ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHẠM THÀNH TRUNG

ĐỀ TÀI:
THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG, LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC
CỦA PIN MẶT TRỜI CHO TẢI MỘT CHIỀU
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60520202
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ: KỸ THUẬT ĐIỆN

Đà Nẵng - Năm 2018


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS. Dương Minh Quân

Phản biện 1: TS. Trịnh Trung Hiếu
Phản biện 2: TS. Vũ Phan Huấn

Luận văn sẽ được bảo vệ trước
Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ
Trường Đại học Bách khoa- Đại học Đà Nẵng

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
Trung tâm Học liệu và Truyền thông,
Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU
1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Ngày nay, khi các vấn đề ô nhiễm môi trường gây ảnh hưởng
đến sức khỏe con người, nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, …) ngày
càng cạn kiệt, đòi hỏi chúng ta phải thay đổi hướng phát triển và tìm
cách khai thác tối đa nguồn năng lượng tái tạo (mặt trời, gió, …).
Với những ưu điểm nổi bật như: vô tận, sạch, có sẵn; năng lượng tái
tạo càng được ứng dụng rộng rãi trên hầu hết các nước trên thế giới.
Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm kể trên, chúng cũng có nhiều
hạn chế về hiệu suất làm việc và chịu ảnh hưởng nhiều bởi các điều
kiện thời tiết: bức xạ, nhiệt độ…. Vì vậy các bộ biến đổi điện tử công
suất cần được tích hợp kèm theo phương pháp điều khiển.
Một số bộ chuyển đổi DC/DC không thể đảm bảo khả năng
hoạt động liên tục để cung cấp năng lượng cho phụ tải, điển hình là
bộ giảm áp DC/DC. Khi điện áp đầu vào thấp hơn mong muốn ở đầu
ra, thì bộ chuyển đổi này không thể hoạt động nếu như tải một chiều
yêu cầu điện áp cao hơn mức có thể biến đổi, có thể thấy rõ nhất là
khi ánh sang yếu (buổi tối, pin bị che khuất nhiều). Do đó cần có một
bộ chuyển đổi DC/DC trong mọi điệu kiện ánh sáng và vẫn phải đảm
bảo độ ổn định điện áp đầu ra cung cấp cho các tải 1 chiều.
Để giải quyết vấn đề này, tôi đã chọn đề tài: “Thiết kế, mô
phỏng, lắp đặt bộ tăng áp DC/DC của pin mặt trời cho tải một
chiều”.
Nội dung luận văn tập trung thiết kế tìm ra các thông số của
mạch tăng áp, mô phỏng trên phần mềm Matlab/Simulink. Từ đó, bộ
điều khiển PI được thiết kế để điều khiển và đảm bảo sự ổn định điện
áp đầu ra của mạch tăng áp DC/DC. Một mô hình mạch tăng áp

DC/DC được lắp đặt cho thấy khả năng hoạt động thực tế.


2.

MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Tính toán lựa chọn các thông số phù hợp cho mạch tăng áp

DC/DC. Thiết kế bộ điều khiển. Phân tích kết quả thông qua việc mô
phỏng bằng phần mềm. Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC thực tế
3.

ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
-

3.1. Đối tượng nghiên cứu
Cách chọn lựa thông số của mạch tăng áp DC/DC;
Sơ lược thuật toán bắt điểm công suất cực đại của pin mặt
trời;
Bộ điều khiển mạch tăng áp;
Lắp mạch thực tế.

3.2. Phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu một số thuật toán bắt điểm công suất cực đại của
pin mặt trời
- Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển PI;
- Thiết kế lắp đặt bộ tăng áp DC/DC;
-

4.


PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Đề tài “Thiết Kế, Mô Phỏng, Lắp Đặt Bộ Tăng Áp DC/DC của

pin mặt trời cho tải một chiều” tập trung nghiên cứu và mô phỏng
mạch chuyển đổi Boost và áp dụng phương pháp điều khiển PI để
đưa ra điện áp đầu ra như mong muốn gần giống với thực tế. Đề tài
được xây dựng dựa trên ứng dụng cho hệ thống điện mặt trời. Các
mạch tính toán thiết kế được kiểm tra tính đúng đắn bằng phương
pháp mô phỏng trên công cụ toán học Matlab/Simulink, sau đó thực
hiện lắp đặt bộ tăng áp DC/DC.
5.

