Điều khiển bộ nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin mặt trời tại trung tâm tiết kiệm năng lượng Tiền Giang

Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 11
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU HÒA LƯỚI CHO HỆ THỐNG PIN 
MẶT TRỜI TẠI TRUNG TÂM TIẾT KIỆM NĂNG LƯỢNG TIỀN GIANG
CONTROL METHOD OF A GRID CONNECTED SOLAR PV SYSTEM IN 
TIEN GIANG ENERGY CONSERVATION CENTER
Nguyễn Trung Kiên1, Huỳnh Lâm Ngọc Tâm1, Võ Hữu Thiện1, Bùi Thanh Hiếu2
1Trung tâm Tiết kiệm năng lượng Tiền Giang
2Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Vĩnh Long
Ngày tòa soạn nhận bài 30/01/2016, ngày phản biện đánh giá 23/02/2016, ngày chấp nhận đăng 29/02/2016
TÓM TẮT
Bài báo này trình bày về phương pháp điều khiển dò điểm công suất cực đại (MPPT) của 
bộ nghịch lưu hòa lưới cho hệ thống pin năng lượng mặt trời (PV) tại Trung tâm Tiết kiệm năng 
lượng Tiền Giang nhằm cung cấp công suất tối đa cho lưới điện. Thuật toán P&O được đề xuất 
để dò điểm MPPT của hệ thống PV. Kết quả mô phỏng được thực hiện trên phần mềm Matlab. 
Với các kết quả này có thể kết luận rằng, hệ thống điều khiển đã tạo ra điện áp xoay chiều 1 pha 
đáp ứng tốt với yêu cầu của lưới điện.
Từ khóa: Pin năng lượng mặt trời; Dò điểm cực đại; Bộ điều khiển; P&O; Bộ biến đổi.
ABSTRACT
This article presents a control method of Maximum Power Point Tracking (MPPT) of a 
grid connected converter for a Solar photovaltaic (PV) system at Tien Giang Energy Conserva-
tion Center for maximum power extraction to the power gird. The P&O algorithm is proposed 
to track the MPPT of the PV system. Simulation results are performed using Matlab software. It 
can be concluded from these results that the control system has generated a good quality single 
phase AC voltage fitting to the power grid.
Keywords: Photovoltaic; Maximum Power Point Tracking; Controller; P&O; Converter.
1. GIỚI THIỆU 
Việt nam là một quốc gia đang phát 
triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng 
tăng. Để đảm bảo phát triển bền vững và đặc 
biệt cân bằng được năng lượng của quốc gia 
trong tương lai, Việt nam đã và đang tập trung 
nghiên cứu phát triển các nguồn năng lượng 
mới trong đó năng lượng mặt trời là một 
nguồn năng lượng hiệu quả trong tương lai. 
 Để khai thác và sử dụng năng lượng 
mặt trời một cách hiệu quả thì việc nghiên 
cứu các bộ nghịch lưu có hiệu suất cao cho 
hệ thống pin mặt trời (PV) là vấn đề cần được 
quan tâm.
Đề tài nghiên cứu bộ nghịch lưu hòa 
lưới dò tìm công suất cực đại (MPPT) là tiền 
đề cho dự án lắp đặt hệ thống pin mặt trời hòa 
lưới với công suất 1 kWp tại Trung tâm tiết 
kiệm năng lượng Tỉnh Tiền Giang.
2. HỆ THỐNG NGHIÊN CỨU
Hình 1 trình bày sơ đồ nguyên lý hệ 
thông pin mặt trời nối lưới. Do các tấm pin 
năng lượng mặt trời tạo ra điện áp DC nên để 
có thể kết nối với lưới điện xoay chiều thì hệ 
thống phải có các bộ chuyển đổi DC-DC và 
DC-AC. Cụ thể từng khối được mô tả như sau:
Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hệ thống nối lưới
2.1 Mô hình pin mặt trời
Mô hình mô phỏng một phân tử pin mặt 
trời thể hiện như hình 2 với các thông số đầu 
vào được chọn như: Độ bức xạ I
r
 = 476,84 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh12
W/m2, Nhiệt độ T = 250C, Hệ số N = 1,1 và 
Dòng điện ngược bão hòa I
s
 = 0,1 nA. [1-4]
Hình 2. Mô hình mô phỏng một phần tử pin 
mặt trời
 Sử dụng chương trình Matlab để mô 
phỏng mô hình sơ đồ trên và ta được các 
đường đặc tuyến I-V trong hình 3 và đặc tính 
P-V như trong hình 4 trên một phần tử pin 
khi điện trở R
s
 của pin thay đổi từ 0,01; 0,02; 
0,03; 0,04; 0,05. Có thể dễ dàng thấy rằng, đặc 
tính này phù hợp với đặc tính của tấm pin măt 
trời thực tế [2].
