Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng dân số cùng tốc độ phát triển công nghiệp toàn cầu đang đẩy nhu cầu tiêu thụ năng lượng lên mức cao, trong khi các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống như dầu mỏ và than đá ngày càng cạn kiệt. Việc khai thác và sử dụng quá mức năng lượng hóa thạch gây ra các hệ lụy môi trường nghiêm trọng như biến đổi khí hậu, hiệu ứng nhà kính và tình trạng cạn kiệt nguồn nước. Trước bối cảnh đó, chuyển dịch sang các nguồn năng lượng tái tạo sạch, an toàn, có chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp trở thành yêu cầu cấp thiết. Trong số các dạng năng lượng mới, năng lượng mặt trời là nguồn tài nguyên dồi dào, có khả năng phân tán rộng rãi và không phát sinh khí thải độc hại trong quá trình phát điện.

Tại Việt Nam, điều kiện địa lý và khí hậu mang lại tiềm năng khai thác năng lượng mặt trời đáng kể với lượng bức xạ trung bình đạt khoảng 4–5 $\text{kWh/m}^2/\text{ngày}$ (tương đương trên 1.500 $\text{kWh/m}^2/\text{năm}$). Theo Quy hoạch phát triển điện lực quốc gia thời kỳ 2021–2030, tầm nhìn đến năm 2050 (Quy hoạch điện VIII), tổng tiềm năng điện mặt trời của Việt Nam ước tính đạt khoảng 963.000 MW (trong đó tiềm năng trên mặt đất khoảng 837.400 MW, mặt nước khoảng 77.400 MW và mái nhà khoảng 48.200 MW). Mục tiêu đến năm 2030 tổng công suất tăng thêm khoảng 4.100 MW và định hướng đến năm 2050 đạt 168.294 MW, đóng góp sản lượng từ 252,1 đến 291,5 tỷ kWh. Các dự án quy mô lớn đã đi vào vận hành tiêu biểu gồm Nhà máy điện mặt trời Trung Nam Thuận Bắc (450 MW), Cụm nhà máy Dầu Tiếng DT1 và DT2 (420 MW), Nhà máy điện mặt trời Phú Mỹ (330 MW).

Tuy nhiên, tốc độ phát triển nhanh của các nhà máy điện mặt trời quang điện (PV) tại miền Nam và Nam Trung Bộ dẫn tới tình trạng quá tải cục bộ hệ thống truyền tải. Bên cạnh đó, pin quang điện vẫn là nguồn năng lượng có chi phí đầu tư ban đầu đáng kể, trong khi đặc tuyến làm việc công suất - điện áp ($P-V$) của pin phi tuyến và thay đổi liên tục theo điều kiện thời tiết (bức xạ ánh sáng, nhiệt độ môi trường). Để khai thác tối đa công suất phát và nâng cao hiệu quả kinh tế của mô hình điện mặt trời hòa lưới—loại hình chiếm đa số tại Việt Nam nhờ cơ chế giảm chi phí lắp ráp lưu trữ và bán điện dư thừa cho Tập đoàn Điện lực Việt Nam (EVN)—việc nghiên cứu cấu trúc hệ thống, xây dựng mô hình toán học và áp dụng các thuật toán bám điểm công suất cực đại (MPPT) là vấn đề kỹ thuật cốt lõi.

Đề tài tốt nghiệp "Tìm hiểu hệ thống điện mặt trời hòa lưới, mô phỏng điều khiển" do sinh viên Trần Hữu Lợi thực hiện dưới sự hướng dẫn của TS. Quách Ngọc Thịnh tại Khoa Kỹ thuật điện, Trường Bách Khoa – Đại học Cần Thơ (tháng 06/2024), tập trung giải quyết các mục tiêu và nhiệm vụ sau:

  1. Tìm hiểu tổng quan về tiềm năng, công nghệ chuyển đổi năng lượng mặt trời và các cấu hình hệ thống điện mặt trời (nối lưới, độc lập, lai).
  2. Phân tích chi tiết cấu tạo, nguyên lý vật lý và thiết lập mô hình toán học của các thành phần trong chuỗi chuyển đổi điện mặt trời hòa lưới: tấm pin PV, bộ biến đổi tăng áp DC-DC (Boost Converter), và bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước (3-Phase Voltage Source Inverter).
  3. Khảo sát nguyên lý điều chế độ rộng xung sin (SPWM) và phân tích giải thuật bám điểm công suất cực đại MPPT bằng phương pháp Nhiễu loạn và Quan sát (Perturb & Observe - P&O) cùng phương pháp Điện dẫn gia tăng (Incremental Conductance - INC).
  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới ba pha, bao gồm giàn pin PV, mạch biến đổi công suất DC-DC Boost, bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha và bộ điều khiển MPPT.
  • Phạm vi nghiên cứu: Không gian học thuật tại Khoa Kỹ thuật điện, Trường Bách Khoa – Đại học Cần Thơ; dữ liệu bức xạ và định hướng quy hoạch năng lượng tại Việt Nam theo khung thời gian Quy hoạch điện VIII (giai đoạn 2021–2030, tầm nhìn 2050).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết vật lý bán dẫn, lý thuyết mạch điện tử công suất và giải thuật điều khiển tối ưu hóa trong kỹ thuật điện:

  • Lý thuyết hiệu ứng quang điện và mô hình pin quang điện: Cơ chế chuyển đổi photon thành dòng điện thông qua tiếp giáp $p-n$ bán dẫn Silic (hạt dẫn khuếch tán tạo điện trường tiếp xúc $U_{tx}$, khi chiếu sáng tạo cặp điện tử - lỗ trống sinh ra suất điện động quang điện). Mô hình tương đương một diode gồm nguồn dòng quang điện ($I_{ph}$), diode tiếp giáp, điện trở nối tiếp ($R_s$) và điện trở song song ($R_{sh}$).
  • Lý thuyết biến đổi điện tử công suất: Nguyên lý đóng cắt van bán dẫn (MOSFET/IGBT), định luật bảo toàn năng lượng và cân bằng vôn-giây trên cuộn cảm, cân bằng điện tích trên tụ điện trong bộ biến đổi DC-DC Boost; lý thuyết nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước và giải tích chuỗi Fourier để phân tích phổ sóng hài điện áp ngõ ra.
  • Lý thuyết điều chế xung và thuật toán tối ưu hóa: Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (Sinusoidal PWM - SPWM) dựa trên so sánh sóng mang tam giác tần số cao ($f_x$) với sóng điều biến hình sin ($f_1$); lý thuyết bám điểm cực trị hàm công suất $P(V)$ dựa trên đạo hàm $dP/dV = 0$ tại điểm MPP.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Hệ thống hóa các công nghệ điện mặt trời (PV, CSP), phân loại cấu trúc hệ thống (On-grid, Off-grid, Hybrid) và tổng hợp số liệu bức xạ, quy hoạch năng lượng tái tạo tại Việt Nam.
  • Phương pháp mô hình hóa toán học: Thiết lập hệ phương trình vi tích phân và hàm đại số biểu diễn đặc tính tĩnh và động của từng mắt xích trong hệ thống chuyển đổi năng lượng.
  • Phương pháp phân tích thuật toán điều khiển: Xây dựng lưu đồ thuật toán, xác định quy tắc cập nhật điện áp tham chiếu ($V_{ref}$) và chu kỳ nhiệm vụ ($d$) cho hai thuật toán MPPT (P&O và INC).

Nguồn dữ liệu sử dụng: Số liệu thống kê bức xạ mặt trời tại các tỉnh thành Việt Nam; số liệu công suất các nhà máy điện mặt trời tiêu biểu; các chỉ tiêu kỹ thuật trong Quyết định phê duyệt Quy hoạch điện VIII; tài liệu nghiên cứu chuyên ngành điện tử công suất và công bố quốc tế về điều khiển MPPT (như công trình của Riza M., 2003).

Thiết kế và phân tích kỹ thuật hệ thống

Hệ thống điện mặt trời hòa lưới được cấu thành từ 4 khối chức năng chính liên kết tuần tự: Tấm pin mặt trời $\rightarrow$ Bộ tăng áp DC-DC $\rightarrow$ Bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha (DC-AC) $\rightarrow$ Lưới điện/Tải tiêu thụ, dưới sự giám sát của Bộ điều khiển MPPT.