Ý NGHĨA KHOA HỌC VÀ THỰC TIỄN CỦA ĐỀ TÀI
Ý nghĩa khoa học: Ứng dụng trong các nghiên cứu về năng
lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng. Tính toán,
mô hình hóa và lắp đặt mạch tăng áp DC/DC có điều khiển kiểm


chúng giữa lí thuyết và thực tế. Đề tài có khả năng phát triển tạo
thành một bộ chuyển đổi hoàn thiện cho năng lượng mặt trời theo
chiều hướng kết nối với lưới điện.
Tính thực tiễn: Kiểm chứng và đánh giá được khả năng hoạt
động thực tế của mạch tăng áp DC/DC. Có thể ứng dụng cao trong
đời sống: dùng cho đèn đường, đèn tín hiệu, …
6.

BỐ CỤC ĐỀ TÀI
Mở đầu
Chương 1: Tổng quan năng lượng mặt trời và các bộ chuyển đổi

năng lượng
Chương 2: Tính toán thiết kế bộ giảm áp DC/DC
Chương 3: Mô hình hóa, mô phỏng bộ chuyển đổi tăng áp
DC/DC
Chương 4: Xây dựng mô hình bộ giảm áp DC/DC
Kết luận và kiến nghị


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI VÀ
CÁC BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG
1.1 Năng lượng mặt trời tại Việt Nam
1.1.1 Tình hình tổng quát về nguồn năng lượng mặt trời ở
Việt Nam
Năng lượng tái tạo nói chung và năng lượng mặt trời nói riêng
đã được coi trọng trong nhiều thập kỷ qua. Việt Nam nằm trong khu
vực nhiệt đới nên được xem là một quốc gia có tiềm năng rất lớn về
năng lượng mặt trời, đặc biệt ở các vùng miền Trung và miền Nam
của đất nước, với cường độ BXMT trung bình khoảng 5 kWh/m2,
nhờ vào đặc điểm địa lý thuận lợi gần xích đạo cùng với khu vực Tây
Nguyên có độ cao lớn. Trong khi đó cường độ BXMT lại thấp hơn ở
các vùng phía Bắc, ước tính khoảng 4 kWh/m2 do điều kiện thời tiết
bất thuận lợi hơn so với hai miềm còn lại. Ở Việt Nam, BXMT trung
bình 230-250 kcal/cm2 chiếm khoảng 2.000 - 5.000 giờ trên năm, với
ước tính tiềm năng lý thuyết khoảng 43,9 tỷ TOE, lượng BXMT thu
được càng cao khi di chuyển về hướng phía nam [1]. Ở Việt Nam,
Năng lượng mặt trời có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố rộng
rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nước. Đặc biệt, số ngày
nắng trung bình trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng
300 ngày/năm. Năng lượng mặt trời được khai thác sử dụng chủ yếu
cho các mục đích như: sản xuất điện và cung cấp nhiệt. Với tất cả

những điều kiện thuận lợi đó, chính phủ Việt Nam ngày càng có
nhiều hành động khuyến khích phát triển loại hình năng lượng này.
Quyết định số 428/QĐ-TTg ngày 18 tháng 3 năm 2016 phê duyệt
điều chỉnh Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia giai đoạn 2011 -


2020 có xét đến 2030, cụ thể: tăng công suất lắp đặt điện mặt trời lên
khoảng 850 MW vào năm 2020; khoảng 4.000 MW vào năm 2025
và khoảng 12.000 MW vào năm 2030. Ngoài ra, thông tư
16/2017/TT-BCT ban hành ngày 12/9/2017, Quyết định số
11/2017/QĐ-TTg về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện
mặt trời tại Việt Nam. Ngoài ra còn nhiều chính sách ưu tiên về sử
dụng toàn bộ lượng công suất do các nhà máy năng mặt trời và gió
phát ra đồng thời nâng cao giá bán điện của năng lượng mặt trời.
1.1.2 Tiềm phát triển về nguồn năng lượng mặt trời ở Việt
Nam
Trên thế giới nói chung và tại Việt Nam nói riêng đang đề xuất
nhiều phương pháp để cố gắn tận dụng tối đa những nguồn lợi mà
nguồn năng lượng này mang lại. Theo đó, NLMT đang được ứng
dụng rộng rãi dưới hai dạng chính là nhiệt mặt trời và điện mặt trời.
- Điện mặt trời: Hiện nay loại hình này ngày càng phát triển
mạnh. Dựa trên hiện tượng quang điện trong, năng lượng
mặt trời dưới dạng bức xạ và nhiệt được hấp thu thông quá
các tấm pin quang điện (PV) chuyển hóa thành điện năng và
được sử dụng trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua các công cụ
hổ trợ biến đổi. Điện mặt trời phát triển với nhiều quy mô
khác nhau, ở đây ta xét quy mô lớn nối lưới, quy mô nhỏ
nối lưới và quy mô nhỏ không nối lưới.
-


