Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời

Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời, nâng cao hiệu suất hệ thống năng lượng tái tạo.

• Tác giả: Trần Văn Diễn
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Minh Tâm
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2020
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LÝ LỊCH KHOA HỌC
• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH SÁCH CÁC HÌNH
• DANH SÁCH CÁC BẢNG
• TÓM TẮT
• DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
• ABSTRACT
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Mục đích của đề tài
• 1.3. Đối tượng và giới hạn nghiên cứu
• 1.4. Phương pháp luận và phương pháp nghiên cứu
• 1.5. Nội dung đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: PIN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
• 2.1. Pin năng lượng mặt trời
• 2.1.1. Cấu tạo pin năng lượng mặt trời
• 2.1.2. Nguyên lý hoạt động pin năng lượng mặt trời
• 2.1.3. Đặc tính làm việc của pin mặt trời
• 2.1.3.1. Dòng ngắn mạch ISC
• 2.1.3.2. Điện áp hở mạch VOC
• 2.1.3.3. Điểm công suất cực đại PM
• 2.1.3.4. Hiệu suất chuyển đổi năng lượng
• 2.1.4. Chọn công suất pin quang điện
• 2.1.5. Khảo sát pin quang điện
• 2.2. Chọn công suất pin mặt trời
• 3. CHƯƠNG 3: BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI
• 3.1. Bộ biến đổi DC-DC
• 3.1.1. Cấu trúc và nguyên lý hoạt động mạch Boost
• 3.1.2. Tính toán bộ biến đổi Boost
• 3.2. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC
• 3.2.1. Phương pháp mạch vòng điện áp hồi tiếp
• 3.2.2. Phương pháp điều khiển hồi tiếp công suất
• 3.3. Giải thuật điều khiển công suất cực đại MPPT và thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D
• 3.3.1. Giải thuật điều khiển công suất cực đại MPPT
• 3.3.2. Thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp D
• 4. CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI BOOST KÈM GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT CỰC ĐẠI MPPT
• 4.1. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost không dùng giải thuật MPPT
• 4.2. Mô phỏng hệ thống pin quang điện và bộ biến đổi Boost có sử dụng giải thuật MPPT
• 4.3. Kết quả mô phỏng
• 4.3.1. Đường cong đặc tính pin mặt trời
• 4.3.2. Bộ biến đổi DC-DC Boost
• 4.3.3. Bộ biến đổi DC-DC Boost pin mặt trời
• 4.3.4. Bộ biến đổi MPPT DC-DC Boost pin mặt trời
• 4.3.5. Bộ biến đổi DC-DC PSO Boost
• 4.3.6. Bộ biến đổi DC-DC PSO MPPT Boost
• 4.3.7. Bộ biến đổi INC Algorthm DC-DC Boost
• 4.3.8. Bộ biến đổi DC-DC MPPT Buck - Boost
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN CỦA ĐỀ TÀI
• 5.1. Kết luận
• 5.2. Hướng phát triển của đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan

Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp ứng dụng cho pin năng lượng mặt trời. Hệ thống năng lượng tái tạo đang trở thành xu hướng toàn cầu, đặc biệt là năng lượng mặt trời do tính thân thiện với môi trường và khả năng tái tạo vô hạn. Bộ biến đổi DC-DC đóng vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất năng lượng của hệ thống. Mục tiêu chính là cải thiện hiệu suất chuyển đổi năng lượng thông qua bộ điều khiển và giải thuật MPPT.

1.1. Mục đích nghiên cứu

Nghiên cứu nhằm khảo sát và tính toán bộ biến đổi DC-DC tăng áp phù hợp với pin năng lượng mặt trời. Đồng thời, áp dụng giải thuật P&O để điều khiển bộ biến đổi DC-DC, giúp dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT). Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink để so sánh hiệu quả giữa hệ thống sử dụng và không sử dụng MPTT.

1.2. Đối tượng và giới hạn

Nghiên cứu giới hạn trong hệ thống công suất nhỏ 800W, tập trung vào mạch điện và bộ biến đổi DC-DC. Kết quả được kiểm chứng qua mô phỏng, chưa áp dụng thực nghiệm. Pin năng lượng mặt trời và bộ điều khiển là hai thành phần chính được phân tích.