+---------------+     +---------------+     +--------------------+     +-------------+
| Giàn pin mặt  | --> |  Bộ tăng áp   | --> | Bộ nghịch lưu      | --> | Lưới điện & |
| trời (PV)     |     |  DC-DC Boost  |     | nguồn áp 3 pha VSI |     | Tải tiêu thụ|
+---------------+     +---------------+     +--------------------+     +-------------+
        ^                     ^                        ^
        |                     |                        |
        +-------[ Bộ điều khiển MPPT ]                 +---[ Bộ điều chế SPWM ]

1. Cấu trúc vật lý và mô hình toán học tấm pin quang điện (PV)

Về mặt cơ khí và vật liệu, tấm pin PV thương mại bao gồm 8 thành phần cấu tạo:

  • Khung nhôm: Hợp kim nhôm anode hóa có thanh gia cố ngang, bảo vệ tế bào quang điện trước tải trọng gió và ngoại lực.
  • Kính cường lực: Độ dày từ 2–4 mm (phổ biến 3,3 mm), chịu va đập của mưa đá đường kính $\le 2,5\text{ cm}$, độ trong suốt cao giảm phản xạ ánh sáng.
  • Lớp màng EVA (Ethylene Vinyl Acetate): 2 lớp polymer dán trên và dưới solar cell, giúp chống ẩm, giảm rung động cơ học và chịu dải nhiệt độ khắc nghiệt.
  • Lớp Solar cell: Tế bào quang điện bán dẫn Silic (loại mono, poly hoặc màng mỏng) liên kết qua các thanh busbar và dây ribbon.
  • Tấm nền pin (Backsheet): Vật liệu polymer cách điện, chống ẩm (nhựa PP, PVF, PET); hoặc cấu trúc kính hai mặt (như dòng pin BiKu của Canadian Solar).
  • Hộp đấu dây (Junction Box): Đặt phía sau, chứa diode bypass và đầu ra điện áp.
  • Cáp điện DC: Dây dẫn chuyên dụng chống tia cực tím (UV), kháng ẩm và chịu điện áp DC cao.
  • Đầu nối MC4: Jack nối tiêu chuẩn của nhà sản xuất Multi-Contact cho phép đấu ghép chuỗi mô-đun an toàn.

Mô hình toán học của pin PV mô tả mối quan hệ giữa dòng điện ngõ ra $I$ và điện áp $V$: $$I = I_{ph} - I_d - I_{sh} = I_{ph} - I_s \left[ \exp\left(\frac{q(V + R_s I)}{n k T}\right) - 1 \right] - \frac{V + R_s I}{R_{sh}}$$

Trong đó: $I_{ph}$ là dòng quang điện; $I_s$ là dòng bão hòa ngược diode; $q = 1,602 \times 10^{-19}\text{ C}$; $k = 1,38 \times 10^{-23}\text{ J/K}$; $T$ là nhiệt độ tuyệt đối của tiếp giáp ($K$); $n$ là hệ số lý tưởng ($n \approx 1$); $R_s$ là điện trở nối tiếp; $R_{sh}$ là điện trở song song (shun).

  • Dòng điện ngắn mạch ($V = 0$, bỏ qua $R_s$ và $R_{sh} \to \infty$): $$I_{sc} = I_{ph} = \alpha E$$ ($E$ là cường độ bức xạ chiếu sáng, $\alpha$ là hệ số tỉ lệ; $I_{sc}$ tỷ lệ thuận trực tiếp với cường độ bức xạ).
  • Điện áp hở mạch ($I = 0$): $$V_{oc} = \frac{n k T}{q} \ln\left( \frac{I_{ph} + I_s}{I_s} \right)$$ ($V_{oc}$ phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ $T$ và gián tiếp qua dòng bão hòa $I_s$).

2. Bộ biến đổi tăng áp DC-DC (Boost Converter)

Mạch Boost gồm 4 linh kiện cơ bản: Cuộn cảm $L$, khóa chuyển mạch tích cực MOSFET, diode chuyển mạch $D$ và tụ điện lọc ngõ ra $C$.