Nhiệt mặt trời: Loại hình này được sử dụng phổ biến cho
các thiết bị đun nước nóng hay thiết bị đun bằng tấm thu
nhiệt NLMT, thiết bị sấy NLMT, thiết bị chưng cất nước
dùng NLMT, dùng chạy các động cơ nhiệt (động cơ
Stirling). Đối với các nhà máy điện kiểu nhiệt mặt trời,
nhiệt năng thu được từ các tấm parabol được tập trung tại
tiêu điểm làm nóng chất lỏng (dầu, nước) trải qua nhiêu


công đoạn sinh hơi làm quay tuabin, nhìn chung loại hình
này khá giống với nhà máy nhiệt điện hiện nay.
1.2 Pin Năng Lượng Mặt Trời
1.2.1 Giới thiệu
Pin năng lượng mặt trời (hay còn gọi là pin quang điện-PV)
hoạt động dựa trên hiệu ứng quang điện (là khả năng phát ra điện tử
khi ánh sáng chiếu vào bề mặt vật chất), chuyển đổi năng lượng ánh
sáng mặt trời thành điện năng trong đó tế bào quang điện là phần tử
cơ bản nhất trong hệ thống pin mặt trời.
-

Có 3 loại PV:
Pin Mono đơn tinh thể (Monocrystalline).
Pin Poly đa tinh thể (Polycrystalline).
Pin mặt trời dạng phim mỏng.

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


RS

+

ID
Iph

D

IPV

Rsh

VPV
_

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


1.3 Thuật toán bắt điểm công suất cực đại MPPT
1.3.1 Giới thiệu các thuật toán MPPT
a) Giới thiệu chung
MPPT (Maximum Power Point Tracker) là phương pháp dò tìm
điểm làm việc có công suất tối ưu của hệ thống nguồn điện pin mặt
trời qua việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ
DC/DC.

b) Thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn
nhất MPPT

Thuật toán MPPT được coi là một phần không thể thiếu trong
hệ PV, được áp dụng với mong muốn nâng cao hiệu quả sử dụng của
dãy pin mặt trời. Trong khuôn khổ của luận văn này chỉ sử dụng
thuật toán MPPT với phương pháp P&O.
1.3.2 Thuật toán P&O
Đây là một phương pháp đơn giản và được sử dụng thông dụng
nhất nhờ sự đơn giản trong thuật toán và việc thực hiện dễ dàng.
Thuật toán này xem xét sự tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm
được điểm làm việc có công suất lớn nhất.

Hình 1.1: Đường đặc tính P-V và thuật toán P&O


1.3.3 Thuật toán INC
Phương pháp này cơ bản dựa trên đặc điểm là: độ dốc của
đường đặc tính pin bằng 0 tại điểm MPPT, độ dốc này là dương khi ở
bên trái điểm MPP, là âm khi ở bên phải điểm MPP.Bằng cách so
sánh giá trị điện dẫn tức thời (I/V) với giá trị điện dẫn gia tăng
(V/I∆∆), Thuật toán này sẽ tìm được điểm làm việc có công suất lớn
nhất. Tại điểm MPP, điện áp chuẩn Vref = VMPP.

Hình 1.18: Đường đặc tính PV và thuật toán INC
Bộ điều khiển MPPT sẽ đo các giá trị dòng điện I và điện áp V,
sau đó tính toán độ sai lệch ∆I, ∆V rồi so sánh.
Sau khi các thuật bước so sánh trên đã hoàn thành, bộ điều
khiển sẽ cập nhật các giá trị mới của I và V rồi tiến hành tiếp tục
vòng lặp.
1.4 Các bộ chuyển đổi năng lượng thường được sử dụng cho
nguồn năng lượng mặt trời
1.4.1 Bộ chuyển đổi DC/DC



Bộ giảm áp (Buck);




Bộ tăng áp (Boost);



Bộ đảo dấu điện áp (Buck – Boost).