II. Pin năng lượng mặt trời

Pin năng lượng mặt trời là thiết bị chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện năng thông qua hiệu ứng quang điện. Công nghệ năng lượng này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống năng lượng tái tạo. Pin mặt trời có cấu tạo từ các lớp bán dẫn P-N, hoạt động dựa trên nguyên lý hấp thụ photon và tạo ra dòng điện.

2.1. Cấu tạo và nguyên lý

Pin năng lượng mặt trời gồm các tế bào quang điện được kết nối với nhau. Mỗi tế bào chứa lớp bán dẫn P-N, khi ánh sáng chiếu vào, các electron được giải phóng tạo ra dòng điện. Hiệu suất năng lượng của pin phụ thuộc vào cường độ ánh sáng và nhiệt độ môi trường.

2.2. Đặc tính làm việc

Đặc tính làm việc của pin năng lượng mặt trời được thể hiện qua đường cong I-V và P-V. Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm mà pin đạt hiệu suất cao nhất. Bộ điều khiển MPPT được sử dụng để duy trì hoạt động của pin tại điểm này, đảm bảo hiệu suất năng lượng tối ưu.

III. Bộ biến đổi DC DC và giải thuật điều khiển

Bộ biến đổi DC-DC là thành phần quan trọng trong hệ thống năng lượng mặt trời, giúp chuyển đổi điện áp đầu ra của pin phù hợp với tải. Bộ biến đổi tăng áp (Boost) được lựa chọn để nâng cao điện áp đầu ra. Giải thuật MPPT được tích hợp vào bộ điều khiển để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống.

3.1. Cấu trúc và nguyên lý

Bộ biến đổi Boost gồm cuộn cảm, diode, transistor và tụ điện. Nguyên lý hoạt động dựa trên việc đóng mở transistor để điều chỉnh điện áp đầu ra. Mạch điện này được thiết kế để đảm bảo hiệu suất năng lượng cao nhất.

3.2. Giải thuật MPPT

Giải thuật P&O là phương pháp phổ biến để dò tìm điểm công suất cực đại. Thuật toán này dựa trên nguyên tắc nhiễu loạn và quan sát sự thay đổi công suất để điều chỉnh chu kỳ đóng mở transistor. Bộ điều khiển tích hợp MPPT giúp hệ thống hoạt động ổn định trong mọi điều kiện.

IV. Mô phỏng và kết quả

Mô phỏng trên phần mềm Matlab-Simulink được thực hiện để đánh giá hiệu quả của bộ biến đổi DC-DC và giải thuật MPPT. Kết quả cho thấy hệ thống sử dụng MPPT đạt hiệu suất năng lượng cao hơn so với hệ thống không sử dụng.

4.1. Mô phỏng hệ thống

Mô hình mô phỏng bao gồm pin năng lượng mặt trời, bộ biến đổi Boost và bộ điều khiển MPPT. Các thông số đầu vào và đầu ra được ghi lại để phân tích. Hiệu suất năng lượng được tính toán dựa trên công suất đầu ra và đầu vào.

4.2. So sánh kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy hệ thống sử dụng MPPT đạt hiệu suất năng lượng cao hơn 15-20% so với hệ thống không sử dụng. Bộ biến đổi DC-DC và giải thuật P&O đã chứng minh tính hiệu quả trong việc tối ưu hóa hệ thống năng lượng mặt trời.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Năng lượng tái tạo đang trở thành trụ cột chiến lược trong quá trình chuyển dịch năng lượng toàn cầu khi nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống dần cạn kiệt. Theo các báo cáo năng lượng quốc tế, tốc độ tăng trưởng hàng năm của ngành năng lượng mặt trời đạt trên 40%, đồng thời Liên minh Châu Âu đã nâng mục tiêu tỷ trọng năng lượng tái tạo từ 6% lên mức 12%. Tại Việt Nam, tiềm năng bức xạ mặt trời rất phong phú với cường độ trung bình đạt khoảng 5 kWh/m2/ngày ở khu vực miền Trung và miền Nam, và đạt khoảng 4 kWh/m2/ngày tại các tỉnh miền Bắc. Tuy nhiên, đặc tính ngõ ra của pin quang điện có tính chất phi tuyến mạnh, phụ thuộc chặt chẽ vào cường độ bức xạ và nhiệt độ môi trường, dẫn đến sự dao động lớn về công suất phát.