  • Chế độ MOSFET dẫn ($T_{on}$): Diode $D$ phân cực ngược, nguồn nạp năng lượng vào cuộn cảm $L$ làm dòng điện $i_L$ tăng tuyến tính; tụ điện $C$ phóng điện duy trì điện áp cho tải.
  • Chế độ MOSFET ngắt ($T_{off}$): Cuộn cảm $L$ sinh ra sức điện động tự cảm chống lại sự giảm dòng, cộng dồn với điện áp nguồn $V_{in}$ làm diode $D$ phân cực thuận, nạp điện tích cho tụ $C$ và cấp năng lượng cho tải.

Hệ thức toán học xác lập ở chế độ dẫn liên tục (CCM) với chu kỳ nhiệm vụ $d$ ($0 < d < 1$):

  • Tỷ số biến đổi điện áp: $$V_{out} = \frac{1}{1 - d} V_{in}$$
  • Tỷ số dòng điện trung bình (bỏ qua tổn hao công suất): $$I_{out} = (1 - d) I_{in}$$
  • Độ nhấp nhô dòng điện đỉnh - đỉnh qua cuộn cảm: $$\Delta I = \frac{U_s d}{f L}$$
  • Độ nhấp nhô điện áp đỉnh - đỉnh trên tụ điện: $$\Delta U_c = \frac{I_a d}{f C}$$
  • Điều kiện duy trì dòng qua cuộn cảm và điện áp trên tụ liên tục: $$L_c = \frac{d(1-d)^2 R}{2f}$$

3. Bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước và điều chế SPWM

Bộ nghịch lưu sử dụng cầu 3 nhánh gồm 6 khóa bán dẫn công suất ($S_1$ đến $S_6$). Chu kỳ $360^\circ$ được chia thành 6 khoảng dẫn ($60^\circ/\text{bước}$):

  • Bước 1 ($0^\circ - 60^\circ$): $S_1, S_5, S_6$ dẫn.
  • Bước 2 ($60^\circ - 120^\circ$): $S_1, S_2, S_6$ dẫn.
  • Bước 3 ($120^\circ - 180^\circ$): $S_1, S_2, S_3$ dẫn.
  • Bước 4 ($180^\circ - 240^\circ$): $S_3, S_4, S_2$ dẫn.
  • Bước 5 ($240^\circ - 300^\circ$): $S_3, S_4, S_5$ dẫn.
  • Bước 6 ($300^\circ - 360^\circ$): $S_4, S_5, S_6$ dẫn.

Phân tích chuỗi Fourier điện áp dây tức thời $u_{ab}$ xác nhận không chứa sóng hài bậc chẵn và sóng hài bậc nhân ba ($n = 3, 9, 15...$): $$u_{ab}(t) = \sum_{n=1,3,5...}^{\infty} \frac{4 U_s}{n \pi} \sin\left(\frac{n\pi}{2}\right) \sin\left(\frac{n\pi}{3}\right) \sin\left(n\omega t + \frac{\pi}{6}\right)$$

  • Giá trị hiệu dụng điện áp dây: $$U_L = \sqrt{\frac{2}{3}} U_s \approx 0,8165 U_s$$
  • Giá trị hiệu dụng thành phần sóng hài cơ bản ($n=1$): $$U_{L1} = \frac{4 U_s \sin 60^\circ}{\pi \sqrt{2}} \approx 0,7797 U_s$$
  • Giá trị hiệu dụng điện áp pha: $$U_p = \frac{U_L}{\sqrt{3}} = \frac{\sqrt{2} U_s}{3} \approx 0,4714 U_s$$

Nguyên lý điều chế SPWM: So sánh 3 tín hiệu sóng sin mẫu ($u_{ra}, u_{rb}, u_{rc}$ lệch pha nhau $120^\circ$) với sóng mang tam giác ($u_{cr}$). Khi $u_{ra} > u_{cr}$, khóa nhánh trên đóng ($g_1 = 1$), khóa nhánh dưới mở ($g_4 = 0$). Hệ số điều chế tần số $m_f = f_{cm}/f_1$ được chọn là số lẻ bội số của 3 để triệt tiêu hoàn toàn sóng hài bậc chẵn trong điện áp pha.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống điện mặt trời

Chương 1 trình bày toàn diện bối cảnh chuyển dịch năng lượng, vai trò của năng lượng mặt trời, tiềm năng tự nhiên và cơ sở pháp lý tại Việt Nam. Tác giả phân tích hai phương thức chuyển đổi năng lượng mặt trời: chuyển đổi trực tiếp quang điện (PV) và chuyển đổi nhiệt điện mặt trời tập trung (CSP).

