cho hệ thống. Có 2 hướng là delta D cố định và
delta thay đổi được.
Delta D cố định: Với hướng này, thời gian lập trình ngắn, đơn giản hơn. Việc nghiên
cứu môi trường để chọn delta D là cần thiết, thích hợp cho từng vùng miền mà sự biến đổi
của môi trường là lớn hay nhỏ. Tuy nhiên, khi đạt được trạng thái gần xác lập, do delta D
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


20

cố định, hệ thống sẽ bị dao động quanh điểm công suất cực đại.
Delta D thay đổi được (Hill Climbing): Delta d được tính toán qua mỗi chu kỳ bằng
một hằng số nhân với độ thay đổi của công suất. Tùy vào sự thay đổi công suất nhiều hay
ít mà độ thay đổi duty cycle lớn hay nhỏ. Hướng này yêu cầu phải chọn được hằng số
nhân vào, tương tự như cách trên, việc nghiên cứu môi trường là cần thiết, nhưng nếu sử
dụng phương pháp thử và sai sẽ giản đơn quá trình. Tức nghĩa là, hằng số được chọn qua
những lần mô phỏng sao cho đáp ứng bám theo công suất cực đại mà từng điều kiện môi
trường cho phép.
Tùy chiều thay đổi công suất và điện áp mà tăng hay giảm delta D. Cụ thể hơn, khi
công suất theo chiều tăng, duty cycle được thay đổi đúng với hướng mà điện áp thay đổi
(nếu điện áp tăng, duty cycle sẽ tăng để điện áp tăng nữa và ngược lại). Ngược lại, khi
công suất giảm, duty cycle được thay đổi sao cho ngược hướng chiều điện áp thay đổi (nếu
điện áp tăng, duty cycle sẽ thay đổi để điện áp giảm và ngược lại).

•

Công thức chi tiết:
Với mạch Push -Pull Converter:

V
out
V
= 2  D  NNPS  V  V =
out
in
in 2  D  NN S  V
P
in
Tụ ngõ ra lớn để ổn áp ngõ ra, vậy khi duty cycle tăng thì Vin giảm và ngược lại.
• Khi công suất thay đổi:
dV
dV
dP
 0 → V → d  hoặc
 0 và
 0 → 𝑉𝑖𝑛 ↓→ 𝑑 ↑
in
dt
dt
dt
dP
dV
dV
 0 và

 0 → V → d  hoặc
 0 → 𝑉𝑖𝑛 ↑→ 𝑑 ↓
in
dt
dt
dt

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


21

Sơ đồ khối của thuật toán PO:

Hình 4.1: Sơ đồ khối thuật toán PO.

4.2- Phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu 1 pha:
Ngõ ra của bộ nghịch lưu có 2 đại lượng cần quan tâm đến đó là điện áp ngõ ra bộ
nghịch lưu (U0) và dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu (Iivt) .
Giả sử chọn điều khiển điện áp U0 thì khi hòa lưới với hệ thống lưới có điện áp cố
định không đổi nên không thể điều khiển điện áp ngõ ra được, không thể hồi tiếp điện áp
vì khi đó tín hiệu đặt sẽ bằng giá trị điện áp lưới tuy vẫn đóng công suất lên lưới được
nhưng không thể điều khiển công suất đó được. Còn nếu khi không hòa lưới thì mới điều
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC



22

khiển điện áp U0 để điện áp của hệ thống ổn định.Vì vậy ở đây đồ án sẽ thiết kế để điều
khiển dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu Iivt theo dòng điện đặt mong muốn Iref bằng
cách hồi tiếp dòng điện Iivt về so sánh với dòng điện Iref được tạo ra bằng cách hồi tiếp
điện áp lưới về tính toán trong khối chức năng 1_sine_phase của hệ thống.