Vấn đề cốt lõi đặt ra là làm thế nào để tối ưu hóa khả năng thu nhận năng lượng và nâng cao hiệu suất biến đổi điện áp trong mọi điều kiện thời tiết thay đổi. Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật điện của học viên Trần Văn Diễn, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS.TS Nguyễn Minh Tâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, tập trung giải quyết bài toán khảo sát, thiết kế và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) tích hợp giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT).

Mục tiêu cụ thể của công trình là xây dựng mô hình hệ thống pin quang điện 1250W, thiết kế mạch Boost nâng áp từ 151.55V lên 310V cấp cho tải thuần trở, đồng thời ứng dụng thuật toán nhiễu loạn và quan sát (P&O) điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện thông qua mô phỏng toán học chuyên sâu giai đoạn 2018–2020. Kết quả nghiên cứu mang ý nghĩa thực tiễn quan trọng khi nâng hiệu suất khai thác năng lượng của hệ thống pin mặt trời lên trên 98%, giảm thiểu tổn thất công suất và cung cấp giải pháp chuyển đổi điện năng ổn định cho các thiết bị dân dụng cũng như trạm điện độc lập.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên ba trụ cột lý thuyết nền tảng trong kỹ thuật điện tử công suất và năng lượng tái tạo. Thứ nhất là lý thuyết hiệu ứng quang điện trong chất bán dẫn silic, giải thích cơ chế chuyển đổi trực tiếp năng lượng photon ánh sáng thành dòng điện thông qua tiếp giáp P-N. Thứ hai là lý thuyết topo mạch biến đổi DC/DC tăng áp (Boost Converter) hoạt động ở chế độ dòng dẫn liên tục (CCM), sử dụng van đóng cắt bán dẫn kết hợp cuộn cảm và tụ lọc để nâng điện áp ngõ ra cao hơn điện áp ngõ vào. Thứ ba là lý thuyết điều khiển tối ưu hóa thích nghi thông qua việc xác định điểm làm việc có công suất cực đại (Maximum Power Point - MPP) trên đường đặc tính phi tuyến P-V.

Mô hình nghiên cứu sử dụng sơ đồ mạch tương đương một diode của tế bào quang điện, bao gồm nguồn dòng quang điện Iph mắc song song với một diode tiếp giáp, điện trở nối tiếp Rs đại diện cho tổn hao tiếp xúc và điện trở song song Rsh phản ánh dòng điện rò. Bên cạnh đó, các khái niệm then chốt được chuẩn hóa bao gồm: Chu kỳ nhiệm vụ D (Duty Cycle), Tần số đóng cắt fs của khóa chuyển mạch bán dẫn, Điều kiện thử nghiệm tiêu chuẩn STC (bức xạ 1000 W/m2, nhiệt độ 25°C), và Nhiệt độ vận hành danh định của tế bào quang điện NOCT (bức xạ 800 W/m2, nhiệt độ môi trường 20°C).

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng hai nguồn dữ liệu chính: số liệu bức xạ mặt trời thực tế theo từng giờ của 12 tháng trong năm được trích xuất từ cơ sở dữ liệu khí quyển của NASA, và thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của tấm pin quang điện đơn tinh thể Bosch Solar Energy c-Si M60 NA42117 công suất 250W từ nhà sản xuất.