Hình 3. Đặc tuyến I-V khi thay đổi Rs
Hình 4. Đặc tuyến P-V khi thay đổi Rs
2.2 Bộ điều khiển DC-DC
Bộ điều khiển DC-DC nhằm duy trì 
điện áp DC để cung cấp cho mạch nghịch lưu. 
Sơ đồ mạch điều khiển được thể hiện ở hình 
5 [3]. Để đạt hiệu quả cao cho hệ thống pin 
mặt trời, bộ điều khiển MPPT Controller là 
bộ điều khiển công suất cực đại từ hệ thống 
pin mặt trời. Bộ điều khiển này có tác dụng 
giúp cho hệ thống thu được năng lượng từ hệ 
thống pin mặt trời là lớn nhất. Để thực hiện 
được yêu cần này hiện nay có nhiều thuật toán 
khác nhau như phương pháp điều khiển PID, 
phương pháp mạng thần kinh nhân tạo,... trong 
đó tác giả sử dụng thuật toán P&O [5]. Sơ đồ 
điều khiển được thể hiện như trong hình 6.
Lưu đồ thực hiện giải thuật P&O được 
thể hiện trong hình 7 [6-8]. Trong lưu đồ này, 
dựa vào dòng điện I(k+1) và điện áp V(k+1) ở 
lần lấy mẫu thứ (k+1) để tính toán công suất P 
tại lần lấy mẫu thứ (k+1), sau đó so sánh công 
suất P(k+1) với công suất trước nó 1 chu kỳ 
lấy mẫu P(k):
- Nếu công suất sau bằng công suất trước thì 
V(k) = V(k+1) (điện áp trước bằng điện áp 
sau), I(k) = I(k+1) (dòng điện trước bằng 
dòng điện sau).
- Nếu công suất sau lớn hơn công suất trước 
P(k+1) > P(k) thì lúc này chia thành 2 điều 
kiện như sau: nếu điện áp lần lấy mẫu sau 
lớn hơn điện áp lần lấy mẫu trước V(k+1) > 
V(k) thì tăng xung kích, ngược lại V(k+1) 
< V(k) thì giảm xung kích.
- Nếu công suất sau lớn hơn công suất trước 
P(k+1) < P(k) thì lúc này cũng chia thành 
2 điều kiện như sau: nếu điện áp lần lấy 
mẫu sau lớn hơn điện áp lần lấy mẫu trước 
V(k+1) > V(k) thì giảm xung kích, ngược 
lại V(k+1) < V(k) thì tăng xung kích.
LO
A
D
IL
L
D
SW C
+
-
V0
PID+-
Vref
V
0 Limit
-+ SW
IL
1/Z
Vi
Iref
Hình 5. Sơ đồ mô phỏng bộ Boost DC
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 13
Hình 6. Sơ đồ bộ điều khiển MPPT sử dụng 
thuật toán P&O
Hình 7. Lưu đồ giải thuật P&O
Trong điều kiện cường độ bức xạ dao 
động thì điểm hoạt động MPP của dãy PV 
dưới giải thuật P&O sẽ dao động xung quanh 
điểm cực đại.
Kết quả của điện áp ngõ ra có bộ điều 
khiển MPPT sử dụng thuật toán P&O được 
cho ở hình 8. Trong đó, đường màu đỏ là điện 
áp ngõ ra khi có bộ điều khiển P&O luôn 
đạt giá trị ở mức cao hơn so với đường màu 
xanh là điện áp ngõ ra không có bộ điều khiển 
MPPT.
Bộ điều khiển DC-DC Boost Converter 
thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một 
chiều tăng lên cao trước khi nghịch lưu hòa 
vào lưới. Giá trị điện áp DC sau khi qua bộ 
điều khiển được thể hiện ở hình 9.
Hình 8. Điện áp ra của pin mặt trời có và 
không có bộ điều khiển MPPT
Hình 9. Đồ thị điện áp ra bộ DC-DC
2.3 Bộ điều khiển DC-AC.
Bộ điều khiển nghịch lưu DC-AC nhằm 
tạo ra điện áp AC để hòa vào lưới điện có 
sơ đồ nguyên lý như hình 10 [3]. Có nhiều 
phương pháp để điều khiển các iGBT G1, G2, 
G3 và G4 nhằm tạo ra điện áp xoay chiều như 
phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), 
phương pháp điều chế sin PWM (SPWM), 
phương pháp vectơ không gian... [9-11]. Tuy 
nhiên trong đề tài này tác giả sử dụng phương 
pháp SPWM vì đây là phương pháp cơ bản, 
dễ điều khiển. 