Việc chọn lựa loại chuyển đổi tùy thuộc và yêu cầu của tải đối
với điện áp ra của hệ PV.
1.4.2 Bộ chuyển đổi DC/AC
Bộ chuyển đổi DC/AC là các thiết bị điện tử hoặc các mạch có
khả năng biến một điện áp một chiều thành một điện áp xoay chiều
có giá trị tần số thay đổi được tùy thuộc vào luật đóng mở các van
bán dẫn.
1.4.3 Bộ chuyển đổi AC/AC
Bộ biến đổi điện áp xoay chiều AC/AC được sử dụng để thay
đổi giá trị hiệu dụng của điện áp ngõ ra. Nó được mắc vào nguồn
xoay chiều dạng sin với tần số và trị hiệu dụng không đổi và tạo ở
ngõ ra điện áp xoay chiều có cùng tần số nhưng trị số hiệu dụng có
thể thay đổi được.


CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BỘ TĂNG ÁP DC/DC
2.1 Giới thiệu chung về bộ chuyển đổi DC/DC

Bộ chuyển đổi DC/DC sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện
một chiều như các thiết bị điện tử hay các động cơ một chiều. Chúng
có nhiệm vụ biến đổi các nguồn điện một chiều có điện áp không
thông dụng thành nguồn điện một chiều ổn định thông dụng cho các
tải một chiều.
VDC-vào
PV

VDC-ra
Phụ tải

Hình 2.1: Sơ đồ khối tổng quát về bộ chuyển đổi DC/DC
2.1.1 Phân loại các bộ chuyển đổi
Dựa trên chức năng của từng mạch có thể phân thành 3 loại như
đã nói ở trên:
-

Mạch giảm áp;

-

Mạch tăng áp;

-

Mạch đảo dấu điện áp.
2.1.2 Cấu trúc chi tiết và nguyên lý hoạt động
a) Mạch tăng áp

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý của mạch tăng áp



Mạch tăng áp làm việc luân phiên ở 2 trạng thái: khóa S đóng
và khóa S mở. Hai trạng thái thay đổi liên tục theo chu kỳ TS:
𝑇 =𝑇 +𝑇
(2.1)
Trong đó:
- Ton: Thời gian khóa S đóng
-

𝑉 =

Toff: thời gian khóa S mở
𝑉
=
1−𝐷

𝑉
1−

(2.5)

Trong đó:
-

Vo (V): điện áp đầu ra

-

Vin (V): điện áp đầu vào


-

𝐷=

-

I0 (A): dòng điện đầu ra

-

∆𝐼 (A): dao động của dòng điện qua cuộn
cảm L

: hệ số làm việc của khóa S

b) Mạch tăng áp
c) Mạch đảo dấu điện áp
2.2 Mạch điều khiển cho bộ chuyển đổi DC/DC
2.2.1 Giới thiệu các phương pháp điều khiển
a) Điều khiển theo phương pháp điều chỉnh độ rộng
xung PWM
b) Điều khiển theo phương pháp xung - tần
2.2.2 Phương pháp điều khiển PID
a) Giới thiệu
Bộ điều khiển PID - Proportional Integral Derivative là một cơ
chế phản hồi vòng điều khiển tổng quát được sử dụng rộng rãi trong


các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ điều

khiển được sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi.
Giải thuật tính toán bộ điều khiển PID bao gồm 3 thông số riêng
biệt, do đó đôi khi nó còn được gọi là điều khiển ba khâu: các giá
trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt là P, I, và D. Bằng cách điều
chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển
có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt.
b) Các khâu chính của PID
 Khâu tỉ lệ
 Khâu tích phân
 Khâu vi phân
c) Các phương pháp nhân tích PID
Trong phạm vi nghiên cứu của luận văn, phương pháp Ziegier –
Nichols và điều chỉnh thủ công được chọn lựa để thiết kế bộ điều
khiển.
2.3 Thiết kế bộ tăng áp DC/DC
2.3.1 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động

Hình 2.18: Sơ đồ mạch điện bộ giảm áp
(a) Sơ đồ mạch điện bộ giảm áp trạng thái 1; (b) Sơ đồ mạch điện bộ
giảm áp trạng thái 2


2.3.2 Mô hình toán học bộ tăng áp Boost theo phương pháp
trung bình không gian trạng thái
U =U
U = (1 − D)RI
U =

(
(


)
)

(2.24)

(R + r )

Do hệ số điều chế ở điểm làm việc xác lập 0 ≤ D < 1, theo
(2.24) ta thấy mang đặc điểm tăng áp rõ rệt.
2.3.3 Tính toán các phần tử của bộ giảm áp
Theo nguyên lý hoạt động đã đề cập ở mục 2.1.2, ta có được
điều kiện chọn cuộn cảm theo công thức sau [13] (boost texzach):
𝑉 −𝑉
𝐿≥
(2.36)
∆𝐼 × 𝑓
Trong đó:
-

Vo(V) là điện áp đầu ra.
Vin (V) là điện áp đầu vào.
fs (Hz) là tần số đóng cắt cài đặt cho khóa điện
tử.