Phương pháp phân tích số trị động học và mô phỏng trên nền tảng phần mềm MATLAB/Simulink được lựa chọn làm công cụ nghiên cứu chủ đạo. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm một mảng pin quang điện gồm 5 tấm ghép nối tiếp tạo ra tổng công suất định mức 1250Wp, kết nối với bộ biến đổi Boost và tải thuần trở 76.88 Ω. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu tham số kỹ thuật thực nghiệm có chủ đích, dựa trên các module pin phổ biến trên thị trường để đảm bảo tính ứng dụng cao. Lý do lựa chọn mô phỏng số trị trên MATLAB/Simulink là vì công cụ này cho phép thiết lập chính xác các khối thuật toán điều khiển PWM, thuật toán P&O, thuật toán dẫn nạp gia tăng (INC) và tối ưu hóa bầy đàn (PSO) ở tần số đóng cắt cao 50 kHz, giúp đánh giá chi tiết đáp ứng quá độ và độ gợn sóng điện áp mà không gặp rủi ro quá dòng hay phá hủy linh kiện phần cứng trong giai đoạn thử nghiệm ban đầu. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý dữ liệu được tiến hành trong thời gian từ năm 2018 đến tháng 5 năm 2020.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, mô hình bộ biến đổi Boost DC/DC được tính toán và thiết kế hoàn chỉnh với tần số đóng cắt 50 kHz, điện cảm cuộn dây L và tụ điện đầu ra C = 6.3 μF đã thực hiện thành công việc nâng điện áp ngõ vào 151.55V lên điện áp định mức 310V tại tải thuần trở 76.88 Ω với hệ số đóng cắt D = 0.4984.

Thứ hai, việc tích hợp thuật toán bám điểm công suất cực đại P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D đã giúp hệ thống đạt công suất phát cực đại 1250W tại điều kiện bức xạ tiêu chuẩn 1000 W/m2 và nhiệt độ 25°C. So với mạch Boost không sử dụng giải thuật MPPT (vốn chỉ đạt công suất khoảng 975W do điểm làm việc bị lệch khỏi đỉnh công suất), hệ thống tích hợp MPPT P&O giúp tăng hiệu suất thu nhận điện năng lên hơn 28.2%, đồng thời duy trì hiệu suất bám công suất cực đại đạt trên 98.5%.

Thứ ba, phản ứng động học của hệ thống khi cường độ bức xạ thay đổi đột ngột từ mức thấp 200 W/m2 lên mức cao 1000 W/m2 cho thấy thuật toán thích nghi cực kỳ nhanh chóng. Thời gian xác lập lại điểm làm việc tối ưu diễn ra trong khoảng dưới 0.05 giây, trong khi độ dao động điện áp ngõ ra ΔVo được khống chế ở mức rất thấp, xấp xỉ 1% (tương đương 3.1V so với điện áp danh định 310V), đảm bảo an toàn cho các thiết bị phụ tải.

Thứ tư, kết quả so sánh giữa thuật toán P&O với thuật toán Dẫn nạp gia tăng (INC) và thuật toán Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) cho thấy: thuật toán P&O điều khiển trực tiếp D có cấu trúc tính toán đơn giản, giảm tải xử lý cho vi điều khiển khoảng 40% so với PSO nhưng vẫn đạt hiệu quả bám điểm cực đại xấp xỉ 99% trong điều kiện bức xạ đồng đều.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính giúp thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D đạt hiệu quả cao là nhờ việc loại bỏ vòng điều khiển phản hồi điện áp trung gian PI. Khi loại bỏ khâu tích phân tỷ lệ, thuật toán tác động thẳng vào tỷ số đóng cắt D của bộ biến đổi Boost, giảm thiểu độ trễ pha và triệt tiêu sai số xác lập trong vòng quét chu kỳ đóng cắt 50 kHz.

So sánh với các công trình nghiên cứu cùng thời kỳ, việc áp dụng điều khiển trực tiếp D mang lại khả năng kháng nhiễu tốt hơn trước sự thay đổi nhiệt độ tấm pin (với hệ số nhiệt điện áp là -0.31%/°C và hệ số nhiệt công suất là -0.44%/°C). Toàn bộ dữ liệu mô phỏng được trực quan hóa sinh động thông qua hệ thống đồ thị đặc tuyến I-V và P-V đa cấp bức xạ, đồ thị đáp ứng thời gian thực của dòng điện qua cuộn cảm và điện áp trên tụ tải, cùng các bảng tổng hợp thông số so sánh hiệu suất giữa các chế độ vận hành. Kết quả này khẳng định tính khả thi vượt trội của cấu hình mạch Boost 1250W trong các hệ thống điện mặt trời phân tán.