Đối với công nghệ CSP, tác giả hệ thống hóa 4 dạng công nghệ chính trên thế giới:

  1. Máng Parabol (Parabolic Trough)
  2. Tháp nhiệt (Solar Tower)
  3. Hệ thống gương Fresnel tuyến tính (Linear Fresnel)
  4. Đĩa nhiệt Stirling (Dish Stirling - hiệu suất cao nhưng nhược điểm là không tích hợp được bộ lưu trữ nhiệt)

Chương này cũng phân loại 3 cấu trúc hệ thống điện mặt trời chính và so sánh đặc tính vận hành:

Tiêu chí Hệ thống nối lưới (On-grid) Hệ thống độc lập (Off-grid) Hệ thống lai (Hybrid)
Kết nối lưới điện Có kết nối trực tiếp Không kết nối lưới Kết nối lưới linh hoạt
Hệ thống lưu trữ Không dùng ắc quy Bắt buộc dùng ắc quy Có ắc quy lưu trữ dự phòng
Cơ chế khi mất lưới Tự động ngắt phát điện Vẫn hoạt động từ ắc quy/pin Tự chuyển sang cấp tải ưu tiên từ ắc quy
Ưu điểm Chi phí đầu tư thấp, tuổi thọ lên tới 25 năm, bán điện dư cho EVN Cấp điện vùng sâu vùng xa, không phụ thuộc lưới Cấp điện liên tục cả khi lưới mất điện
Nhược điểm Mất điện lưới thì hệ thống ngừng cấp điện Phụ thuộc hoàn toàn thời tiết, chi phí ắc quy cao Cấu trúc phức tạp, chi phí đầu tư và bảo trì cao

Chương 2: Hệ thống điện mặt trời hòa lưới

Chương 2 là phần nội dung trọng tâm của đồ án, đi sâu vào cấu tạo vật lý, mô hình hóa toán học và nguyên lý điều khiển của từng phân hệ:

  • Phân tích tế bào quang điện Silic: Đơn tinh thể (hiệu suất đến 16%, giá thành cao), Đa tinh thể (giá thành thấp hơn, diện tích đóng gói tối ưu), Dải Silic màng mỏng (giá rẻ nhất, hiệu suất thấp nhất). Hiệu suất tấm pin thương mại dao động từ 15% đến 23%.
  • Xây dựng hệ phương trình giải tích: Chi tiết hóa phương trình dòng điện quang điện, điện áp hở mạch $V_{oc}$, dòng ngắn mạch $I_{sc}$, và biểu diễn sự dịch chuyển của điểm công suất cực đại (MPP) dưới các mức bức xạ và nhiệt độ khác nhau.
  • Mô hình hóa mạch Boost Converter và Inverter 3 pha: Trình bày chi tiết sơ đồ nguyên lý, trạng thái đóng cắt của 6 van bán dẫn trong 6 bước chuyển mạch, thiết lập hệ thức Fourier của điện áp dây và điện áp pha, cùng nguyên lý phát xung SPWM.
  • Nghiên cứu thuật toán MPPT:
    • Thuật toán Nhiễu loạn và Quan sát (P&O): Hoạt động theo nguyên tắc thay đổi định kỳ điện áp làm việc một lượng $\Delta V$, đo công suất $P(k)$ và so sánh với $P(k-1)$. Nếu $\Delta P > 0$, tiếp tục thay đổi điện áp theo hướng cũ; nếu $\Delta P < 0$, đảo chiều bước nhảy điện áp.
    • Thuật toán Điện dẫn gia tăng (INC): Dựa trên đạo hàm công suất theo điện áp: $\frac{dP}{dV} = \frac{d(VI)}{dV} = I + V \frac{dI}{dV}$. Tại điểm MPP thì $\frac{dP}{dV} = 0 \Leftrightarrow \frac{dI}{dV} = -\frac{I}{V}$ (độ dẫn vi phân bằng đối số của độ dẫn tĩnh). Thuật toán khắc phục được hiện tượng dao động quanh điểm cực trị khi điều kiện môi trường ổn định.