-

∆𝐼 (A) là độ dao động dòng điện đi qua cuộn
cảm. Có thể được ước lượng bằng 20  40%
độ lớn dòng điện đầu ra Io (Io được tính với tải

là điện trở thuần).
(2.37)
∆𝐼 = (0,2 ÷ 0,4) × 𝐼
Tụ điện được thiết lập theo độ dao động điện áp và dòng điện
chạy qua cuộn cảm trong trạng thái khóa S mở:
𝑖 × 𝛿𝑡
(2.38)
𝐶=
𝑢
Xét trong khoảng thời gian nhỏ (1 chu kỳ) và xét thời gian ∆𝑡 =
𝑇 , công thức (2.20) được tính lại như sau::
𝐶≥

∆ × ×
∆

hay 𝐶 ≥

∆ ×
×∆

(2.38)


Trong đó:
-

C(F) là điện dung của tụ điện.

-


∆𝐼 (A) là độ dao động dòng điện đi qua cuộn
cảm, được tính trong công thức (2.19).
fs(Hz) là tần số đóng cắt của khóa điện tử S.

-

∆𝑉 (V) là độ dao động điện áp đầu ra. ∆𝑉 càn
bé thì dạng song đầu ra một chiều càng phẳng.
Dòng điện chuyển mạch lớn nhất được tính:
𝐼 (
∆𝐼
)
(2.40)
𝐼 =
+
2
1−𝐷
Trong đó: ISW là dòng điện chuyển mạch lớn nhất, dựa
vào đây ta có thể chọn lựa thông số của các van bán dẫn. Thông
thường, các van bán bẫn phải có dòng điện làm việc lớn nhất cao hơn
giá trị ISW.
- Iout(max) (A) là độ dòng điện ra cực đại.
Trong luận văn này, bộ chuyển đổi kiểu Boost được thiết kế có
thông số như sau: điện áp nguồn Vin=35V, điện áp ra Vo=60V cho
dòng tải lớn nhất I0=1,5A, tần số chuyển mạch fs=95kHz. Chọn độ
dao động điện áp đầu ra là ∆𝑉 =0,2%.
Độ dao động dòng điện của cuộn cảm: ∆𝐼 = 0,2 × 𝐼 =
0,2 × 1,5 = 0,3(𝐴)
Độ dao điện áp đầu ra: ∆𝑉 = 0,002 × 𝑉 = 0,002 × 60 =

0,12 (𝑉)
Hệ số băm xung: 𝐷 = 1 −

=1−

= 0,4167

Điện dung của tụ điện:
∆𝐼 × 𝐷
0,3 × 0,4167
𝐶≥
=
= 11 (𝜇𝐹)
𝑓 × ∆𝑉
95000 × 0,12
Điện cảm của cuộn dây:
𝑉 −𝑉
60 − 35
𝐿 >
=
= 0,9 (𝑚𝐻)
∆𝐼 × 𝑓
0,3 × 95000


CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG VÀ LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC
3.1 Mô phỏng mạch tăng áp DC/DC và phân tích ảnh hưởng của
các thông số phần tử trong mạch:
3.1.1 Lựa chọn thông số mô phỏng và khiểm tra hoạt động
mạch đơn giản

Dưa trên cơ sở lý thuyết về mô hình toán học và tính toán như
đã trình bày ở trên, một chương trình mô phỏng được thực hiện với
thông số phần tử ban đầu: L=1mH, C=50µF kết hợp với tần số băm
xung fs=95kHz và chỉ dung phương pháp điều khiển PWM với điện
áp đầu vào không đổi, được thể hiện qua hình 3.1

Hình 3.1: Mạch mô phỏng.
3.1.2 Ảnh hưởng của các phần tử đến sự hoạt động của
mạch:
Trong quá trình mô phỏng, điện áp đầu ra vẫn còn dao động khá
lớn. Một số nghiên cứu cho thấy, thông số phần tử L và C phần nào
ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của mạch. Vì vậy, tác giả đã thay
đổi các bộ thống số khác nhau để kiểm tra. Giá trị C được lựa chọn
thay đổi với giá trị lần lượt là 50µF, 100µF, 200µF để giảm mức độ
giao động điện áp, kết quả thu được như hình 3.3.


