(Luận văn thạc sĩ hcmute) thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUỐC KHANH

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 0 4 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2013

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUỐC KHANH

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2013

Luan van


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUỐC KHANH

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2013

Luan van


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Phạm Quốc Khanh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1986

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Tiên Phước-Quảng Nam

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 115/22 Ấp Cầu Hang, Xã Hóa An, TP Biên Hịa, Tỉnh Đồng
Nai
Điện thoại liên lạc: 0908.088.996
E-mail:
II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 06/ 2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học:Kỹ thuật điện- điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mạch điều
khiển không dây thiết bị điện từ xa bằng máy tính
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:22/2/2009
Người hướng dẫn:Th.S. Nguyễn Trường Duy
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi cơng tác

2009-2010

Công ty Cổ phần Viễn thông VTC

Nhân viên kỹ thuật

2010-2012

Công ty TNHH SVProbe VN

PCB Designer

2012-nay

Cơng ty sản phẩm máy tính Fujitsu

Customer Engineer

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Công việc đảm nhiệm

Page i

Luan van


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.

Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013

Phạm Quốc Khanh

ii

Luan van


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Trương Việt Anh,
người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực
hiện quyển luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
trường Đại Học Bách Khoa và thầy TS. Lê Chí Kiên trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình nhận xét và đóng góp nhằm
hồn thiện luận văn.

Tơi xin chân thành cảm ơn q thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng
Đào Tạo đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong suốt q trình học tập và trong
q trình hồn thành quyển luận văn này.

Tơi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và
tạo mọi điều kiện để tôi hồn thành luận văn này.

Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở
bên tơi và động viên tơi rất nhiều để tơi hồn thành khóa học này.

Phạm Quốc Khanh.

iii

Luan van


TÓM TẮT
Ngày nay, việc phát triển trong lĩnh vực năng lượng gió và năng lượng mặt trời đã
đạt được nhiều thành tựu đáng kể, đây là các lĩnh vực năng lượng sạch và vơ tận.
Trong tình hình nhu cầu năng lượng ngày càng cao thì việc đa dạng hóa các nguồn
năng lượng từ các nguồn năng lượng mới và vô tận là một giải pháp hiệu quả và
luôn được khuyến khích phát triển. Các nguồn năng lượng này sẽ giảm bớt một
phần gánh nặng từ áp lực cung cấp điện năng của lưới điện, chủ yếu dựa vào nhiệt
điện và thủy điện của chúng ta hiện nay. Tuy nhiên, có một số hạn chế đó là cơng
suất nhỏ và phân tán. Để sử dụng có hiệu quả cần phải kết nối các nguồn năng
lượng này thông qua lưới điện phân phối hiện có bằng các bộ nghịch lưu có khả
năng kết nối với lưới điện xoay chiều.
Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này[1,2], tuy nhiên mục tiêu điều khiển chủ yếu
tập trung điều kiển dịng cơng suất tác dụng P và công suất phản kháng Q với các
điều kiện ràng buộc như tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp nguồn DC
của bộ nghịch lưu không thay đổi, tuy nhiên, trong thực tế các giá trị này thay đổi
đáng kể.
Luận văn tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới
AC có khả năng tự động ổn định và điều khiển dịng điện bơm vào lưới với cơng
suất Q ln ở mức rất thấp ( hệ số công suất luôn ở mức 0.98 đến gần bằng 1) ngay
cả khi có sự thay đổi điện áp, tần số lưới điện và điện áp đặt vào nguồn DC của bộ
nghịch lưu bị thay đổi.
Đặc biệt, trong luận văn cũng đề xuất một giải pháp mới trong việc giảm nhiễu hài

bậc cao cho dòng điện mà bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện. Giải thuật này giúp
nâng cao hiệu suất và chất lượng điện năng của bộ nghịch lưu so với các phương
pháp điều khiển hiện có.