Chương 3: Kết luận và kiến nghị

Chương 3 tổng kết các nội dung đã đạt được về mặt lý thuyết, đánh giá mức độ hoàn thành nhiệm vụ tìm hiểu cấu trúc hệ thống điện mặt trời hòa lưới và đề xuất các định hướng phát triển thực nghiệm trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

  • Tổng hợp cơ sở dữ liệu kỹ thuật và chính sách: Hệ thống hóa bức tranh toàn cảnh về tiềm năng điện mặt trời tại Việt Nam dựa trên Quy hoạch điện VIII (tiềm năng 963.000 MW; mục tiêu 2030 tăng 4.100 MW; mục tiêu 2050 đạt 168.294 MW) và khảo sát thông số các nhà máy điện mặt trời công suất lớn (Trung Nam Thuận Bắc 450 MW, Dầu Tiếng 420 MW, Phú Mỹ 330 MW).
  • Chuẩn hóa mô hình toán học cho chuỗi biến đổi năng lượng: Thiết lập đầy đủ hệ phương trình toán học mô tả hoạt động của tế bào quang điện (tính toán $I_{sc}, V_{oc}$), bộ tăng áp DC-DC Boost ($V_{out} = V_{in}/(1-d)$, điện cảm tới hạn $L_c$), và bộ nghịch lưu 3 pha (các hệ số điện áp hiệu dụng $U_L = 0,8165 U_s$, $U_p = 0,4714 U_s$).
  • Làm rõ cơ chế điều chế và giải thuật điều khiển tối ưu: Phân tích chi tiết quy luật đóng cắt 6 bước của nghịch lưu 3 pha, cơ chế triệt tiêu sóng hài bậc chẵn và bậc nhân ba trong điện áp dây, cùng lưu đồ điều khiển bám điểm công suất cực đại của hai thuật toán P&O và INC hướng tới mô phỏng điều khiển.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Đề tài dừng lại ở mức độ tổng quan lý thuyết, thiết lập mô hình toán học và phân tích nguyên lý giải thuật. Văn bản chưa triển khai chạy mô phỏng vòng lặp kín trên phần mềm chuyên dụng (như MATLAB/Simulink hay PSIM) cũng như chưa xây dựng mô hình thực nghiệm phần cứng để kiểm chứng đáp ứng động của thuật toán khi bức xạ thay đổi đột ngột.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Xây dựng mô hình mô phỏng hoàn chỉnh hệ thống điện mặt trời hòa lưới trên máy tính để đánh giá định lượng hiệu suất của hai thuật toán P&O và INC.
    2. Nghiên cứu sâu hơn về các giải thuật MPPT tiên tiến trong điều kiện che khuất bóng râm một phần (Partial Shading).
    3. Bổ sung các giải pháp điều khiển đồng bộ lưới (như khóa vòng pha PLL) và thiết kế bộ lọc tích cực nhằm nâng cao chất lượng điện năng hòa lưới.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo hữu ích cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật điện, Kỹ thuật điều khiển & Tự động hóa, Năng lượng tái tạo và Điện tử công suất:

  • Phần mô hình toán học pin PV và mạch Boost: Cung cấp hệ thống công thức giải tích chuẩn xác, phục vụ tính toán thông số mạch phần cứng và thiết kế đồ án môn học Điện tử công suất.
  • Phần phân tích nghịch lưu 3 pha và điều chế SPWM: Hỗ trợ sinh viên nắm vững nguyên lý chuyển mạch 6 bước, cách phân tích sóng hài Fourier và logic tạo xung kích van bán dẫn.
  • Phần giải thuật MPPT: Cung cấp tài liệu nền tảng cho các đề tài nghiên cứu tiếp theo về mô phỏng và xây dựng bộ điều khiển nhúng bám điểm cực đại công suất nguồn pin mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

1. Cấu tạo cơ bản của một tấm pin quang điện (PV) gồm những thành phần nào theo mô tả trong đồ án? Tấm pin quang điện thương mại được cấu tạo từ 8 bộ phận: (1) Khung nhôm anode hóa; (2) Kính cường lực dày 2–4 mm (phổ biến 3,3 mm); (3) Hai lớp màng polymer kết dính EVA; (4) Lớp tế bào quang điện (Solar cell làm từ silic mono hoặc poly); (5) Tấm nền bảo vệ phía sau (polymer, PP, PVF, PET hoặc kính cường lực); (6) Hộp đấu dây phía sau (Junction box); (7) Cáp điện DC chuyên dụng chống UV và thời tiết; (8) Đầu nối tiêu chuẩn Jack MC4.