Hình 3.3: Đồ thị mô phỏng sự thay đổi điện áp đầu ra khi thay đổi
giá trị tụ điện.
Với các giá trị của tụ điện 50µF, 100µF, 200µF tương ứng với
dạng sóng điện áp đầu ra VO1, VO2 và VO3, ta có thể thấy rằng
đường cong điện áp đã sự thay đổi so với thông số ban đầu khi độ
giao động điện áp đã giảm (còn khoảng ±0.1V) tuy nhiên nó lại có
thời gian quá độ khá dài.
3.2 Mô phỏng mạch tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển
PI:
Từ các yêu cầu về tính ổn định điện áp đầu ra, phương pháp
điều khiển PI (bộ điều khiển PI) được kết hợp vào mô hình mô
phỏng như hình 3.4


Hình 3.4. Mach tăng áp kết hợp phương pháp điều khiển PI


Như đã trình bày ở phần 2.2, bộ điều khiển PID được thiết kế
dựa trên phương pháp Ziegier- Nichols và phương pháp dò với hai
khâu điều khiển PI. Trải qua nhiều quá trình mô phỏng với các thông
số mạch, các hệ số được chọn lần lượt Kp=0.02 và Ki=0,5 kết hợp
với thông số phần tử mạch L=1mH, C=100µF

Hình 3.5: Bộ điều khiển PI
Về nguyên tắc điều khiển, tín hiệu lỗi Error(t) được tạo nên từ
hiệu giữa hai tín hiệu điện áp tham chiếu (Vrep) và điện áp đầu ra của
mạch (Vout). Tín hiệu lỗi này sau khi qua bộ điều khiển PI sẽ được
khuếch đại và xử lý sao cho Error(t) tiến đến càng gần giá trị 0 càng
tốt, điều này có nghĩa điện áp đầu ra sẽ được điều khiển tiến về mức
điện áp tham chiếu nhờ vào việc thay đổi tín D (Tín hiệu điều khiển
van - hệ số băm xung). Khi D biến thiên kéo theo sự thay đổi của
xung PWM kích mở van bán dẫn (thay đổi độ rộng xung).
3.3 Kết quả mô phỏng và phân tích
Trong đề tài này, mạch mô phỏng được giả định điện áp tham
chiếu ở đầu ra Vref = 60V và điện áp đầu vào thay đổi từ 2040V.
Các đáp ứng và quá trình biến đổi điện áp đầu ra lẫn đầu vào được
mô phỏng lại trong hình 3.8.


Hình 3.8: Các điện áp thu được
Điện áp đầu ra thông qua quá trình mô phỏng thu được rất ổn
định và luôn đạt được mức khoảng 60V cho dù có sự biến đổi thất
thường của điện áp đầu vào. Tuy nhiên có thể thấy vẫn tồn tại các
giao động của điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào có sự nhiễu động.

Ở giây 0,5 khi điện áp PV giảm đột ngột xuống mức 20V làm cho
điện áp đầu ra giảm khoảng 3V sau đó trở về lại giá trị 60V. Tương
tự như thế ở thời gian 1 giây và 1,5 giây, điện áp đầu vào tăng dần
lên, điện áp đầu ra gặp hiện tượng quá áp nhưng rất nhở chỉ ở khoảng
2-3V rồi sau đó cũng phụ hồi nhanh chóng.


CHƯƠNG 4: LẮP ĐẶT BỘ TĂNG ÁP DC/DC
4.1 Thông số mạch thực tế và lắp đặt mạch thực tế
4.1.1 Thông số mạch thực tế
Khi lắp đặt mạch thực tế, nhằm bảo đảm độ thực tiễn và sự
chính xác, các thông số phần tử được lựa chọn dựa trên mô hình hóa
và kết quả mô phỏng. Giá trị của cuộn cảm và tụ được giữ nguyên
như phần mô phỏng với L = 1mH và C =100 µF.
Nguồn đầu vào mạch tăng áp được cung cấp bởi hệ thống pin
mặt trời bao gồm 4 tấm pin với công suất Pmax = 22W đấu nối gồm 2
mảng PV mắc song song, mỗi mảng được cấu thành từ 2 tấm PV
mắc nối tiếp. Với các thông số mỗi tấm pin: VMPP = 17,46 V, IMPP =
1,27 A, Voc = 21,64 V, Isc = 1,35A. Trong trạng thái cực đại, và các
điều kiện lý tưởng, hệ thống có điện áp đầu ra đạt 43,28V khi hở
mạch, và dòng cực đại lên đến 2,7A.