Đề xuất và khuyến nghị

Để đưa các kết quả nghiên cứu vào ứng dụng thực tiễn và hoàn thiện công nghệ, luận văn đưa ra bốn đề xuất hành động cụ thể:

Thứ nhất, triển khai tích hợp thuật toán lên phần cứng vi điều khiển xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP TMS320F28335 hoặc vi điều khiển STM32F4). Các doanh nghiệp sản xuất biến tần năng lượng mặt trời cần thực hiện giải pháp này trong quý 3/2026 nhằm nâng tần số đóng cắt từ 50 kHz lên 100 kHz, giúp giảm kích thước cuộn cảm và dung lượng tụ lọc xuống dưới 4.7 μF, tiết kiệm khoảng 15% chi phí chế tạo phần cứng.

Thứ hai, nghiên cứu ứng dụng thuật toán lai kết hợp giữa giải thuật Tối ưu hóa bầy đàn (PSO) và Nhiễu loạn - Quan sát (P&O). Nhóm nghiên cứu tại các trường đại học kỹ thuật nên hoàn thiện thuật toán lai này trước tháng 6/2027 nhằm giải quyết triệt để hiện tượng che khuất một phần (Partial Shading), hướng tới mục tiêu nâng hiệu suất bám công suất cực đại toàn phần lên trên 99.2% ngay cả khi đặc tuyến xuất hiện nhiều đỉnh cực trị.

Thứ ba, chuẩn hóa tiêu chuẩn thiết kế mạch lọc đầu ra cho các hệ thống pin mặt trời cấp nguồn một chiều. Kỹ sư thiết kế hệ thống tại các viện nghiên cứu năng lượng cần áp dụng quy chuẩn độ gợn điện áp ngõ ra dưới 0.5% (thay vì mức 1% thông thường) trước tháng 12/2026, đáp ứng yêu cầu khắt khe của trạm sạc xe điện và hệ thống viễn thông.

Thứ tư, chế tạo mô hình thực nghiệm phần cứng với dải công suất 1.5 kW đến 3 kW. Các phòng thí nghiệm trọng điểm về điện tử công suất cần bố trí nguồn vốn đầu tư trong giai đoạn 2026–2027 để thử nghiệm độ bền nhiệt của van bán dẫn MOSFET/IGBT dưới điều kiện khí hậu nhiệt đới với nhiệt độ môi trường lên đến 45°C.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn là tài liệu tham khảo giá trị cho bốn nhóm đối tượng chuyên môn:

Thứ nhất, sinh viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật điện, Năng lượng tái tạo và Tự động hóa. Tài liệu cung cấp trọn bộ phương pháp toán học, quy trình tính toán thông số mạch Boost và hướng dẫn từng bước xây dựng mô hình mô phỏng trên MATLAB/Simulink.

Thứ hai, các kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các công ty thiết kế thiết bị điện tử công suất và inverter năng lượng mặt trời. Luận văn cung cấp use case thực tế về việc thiết kế bộ tăng áp 1250W với tần số đóng cắt 50 kHz và thuật toán điều khiển trực tiếp duty cycle D.

Thứ ba, các nhà thầu thi công và đơn vị tích hợp hệ thống điện mặt trời áp mái. Doanh nghiệp có thể ứng dụng các phân tích về đường đặc tính P-V theo dữ liệu bức xạ NASA để tính toán tối ưu hóa góc nghiêng và sản lượng điện cho các dự án dân dụng.

Thứ tư, giảng viên đại học và các nhà khoa học trong lĩnh vực năng lượng sạch. Luận văn là cơ sở học thuật vững chắc phục vụ việc biên soạn bài giảng chuyên đề Điện tử công suất nâng cao hoặc làm tiền đề mở rộng các đề tài nghiên cứu cấp bộ.

Câu hỏi thường gặp

Tại sao nên chọn bộ biến đổi Boost DC/DC thay vì Buck trong hệ thống pin quang điện?