4.2.1- Khảo sát phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng (Proportional ResonantPR):
- Phương pháp điều khiển tỷ lệ cộng hưởng (Proportional Resonant-PR):
Bộ nghịch lưu có trách nhiệm cho việc chuyển điện áp từ DC sang AC và giữ cho năng
lượng được đủ chất lượng để nối lưới. Bộ nghịch lưu cũng phải đáp ứng tốt khi có sự thay
đổi hay mất ổn định của hệ thống.
Proportional Resonant-type (PR) được sử dụng rộng rãi cho điều khiển bộ chỉnh lưu nối
lưới 1 pha công suất nhỏ bởi vì khả năng đạt được sai số xác lập về không một cách nhanh
chóng và có cấu hình đơn giản, dễ thiết kế.
Bộ điều khiển PR được thiết kế và thực hiện theo nhiều cách nhưng ở đây đồ án sẽ thiết
kế để điều khiển dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu Iivt theo dòng điện đặt mong muốn
Iref bằng cách hồi tiếp dòng điện Iivt về so sánh với dòng điện Iref được tạo ra bằng cách
hồi tiếp điện áp lưới về tính toán trong khối chức năng 1_sine_phase của hệ thống, để tính
sai số giữa 2 tín hiệu, sau đó sai số này được đưa qua 2 khâu hiệu chỉnh H 1(s), H2(s) để
được điện áp ra ucontrol, điện áp ucontrol được so sánh với sóng tam giác utri có tần số
đóng ngắt là fsw=20kHz và có biên độ là 1 để tạo ra xung PWM riêng biệt để đưa vào cực
Gate đóng ngắt cho từng con IGBT. Điện áp và dòng điện ngõ ra sẽ được lọc bớt thành
phần sóng hài bởi bộ lọc RL và sau đó nối lưới.
-Thông số của mạch lọc RL:
R=0.1Ω
L= 20mH
ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC



23

Sơ đồ nguyên lý mạch nghịch lưu nối lưới như hình 4.2:

Hình 4.2: Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu nối lưới 1 pha.

Hình 4.3 là cấu trúc cơ bản của bộ điều khiển PR hồi tiếp và điều khiển dòng điện
cho hệ thống với H1(s) là khâu cộng hưởng ở tần số cơ bản và H2(s) là khâu tỷ lệ cộng ở
tần số sóng hài bậc cao.

Hình 4.3: Bộ nghịch lưu nối lưới 1 pha với bộ điều khiển PR.
Với:
i-Iivt là dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu iref-Iref là dòng điện đặt
•

Khâu H1(s) là để hiệu chỉnh tín hiệu dòng đặt, và bao gồm làm suy giảm những họa âm
cộng hưởng ở tần số cơ bản được mô tả bằng:
H (S ) =
1

•

2kw s
0
2
2
s + 2 w 0s + w 0


Khâu H2(s) là khối bù cho thành phần sóng hài của dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu:

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


24

h

H (S ) = 1 + 
2
n =3

k 2 nw s
n
0
2
2
s + 2 w 0s + (nw 0 )

Độ lợi k được chọn dựa vào biên độ pha PM (Phase Margin) yêu cầu.
 được chọn sao cho góc của hệ số công suất không vượt quá 2.60 cho tất cả các tần

số nằm trong khoảng cho phép. Cụ thể chọn  = 0.001
Để nghiên cứu tác động của độ lợi H2(s) lên hiệu suất điều khiển của hệ thống thì đồ
án sẽ xem xét cấu trúc PR thông thường được mô tả bởi 2 khối hàm truyền :

H (S ) =

1

2kw s
0
và H 2 ( s) = K 
2
2
s + 2 w 0s + w 0

với K và  là độ lợi của bộ điều khiển PR. Giá trị  sẽ được chọn dựa trên tài liệu
tài liệu tham khảo.
Bộ thông số của H1(s) và H2(s) dùng để mô phỏng khi chọn K=50 và  =1:
H (S ) =
1

2*50* 2 *50 s

s

2

+ 2*0.001* 2 *50 s + (2*50)

2

=

10000s

s


2

+ 0.2s + 98696

H 2 ( s) = 50*1 = 50

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC


25

4.3- Hoàn thiện mô phỏng hệ thống pin mặt trời nối lưới trên psim:

Hình 4. 4:Hệ thống pin mặt trời nối lưới
Nhận xét: Như vậy psim có thể mô phỏng toàn bộ hệ thống pin mặt trời nối lưới
công suất nhỏ như trên.Chđo ra đáp ứng thuật toán MPPT mong muốn gần bằng 1 và
bám theo khi nhiệt độ và độ rọi thay đổi ,dòng điện lưới cùng pha với điện áp lưới.

ĐỒ ÁN MÔN HỌC

GVHD: THS. TÔ HỮU PHÚC