Hình 4.1: Hệ thống pin mặt trời cung cấp nguồn cho mạch tăng áp.
Dựa vào điện áp, dòng điện cực đại của tấm pin và tần số băm
xung, ta chọn van bán dẫn và diode. Với các thông số đã có ở trên, ta
chọn MOSFET IRFP250N và diode MUR3060PT. Từ các thông số
phần tử đã tính toán và chọn lựa ta tiến hành lắp đặt mạch tăng áp
thực tế.



4.1.2 Mô hình mạch thực tế

Hình 4.2: Mô hình mạch tăng áp
a) Mạch động lực
Như đã trình bày ở các phần trên, các phần tử mạch động lực
được lắp đặt với các thông số như đã lựa chọn. Ta sử dụng 2
MOSFET IRFP250N cho để đóng mở trong 2 nửa chu kì xung từ
mạch điều khiển đảm bảo độ chính xác cũng như giảm tổn hao trên
các van bán dẫn. Các MOSFET và diode được gắn nhôm tản nhiệt để
tránh tình trạng phát nóng khi làm việc ở dòng điện lớn. Đầu vào của
mạch tăng áp được lắp một tụ lọc giữ điện áp vào phẳng hơn, đảm
bảo sự ổn định cho mạch hoạt động.
Ngoài các phần tử chính, mạch động lực còn có các module đo
dòng điện ACS72 có thể đo được dòng điện lên đến 5A và cầu phân
áp để phản hồi các giá trị điện áp và dòng điện của mạch tăng áp,
phục vụ cho việc tính toán của mạch điều khiển để đảm bảo đáp ứng
đầu ra đúng như yêu cầu.
b) Mạch điều khiển
Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của vi điều khiển và tín
hiệu số, việc thực hiện các thuật toán trở nên dễ dàng hơn bao giờ
hết. Các thuật toán được đưa vào các bộ vi xử lí dưới dạng các dòng
lệnh (Code) được viết trên các phần mềm máy tính. Các bộ vi điều


khiển giúp cho việc thực thi các thuật toán chính xác hơn, giảm được
nhiễu tín hiệu do tác nhân bên ngoài.
Mạch điều khiển được lắp đặt chủ yếu hoạt động dựa trên vi xử
lí Arduino Nano được thiết kế nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt. Thuật toán
PI được lập trình trên máy tính và nạp vào Arduino Nano dưới dạng
Code thông qua dây cáp nạp.


Hình 4.3: Vi xử lí Arduino Nano
Các tín hiệu đo lường điện áp và dòng điện được phản hồi từ
các module đo lường ở mạch động lực về Arduino để xử lí. Arduino
sau khi thực hiện tính toán vòng lặp PI sẽ đưa ra góc mở D hợp lý
dưới dạng tín hiệu số với độ phân giải 12bit. IC MCP4921 có nhiệm
vụ biến đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự (Digital – Analog
Converter), truyền đến IC tạo xung SG3525 để tạo ra xung PWM
cho các MOSFET.
Nguồn điện cung cấp cho Arduino và các IC được lấy từ pin
mặt trời và đưa qua 2 module ổn áp nguồn LM2596S, tạo ra điện áp
12V cho SG3525 và 5V cho Arduino, MCP4921.
Màn hình LCD 20x4 có tác dụng hiển thị các giá trị điện áp và
công suất được in ra từ Arduino, giúp ta có thể quan sát được đáp
ứng đầu ra của mạch tăng áp, từ đó kịp thời kiểm soát và điều chỉnh
khi mạch có sự cố hoặc mất ổn định.
4.2 Kết quả đo thực tế
Hoạt động của mô hình mạch được kiểm tra và theo dõi dựa
trên các phản hồi điện áp đầu vào và điện áp đầu ra. Quá trình này
được đo trực tiếp và xuất ra từ vi xử lý với độ chính xác cao. Thông


qua các công cụ hỗ trợ, các giá trị đo thực tế được xuất ra dưới dạng
đồ thị bằng phần mềm matlab.