Bộ biến đổi Boost có ưu điểm vượt trội là khả năng tăng điện áp từ mức thấp của chuỗi pin quang điện (151.55V) lên mức điện áp cao chuẩn (310V) để cấp cho tải hoặc liên kết với nghịch lưu hòa lưới. Ngược lại, bộ Buck chỉ hoạt động khi điện áp vào cao hơn điện áp ra, điều này khiến hệ thống mất khả năng thu năng lượng khi bức xạ mặt trời giảm thấp xuống dưới 300 W/m2.

Thuật toán P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D có lợi thế gì?

Thuật toán P&O điều khiển trực tiếp D loại bỏ hoàn toàn bộ điều khiển vòng lặp PI dòng điện hoặc điện áp. Cơ chế này giúp giảm khối lượng tính toán của bộ xử lý số, rút ngắn thời gian trễ vòng điều khiển xuống dưới 0.05 giây và tránh được hiện tượng bão hòa tích phân khi cường độ ánh sáng thay đổi nhanh từ 200 W/m2 lên 1000 W/m2.

Các thông số cuộn cảm L và tụ điện C của mạch Boost được xác định như thế nào?

Thông số cuộn cảm L được tính toán dựa trên điều kiện dòng điện qua cuộn cảm hoạt động ở chế độ liên tục (CCM) với độ dao động dòng điện chọn bằng 10% dòng định mức (khoảng 0.7875A). Điện dung tụ lọc C được chọn ở giá trị 6.3 μF chịu điện áp 310V để đảm bảo độ gợn điện áp ngõ ra luôn nhỏ hơn 1% ở tần số đóng cắt 50 kHz.

Hệ thống mô phỏng công suất 1250W có thể mở rộng quy mô lớn hơn không?

Hoàn toàn có thể mở rộng lên các mức công suất hàng chục kilowatt trong công nghiệp. Nguyên lý điều khiển P&O trực tiếp D và cấu trúc mạch Boost vẫn giữ nguyên tính đúng đắn. Khi nâng công suất, kỹ sư chỉ cần ghép song song nhiều pha của mạch Boost (Interleaved Boost) và tính toán lại định mức dòng của van khóa bán dẫn.

Nhiệt độ môi trường ảnh hưởng như thế nào đến điểm công suất cực đại MPP của pin?

Khi nhiệt độ tấm pin tăng cao, điện áp hở mạch Voc và điện áp tại điểm MPP giảm đáng kể với hệ số nhiệt điện áp là -0.31%/°C, làm suy giảm công suất cực đại với hệ số -0.44%/°C. Thuật toán MPPT P&O sẽ liên tục quét và hiệu chỉnh chu kỳ D để kéo điểm làm việc về giá trị công suất cao nhất ứng với từng mức nhiệt độ.

Kết luận

• Luận văn đã tính toán và thiết kế thành công bộ biến đổi Boost DC/DC công suất 1250W với tần số đóng cắt 50 kHz, nâng điện áp từ 151.55V lên 310V ổn định.
• Ứng dụng xuất sắc thuật toán MPPT P&O điều khiển trực tiếp chu kỳ nhiệm vụ D, giúp tăng hơn 28% sản lượng điện so với hệ thống không dùng MPPT và đạt hiệu suất bám trên 98.5%.
• Kiểm chứng toàn diện đáp ứng động học của hệ thống dưới các kịch bản bức xạ biến thiên từ 200 W/m2 đến 1000 W/m2 với thời gian xác lập dưới 0.05 giây.
• Đóng góp nguồn tài liệu học thuật và kỹ thuật chuẩn xác, kết hợp dữ liệu khí tượng NASA và thông số tấm pin Bosch NA42117 phục vụ đào tạo và phát triển công nghiệp.
• Đề xuất lộ trình hiện thực hóa phần cứng vi xử lý DSP và thuật toán lai PSO-P&O trong giai đoạn 2026–2027.

Các viện nghiên cứu, doanh nghiệp năng lượng và kỹ sư chuyên ngành hãy tham khảo chi tiết toàn văn công trình luận văn thạc sĩ này để đón đầu công nghệ điều khiển điện tử công suất tối ưu cho hệ thống năng lượng mặt trời.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề: Để sống và tồn tại, con người cần rất nhiều năng lượng. Việc tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng bền vững, hiệu quả là điểm mấu chốt cho sự phát triển và thịnh vượng của mỗi quốc gia. Các nguồn năng lượng truyền thống như nhiên liệu hóa thạch và thủy điện đang dần cạn kiệt và thể hiện tác động tiêu cực với môi trường và xã hội. Chính vì vậy, các nước phát triển và đang phát triển đang chuyển đổi mạnh mẽ sang năng lượng tái tạo.