iv

Luan van


ABSTRACT
Nowaday, wind and solar energy have been developing successfully, both field are
green and renewable resource. More and more higher energy demand in our life
need diversity of resource with enjoying of green and renewable is the effective
aproach, which are always encouraged. Those resource will redue demand of energy
from hydroelectric plant and thermoelectricity plant on power system. However,
solar energy have low rate power and dispersion. To increase efficiency of solar
energy need to connect them with power network via invertor, which can link to
power system.
There are some research into this field[1,2], main control target are adjustment
active power flow P and reactive power flow Q with some limited condition about
frequency, amplitude of power grid voltage and photovoltaic cell voltage. Actually,
they are variable values.
This thesis present a new approach for invertor link to power system. They can
maintenance current amplitude and reactive power is very lower than active power
P ( power factor was maintenanced from 0.98 to 1) event frequency, amplitude of
power grid voltage and photovoltaic cell voltage were change.
Specially, the thesis present new approach to redue total harmonic disturbance of
current flow inject to power grid from invertor, increase power quality. In order
hand, they cant redue loss energy of operation of electronic switch device when
compare with current aproachs.

v

Luan van


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
LÝ LỊCH KHOA HỌC............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iii
TÓM TẮT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ..................................................................................... ix
chương 0: GIỚI THIỆU
I. Đặt vấn đề : .......................................................................................................... 1
II. Nhiệm vụ của luận văn :...................................................................................... 1
III. Phạm vi nghiên cứu: .......................................................................................... 1
IV. Phương pháp nghiên cứu : ................................................................................. 2
V. Điểm mới của luận văn : ..................................................................................... 2
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài :................................................................................ 2
VII. Nội dung luận văn : .......................................................................................... 3
chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính cần thiết. ................................................................................................... 4
1.2 Hòa đồng bộ hai máy phát. ............................................................................... 5
1.2.1 Hòa đồng bộ. .......................................................................................... 5

1.2.2. Phân tích các điều kiện hịa. .................................................................... 7
1.3 Các nghiên cứu khoa học liên quan................................................................. 10
1.3.1. Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết
nối nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [1]............................................. 11
1.3.2 Điều chỉnh chỉnh công suất phản kháng và điều khiển hệ số công
suất khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện [2]....................... 13

vi

Luan van


1.4 Nhược điểm của các nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu của luận
văn. ........................................................................................................... 15
1.4.1 Nhược điểm của nghiên cứu [1]. ............................................................ 15
1.4.2. Nhược điểm của nghiên cứu [2]. ........................................................... 15
1.4.3. Hướng nghiên cứu của luận văn............................................................ 15
chương 2: PHƯƠNG TRÌNH TỐN VÀ GIẢI THUẬT
2.1 Sơ đồ kết nối................................................................................................... 16
2.2 Cơng thức tính P và Q khi bơm vào lưới điện. ................................................ 17
2.3 Cơng thức tính dịng điện I bơm vào lưới điện không đổi................................ 18
2.4 Sơ đồ khối kết nối của bộ nghịch lưu vào lưới điện phân phối. ....................... 19
2.5 Giải thuật giảm tổng méo dạng sóng hài THD cho dịng điện của bộ
nghịch lưu bơm vào lưới điện phân phối: .................................................. 26
chương 3: SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
3.1 Các khối khi mô phỏng trên Matlab: ............................................................... 32
3.1.1 Khối công suất:..................................................................................... 32
3.1.2 Vi điều khiển và bộ trễ.......................................................................... 35
3.1.3 Khối tạo điều kiện làm việc: ................................................................. 37
3.1.4 Khối đo lường: ..................................................................................... 40

3.2 Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab: ............................................... 41
3.2.1 Mơ phỏng khi bơm dịng điện khơng đổi vào lưới điện khi các điều
kiện bên ngồi khơng thay đổi (U=220V,f=50Hz,Vdc=480V) ........................ 41
3.2.1.1 Khi muốn bơm dòng điện hiệu dụng 20A vào lưới điện: ................. 41
3.2.1.2 Khi bơm dòng điện 30A hiệu dụng vào lưới điện phân phối: ........... 48
3.2.2 Khi có sự thay đổi biên độ điện áp trên lưới điện phân phối với điện
áp pin mặt trời 480VDC và tần số lưới điện 50Hz .......................................... 55
3.2.2.1 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống còn 180V..................... 55
3.2.2.2 Khi điện áp lưới điện tăng từ 220V lên đến 260V........................... 58
3.2.3 Khi có sự thay đổi tần số điện áp trên lưới điện phân phối với điện
áp pin mặt trời 480VDC và điện áp lưới điện 220V hiệu dụng........................ 62