2. Dòng điện ngắn mạch $I_{sc}$ và điện áp hở mạch $V_{oc}$ của pin mặt trời phụ thuộc vào những yếu tố môi trường nào? Theo mô hình toán học, dòng điện ngắn mạch $I_{sc} = I_{ph} = \alpha E$ phụ thuộc trực tiếp và tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ ánh sáng $E$. Trong khi đó, điện áp hở mạch $V_{oc} = \frac{nkT}{q} \ln\left(\frac{I_{ph} + I_s}{I_s}\right)$ phụ thuộc trực tiếp vào nhiệt độ làm việc $T$ (hệ số nhiệt độ âm) và gián tiếp thông qua dòng bão hòa ngược $I_s$.

3. Vì sao điện áp dây của bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha 6 bước không chứa sóng hài bậc nhân 3? Qua phân tích chuỗi Fourier của điện áp dây tức thời: $$u_{ab}(t) = \sum_{n=1,3,5...}^{\infty} \frac{4 U_s}{n \pi} \sin\left(\frac{n\pi}{2}\right) \sin\left(\frac{n\pi}{3}\right) \sin\left(n\omega t + \frac{\pi}{6}\right)$$ Thành phần biên độ chứa thừa số $\sin\left(\frac{n\pi}{3}\right)$. Khi $n$ là bội số của 3 ($n = 3, 9, 15...$), giá trị $\sin(k\pi) = 0$, do đó tất cả các sóng hài bậc nhân 3 đều tự triệt tiêu trong điện áp dây.

4. Sự khác biệt căn bản trong việc cấp điện khi mất lưới giữa hệ thống On-grid và hệ thống Hybrid là gì? Ở hệ thống On-grid (nối lưới không lưu trữ), khi lưới điện bị cắt, hệ thống bắt buộc phải tự động ngắt điện từ giàn pin mặt trời để đảm bảo an toàn cho nhân viên bảo trì lưới. Ngược lại, hệ thống Hybrid (hòa lưới có lưu trữ) tích hợp thêm dàn ắc quy, khi lưới điện gặp sự cố sẽ tự động lấy nguồn DC từ ắc quy và pin mặt trời chuyển đổi thành điện AC 220V để tiếp tục duy trì cấp điện liên tục cho các tải ưu tiên.

5. Nguyên tắc cơ bản của thuật toán MPPT Nhiễu loạn và Quan sát (P&O) được thực hiện như thế nào? Thuật toán P&O tiến hành thay đổi (nhiễu loạn) điện áp làm việc của giàn pin một lượng $\Delta V$ qua việc điều chỉnh chu kỳ nhiệm vụ của bộ Boost. Sau đó, thuật toán đo đạc công suất mới $P(k)$ và so sánh với công suất chu kỳ trước $P(k-1)$. Nếu $\Delta P > 0$ (công suất tăng), thuật toán tiếp tục giữ nguyên chiều thay đổi điện áp; nếu $\Delta P < 0$ (công suất giảm), thuật toán sẽ đảo ngược chiều thay đổi điện áp để kéo điểm làm việc quay về phía điểm công suất cực đại MPP.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trần Hữu Lợi đã hệ thống hóa toàn diện cơ sở lý thuyết, tiềm năng ứng dụng và cấu trúc kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời hòa lưới tại Việt Nam. Công trình đã thiết lập thành công mô hình toán học chi tiết cho chuỗi chuyển đổi công suất từ pin quang điện PV, bộ tăng áp DC-DC Boost đến bộ nghịch lưu nguồn áp 3 pha điều chế SPWM. Các phân tích về thuật toán MPPT (P&O và INC) trong đồ án tạo tiền đề lý thuyết vững chắc cho các bước mô phỏng điều khiển và triển khai thực nghiệm hệ thống năng lượng tái tạo.