Hình 10. Mạch chuyển đổi DC-AC
Để tạo ra điện áp xoay chiều bằng 
phương pháp SPWM, ta sử dụng một tín hiệu 
xung tam giác v
trig
 được gọi là sóng mang 
(đường màu đỏ trong hình 11 đem so sánh với 
một tín hiệu sin chuẩn v
c
 gọi là tín hiệu điều 
khiển đường màu xanh trong hình 11. Trong 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh14
đó, hệ số điều chế biên độ m
a
 được định nghĩa 
là tỷ số giữa biên độ của tín hiệu điều khiển 
với biên độ của sóng mang. Tín hiệu so sánh 
ngõ ra để kích cho các iGBT được cho trong 
hình 12.
Hình11. Điều chế SPWM một pha
Hình 12. Điều chế SPWM một pha
3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU
Hình 13 trình bày sơ đồ mô phỏng hệ 
thống điện mặt trời hòa lưới điện 1 pha 220V 
AC, tần số 50 Hz. Hệ thống nghiên cứu bao 
gồm Mô hình pin mặt trời PV công suất 1 
KWp, bộ DC-DC boost và cầu nghịch lưu sử 
dụng iGBT.
Hình 13. Sơ đồ mô phỏng hệ thống điện mặt 
trời hòa lưới điều chỉnh áp sau nghịch lưu
Kết quả mô phỏng điện áp ra của hệ 
thống trên được thể hiện trong hình 14. Từ 
dạng sóng ta thấy rằng, sau thời gian quá độ 
thì biên độ và tần số của hệ thống pin mặt trời 
bám sát với đặc tuyến của điện áp lưới.
Hình 14. Dạng sóng điện áp lưới và điện áp 
NLMT 
Để đánh giá chất lượng của dòng điện, 
tác giả đã sử dụng công cụ phân tích FFT với 
các thông số được cho trong hình 15.
Từ kết quả này ta thấy rằng điện áp tạo 
ra có dạng sin, tỉ lệ hài THD=1.79% thấp hơn 
qui định tối đa là 5% nên có chất lượng tốt.
Hình 15. Phân tích FFT của dòng tải
4. KẾT LUẬN
Bài báo đã trình bày mô hình mạch 
nghịch lưu hòa lưới 1 pha của hệ thống pin 
năng lượng mặt trời dựa trên giải thuật P&O 
để tối ưu công suất ngõ ra của hệ thống. Các 
kết quả mô phỏng cho thấy rằng điện áp ngõ 
ra của hệ thống có biên độ, tần số và độ méo 
dạng đáp ứng yêu cầu. Tạo tiền đề cho thiết kế 
và sẽ được tính toán, thi công phần cứng và 
tiến hành lắp đặt mô hình hệ thống pin năng 
lượng mặt trời tại Trung tâm tiết kiệm năng 
lượng Tỉnh Tiền Giang.
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 35B (3/2016)
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 15
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Đặng Đình Thống, Pin mặt trời và ứng dụng, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật, 2008.
[2] Nguyễn Phùng Quang, Matalb và Simulink, nhà xuất bản khoa học và kỹ thuật Hà Nội.
[3] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện Tử Công Suất 1, NXB ĐH Quốc gia TP.HCM, 2002.
[4] Joe-Air Jiang, et. al., Maximum power tracking for photovoltaic power systems. 2005.
[5] V. Salas, E.O., A. Barrado, A. Lazaro, Review of the Maximum Power Point Tracking Al-
gorithms for Stand-alone Photovoltaic Systems, Solar Energy Materials and Solar Cells, 
2006, p.p 1555–1578.
[6] O. Bingol, A. Altinta, and Y. Oner, Microcontroller based solar- tracking system and its 
implementation, Journal of Engineering Sciences, vol. 12, pp. 243–248, 2006.
[7] Askan, K., Maximum power point tracker for PV array, 2006 – 2007.
[8] Mei Shan Ngan, Chee Wei Tan – A Study Of Maximum Power Point Tracking Algorithms 
for Stand alone Photovoltavic Systems, 2011 IEEE Applied Power Electronics Coloqui-
um (IAPEC).
[9] Li Jiang, Resistance Control MPPT for Smart Converter PV System, Master of Science in 
Electrical Enginnering, April 19, 2012.
[10] Hohm, D.P. and M.E. Ropp, Comparative Study of Maximum power point tracking al-
gorithms, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 2003, Vol.11, No.1, pp. 
47-62.
[11] Roberto Faranda, S.L., Energy Comparison of MPPT Techniques for PV Systems. WSEAS 
Trans. on POWER SYSTEMS, vol. 3, No.6.