vii

Luan van


3.2.3.1 Khi tần số lưới điện giảm từ 50 Hz xuống 48Hz. ............................ 62
3.2.3.2 Khi tần số lưới điện tăng từ 50 Hz lên 52Hz. .................................. 65
3.2.4 Khi có sự thay đổi điện áp nguồn pin mặt trời với điện áp lưới điện
220V hiệu dụng và tần số điện áp lưới 50Hz .................................................. 69
3.2.4.1 Khi dòng điện áp nguồn năng lượng mặt trời giảm từ 480Vdc
xuống còn 440V ......................................................................................... 69
3.2.4.2 Khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời tăng từ 480Vdc lên đến
520V........................................................................................................... 72
3.2.5 Khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện phân phối đều
thay đổi .......................................................................................................... 76
3.2.5.1 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống 180V và điện áp
nguồn điện pin mặt trời giảm từ 480V xuống 440V. ................................... 76
3.2.5.2 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống 180V và điện áp

nguồn điện pin mặt trời tăng từ 480V lên 520V. ......................................... 79
3.2.5.3 Khi điện áp lưới điện tăng từ 180V lên 260V và điện áp nguồn
điện pin mặt trời giảm từ 520V xuống 440V. .............................................. 82
3.2.5.4 Khi điện áp lưới điện tăng từ 180V lên 260V và điện áp nguồn
điện pin mặt trời tăng từ 480V lên 520V. .................................................... 85
3.3 Nhận xét ........................................................................................................ 88
chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết luận: ......................................................................................................... 89
4.2 Hướng phát triển:............................................................................................ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 92

viii

Luan van


DANH SÁCH CÁC HÌNH
Hình 1. 1: Cơng tác song song ........................................................................................... 6
Hình 1. 2: Sơ đồ biểu thị vecto khi hịa .............................................................................. 7
Hình 1. 3: Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mãn mà các điều kiện khác thảo mãn ......... 7
Hình 1. 4: Sơ đồ hệ thống ba pha quét tơ quay ................................................................. 10
Hình 1. 5: Sơ đồ điều khiển của [1] ................................................................................. 12
Hình 1. 6: Kết quả mơ phỏng P, Q, S, I. của [1] ............................................................... 12
Hình 1. 7: Giải thuật điều khiển của [2] ........................................................................... 14
Hình 1. 8: Kết quả nghiên cứu của [2] ............................................................................. 14

Hình 2. 1: Sơ đồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện phân phối
một pha ......................................................................................................... 16
Hình 2. 2: Sơ đồ tương đương khi kết nối ........................................................................ 16
Hình 2. 3: Giản đồ vectơ của các thơng số khi hịa ........................................................... 17

Hình 2. 4: Sơ đồ khối kết nối. .......................................................................................... 20
Hình 2. 5: Giản đồ xung kích bộ nghịch lưu một pha bằng phương pháp SPWM ............. 23
Hình 2. 6: Giản đồ dịng điện và điện áp ngõ ra nghịch lưu dùng phương pháp
SPWM .......................................................................................................... 24
Hình 2. 7: Sơ đồ chuyển mạch giữa hai điện áp V1 và V2 ............................................... 26
Hình 2. 8: Sơ đồ chuyển mạch giữa hai điện áp V1 và V2 đồng thời có sự tham gia
của điện áp xoay chiều .................................................................................. 28
Hình 2. 9: Sơ đồ qui đổi tương đương từ sơ đồ chuyển mạch có sự tham gia của sóng
sin về dạng chuyển mạch hai nguồn DC cơ bản ............................................. 29
Hình 2. 10: Sơ đồ tương đương mạch nghịch lưu hòa lưới trong một bán kì sóng điều
khiển ............................................................................................................. 29
Hình 2. 11: Hình minh họa cho chứng minh về thời gian đóng ngắt mạch điện IGBT
trong một chu kì sóng mang tam giác. ........................................................... 31