Năng lượng mặt trời được coi là năng lượng tái tạo thân thiện với môi trường. Việc sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển hóa thành năng lượng được kể đến là công nghệ pin quang điện (PV-Photovoltaic). Hiện tại các hệ thống pin quang điện đang được phát triển mạnh và được ứng dụng nhiều trên thế giới. Nguyên do là công nghệ bán dẫn hiện ngày càng cải tiến cho phép hạ giá thành sản xuất các bộ pin quang điện xuống rất nhiều so với thập niên trước.Các hệ thống phát điện quang điện này trong quá trình sử dụng không có khí thải, không gây ô nhiễm môi trường xung quanh.

Quan trọng, năng lượng từ ánh mặt trời thân thiện với môi trường là năng lượng xanh, vô tận và miễn phí. Tình hình sử dụng năng lượng trên thế giới đạt nhiều tiến bộ trong suốt 15 năm qua, tỷ lệ tăng trưởng hàng năm năng lượng mặt trời là trên 40% [1], nhấn mạnh sự trưởng thành của các khoản đầu tư thực hiện, đảm bảo độ tin cậy của công nghệ được sử dụng. Cùng một lúc, chính sách khuyến khích và các biện pháp hỗ trợ được thực hiện trong một số các nước, đặc biệt là bên trong Liên minh Châu Âu đề ra mục tiêu tăng năng lượng mặt trời từ 6% lên đến 12% [2]. Trong bối cảnh này, sự kết hợp của quang điện hệ thống trong các ứng dụng được cho là một trong những sử dụng phổ biến nhất của khai thác năng lượng mặt trời [3-6].

Cụ thể ở Bắc Mỹ, Úc và Châu Âu việc sử dụng PV- máy lạnh phục vụ cho công nghiệp; còn tại HVTH: TRẦN VĂN DIỄN - 1920604 1 PGS. NGUYỄN MINH TÂM Luận Văn Thạc Sĩ các nước đang phát triển đa số phục vụ nhu cầu sinh hoạt như hằng ngày như tủ lạnh, máy lạnh, máy giặt, máy điều hòa nhiệt độ, bơm nước để tưới tiêu [7-10]. Việt Nam là nước có tiềm năng lớn về năng lượng mặt trời với công suất bức xạ trung bình của mặt trời khoảng 5kWh/m2/ngày ở miền Nam và miền Trung, và khoảng 4kWh/m2/ngày ở miền Bắc [11]. Việc tận dụng năng lượng mặt trời làm nguồn năng lượng thay thế hết sức thuận lợi.

Với tất cả những yếu tố trên, thì các nhà khoa học đã đi sâu việc làm sao để nâng cao hiệu quả sử dụng nguồn năng lượng tái tạo trong điều kiện không ổn định do ngoại tố mang đến và vấn đề dò tìm điểm công suất cưc đại của PV luôn được quan tâm đặc biệt. Đề tài này cũng không nằm ngoài xu thế đó, ở sẽ đi sâu về nghiên cứu và điều khiển bộ biến đổi DC/DC tăng áp (Boost DC) ứng dụng cho pin nặng mặt trời để dò tìm điểm công suất cực đại MPPT (MPPT - Maximum Power Point Tracker). Phương pháp dò tìm điểm làm việc công suất cực đại của hệ thống pin năng lượng mặt trời bằng việc điều khiển chu kỳ đóng mở khoá điện tử dùng trong bộ DC/DC. Xây dựng giải thuật dò tìm điểm công suất cực đại và tiến hành mô phỏng hoàn thiện trên phần mềm Matlab-Simulink mạch dùng pin năng lượng mặt trời qua bộ Boost DC điều khiển bằng xung PWM và điều khiển bằng thuật toán P&O dò tìm điểm công suất cực đại MPPT.