Hình 4.4: Kết quả đo điện áp thực tế
Với mô hình mạch, giá trị điện áp tham chiếu Vref = 60V và
điện áp đầu vào thay đổi từ 20-42V tương tự như trong mô phỏng để
đảm bảo tính thực tiễn và chính xác. Điện áp đầu vào được thay đổi
ngẫu nhiên bằng cách che bớt tấm pin mặt trời để mô phỏng theo các

trường hợp ngoài thực tế: nắng gắt và nắng yếu do các yếu tố thời
tiết bất định gây ra (hiện tượng che khuất, mây mù). Lúc nắng gắt, độ
bức xạ cao, điện áp tấm pin vào khoảng 42V (đường đáp ứng VPV).
Khi các tấm pin bị che đi, điện áp thu được từ tấm pin giảm đột ngột
và dao động trong khoảng 20V. Đường đồ thị cho thấy rằng điện áp
vào luôn có sự nhiễu động (khoảng 1-2V). Với điện áp thay đổi đột
ngột như vậy, nhiệm vụ của mạch là phải giữ điện áp đầu ra luôn ở
mức điện áp mong muốn, đảm bảo sự ổn định cho các phụ tải một
chiều được kết nối với mạch. Do vậy mà các phương pháp điều khiển
mà ở đây là phương pháp PI trở nên cần thiết.
Kết quả thực tế có thể thấy, điện áp đầu ra của mạch luôn bám
mức 60V. Tuy nhiên khi có sự biến động điện áp đầu vào, khi giảm
từ 42V xuống mức 20V, đáp ứng đầu ra thu được cũng bị ảnh hưởng
(giảm khoảng 7V) nhưng sau đó phục hồi lại mức cài đặt gần như


ngay lập tức (lần lượt ở các giây thưc 5,15 và 20). Đánh giá chung,
có thể thấy điện áp đầu ra đáp ứng rất tốt, bám gần trùng với điện áp
đặt Vref và có độ dao động cực kì nhỏ. Điều này chứng minh khả
năng hoạt động tốt của bộ điều khiển PI khi hoạt động ở độ phân giải
12bit. Khi điện áp đầu vào thay đổi đột ngột từ 40V về 20V, điện áp
ra có sự tụt giảm mạnh. Nhưng bộ điều khiển PI thay đổi hệ số đóng
cắt van bán dẫn khá nhanh, đưa điện áp ra bám sát trở lại với điện áp
tham chiếu trong khoảng 0,7s. Điện áp ra vẫn được giữ khá ổn định
trong khoản thời gian công suất pin mặt trời giảm (do bị che). Khi
điện áp đầu vào tăng nhanh lên hơn 40V, vẫn không có sự biến động
lớn nào, điện áp ra dao động quanh điện áp tham chiếu.
Với phương pháp điều khiển PI được tích hợp. Các đáp ứng đầu
ra thu được cho thấy được khả năng ổn định rất tốt cho dù đầu vào có
sự thay đổi đột ngột hay nhiễu động. Sự ổn định luôn được đảm bảo

cho các phụ tải kết nối hoạt động. Đây là kết quả thực tế thu được
sau khi lắp rắp mạch dựa vào các điều kiện tham chiếu, tính toán từ
quá trình mô phỏng.
4.3 Kết luận và hạn chế của đề tài
Từ các kết quả thực nghiệm và mô phỏng, nguyên lý và hiệu
quả hoạt động của mạch đã được cho thấy rõ. Mạch đáp ứng rất tốt
yêu cầu về điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào thay đổi đột ngột và có
sự dao động, luôn đảm bảo sự ổn định cho các phụ tải. Tuy nhiên vẫn
còn tồn tại những hạn chế:
Trong nhiều lần đo, tác giả nhận thấy rằng mạch chỉ hoạt động
tốt khi được cung cấp đủ công suất. Công suất quá nhỏ sẽ gây ra hiện
tượng sụt áp, điện áp ra không thể lên đến được điện áp tham chiếu.
Thời gian đáp ứng của thuật toán PI vẫn còn hơi trễ, đối với một
số phụ tải cần sự ổn định ngay tức thì thì vẫn chưa thỏa mãn yêu cầu.
Việc chọn lựa phần tử các mạch chỉ mang tính chất tương đối,
phụ thuộc vào kinh nghiệm và mô phỏng để lựa chọn. Một vài sai
lệch còn tồn tại khó tránh khỏi làm cho kết quả ít nhiều bị ảnh
hưởng.