Hình 3. 1: Sơ đồ kết nối mơ phỏng trên phần mềm Matlab .............................................. 32

ix

Luan van


Hình 3. 2: Sơ đồ khối của khối cơng suất ......................................................................... 32
Hình 3. 3: Sơ đồ kết nối giữa các bộ nghịch lưu với lưới điện phân phối bên trong
khối cơng suất. .............................................................................................. 33
Hình 3. 4: Sơ đồ kết nối bên trong bộ nghịch lưu. ............................................................ 34
Hình 3. 5: Mơ hình mạng đ iện phân phối trong mơ phỏng matlab.................................... 34

Hình 3. 6: Sơ đồ khối của bộ vi điều khiển ...................................................................... 35
Hình 3. 7: Lưu đồ giải thuật cơ bản của vi điều khiển ...................................................... 36
Hình 3. 8: Sơ đồ khối tạo tín hiệu vào ra của mạch mơ phỏng .......................................... 37

Hình 3. 9: Lưu đồ chương trình của khối tạo mơi trường mơ phỏng ................................. 39
Hình 3. 11: Sơ đồ khối kết nối bên trong của bộ đo lường................................................ 40
Hình 3. 10: Sơ đồ khối đo lường ..................................................................................... 40

Hình 3. 12: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 42
Hình 3. 13: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối ................................................................. 42
Hình 3. 14: Đồ thị phân tích FFT cho dịng điện tổng bơm vào lưới điện ......................... 43
Hình 3. 15: Đồ thị khi phân tích FFT cho dòng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm
vào lưới điện ................................................................................................. 43
Hình 3. 16: Đồ thị khi phân tích FFT cho dịng điện của bộ nghịch lưu thứ hai bơm
vào lưới điện ................................................................................................. 44
Hình 3. 17: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào lưới điện
phân phối ...................................................................................................... 44
Hình 3. 18: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 45
Hình 3. 19: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 45
Hình 3. 20: Đồ thị dòng điện của bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện.................................. 46
Hình 3. 21: Đồ thị dịng điện bơm vào lưới điện trong một chu kì điện áp lưới điện ......... 46
Hình 3. 22: Đồ thị phân tích FFT cho dòng điện bơm vào lưới điện ................................. 47

x

Luan van


Hình 3. 23 Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện bơm
vào lưới điện ................................................................................................. 47
Hình 3. 24: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 48

Hình 3. 25: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối ................................................................. 48
Hình 3. 26 Đồ thị phân tích FFT cho dịng điện tổng bơm vào lưới điện .......................... 49
Hình 3. 27: Đồ thị khi phân tích FFT cho dịng điện của bộ nghịch lưu thứ nhất bơm
vào lưới điện ................................................................................................. 49
Hình 3. 28: Đồ thị khi phân tích FFT cho dịng điện của bộ nghịch lưu thứ hai bơm
vào lưới điện ................................................................................................. 50
Hình 3. 29: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 50
Hình 3. 30: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 51
Hình 3. 31: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 51
Hình 3. 32 Đồ thị dịng điện của bộ nghịch lưu bơm vào lưới điện................................... 52
Hình 3. 33: Đồ thị dòng điện bơm vào lưới điện trong một chu kì điện áp lưới điện ......... 52
Hình 3. 34: Đồ thị dòng điện bơm vào lưới điện trong một chu kì điện áp lưới điện ......... 53
Hình 3. 35 Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng bơm vào lưới điện. .......... 53
Hình 3. 36 Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng ..................... 55
Hình 3. 37: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 56
Hình 3. 38: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 56
Hình 3. 39: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 57
Hình 3. 40: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 57

xi

Luan van

Hình 3. 41: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 58
Hình 3. 42: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 58
Hình 3. 43: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 59
Hình 3. 44: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 59
Hình 3. 45: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 60
Hình 3. 46: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 60
Hình 3. 47: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 61
Hình 3. 48: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 62
Hình 3. 49: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 63
Hình 3. 50: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 63
Hình 3. 51: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 64
Hình 3. 52: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện của bộ
nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện phân phối .......................................... 64
Hình 3. 53: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện của bộ
nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện phân phối ............................................ 65
Hình 3. 54: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 65
Hình 3. 55: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 66
Hình 3. 56: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một

chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 66

xii

Luan van


Hình 3. 57: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 67
Hình 3. 58: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện của bộ
nghịch lưu thứ nhất bơm vào lưới điện phân phối .......................................... 67
Hình 3. 59: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện của bộ
nghịch lưu thứ hai bơm vào lưới điện phân phối ............................................ 68
Hình 3. 60: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng .................... 69
Hình 3. 61: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 70
Hình 3. 62: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 70
Hình 3. 63: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 71
Hình 3. 64: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 71
Hình 3. 65: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 72
Hình 3. 66: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 72
Hình 3. 67: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 73
Hình 3. 68: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 73
Hình 3. 69: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng

bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 74
Hình 3. 70: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 74
Hình 3. 71: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 75
Hình 3. 72: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng .................... 76

xiii

Luan van


Hình 3. 73: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 76
Hình 3. 74: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 77
Hình 3. 75: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 77
Hình 3. 76: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 78
Hình 3. 77: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 78
Hình 3. 78: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 79
Hình 3. 79: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 79
Hình 3. 80: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 80
Hình 3. 81: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 80
Hình 3. 82: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ

nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 81
Hình 3. 83: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 81
Hình 3. 84: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng .................... 82
Hình 3. 85: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 82
Hình 3. 86: Đồ thị các dòng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 83
Hình 3. 87: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của dòng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 83

xiv

Luan van


Hình 3. 88: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 84
Hình 3. 89: Đồ thị công suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 84
Hình 3. 90: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng .................... 85
Hình 3. 91: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dịng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối điện trước sự cố ....................................... 85
Hình 3. 92: Đồ thị các dịng điện của từng bộ nghịch lưu và dòng điện tổng trong một
chu kì điện áp lưới điện phân phối sau sự cố.................................................. 86
Hình 3. 93: Đồ thị cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng của dịng điện tổng
bơm vào lưới điện phân phối ......................................................................... 86
Hình 3. 94: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ
nhất bơm vào lưới điện phân phối ................................................................. 87
Hình 3. 95: Đồ thị cơng suất tác dụng và công suất phản kháng của bộ nghịch lưu thứ

hai bơm vào lưới điện phân phối ................................................................... 87

xv

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

I. Đặt vấn đề :
Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch ln gây ơ
nhiễm môi trường, đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên. Việc tìm ra
nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu. Năng lượng mặt trời, năng
lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có cơng suất khơng lớn và
rất khơng tập trung. Để tận dụng có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng
lượng này thông qua hệ thống lưới điện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có
khả năng kết nối với điện xoay chiều.
Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1, 2], tuy nhiên các mục tiêu điều khiển
chủ yếu tập trung điều khiển dịng cơng suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q
với các điều kiện ràng buộc như tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp DC
của bộ nghịch lưu không thay đổi, tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này thay đổi
đáng kể.
Luận văn này tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối
lưới AC có khả năng tự động ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới với
công suất Q luôn ở mức rất thấp (hệ số công suất luôn từ 0.98 đến gần bằng 1) ngay
cả khi đảm bảo điện áp, tần số lưới và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu thay đổi.
II. Nhiệm vụ của luận văn :
Luận văn “Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc

gia” có nội dung chủ yếu:
- Tầm quan trọng của luận văn.
- Phân tích sự ảnh hưởng của việc hịa hai nguồn điện.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính tốn bộ chuyển đổi năng lượng.
- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mơ phỏng khi hịa năng lượng mặt trời vào lưới
quốc gia.
- Kết quả nghiên cứu của luận văn.
III. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu cơng suất nhỏ một pha khi hịa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính tốn bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 1

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

- Nghiên cứu tính tốn các thơng số khi hịa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào
lưới điện phân phối.
- Đưa ra mơ hình mơ phỏng khi hịa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới
điện.
- Áp dụng kết quả để tính tốn thiết kế.
IV. Phương pháp nghiên cứu :
1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
2. Nghiên cứu các mơ hình hịa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và

lưới điện. Ảnh hưởng của các thơng số khi hịa. Đề nghị mơ hình tính tốn cụ
thể.
3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng việc hịa, từ đó thiết kế và thi cơng mơ hình thực
tế.
4. Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
5. Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
V. Điểm mới của luận văn :
1. Tìm ra các thơng số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng
lượng mặt trời và lưới điện quốc gia.
2. Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính tốn bộ chuyển đổi nguồn năng
lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
3. Góp phần ổn định lưới điện phân phối.
4. Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp
thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.
5. Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới
khi giờ cao điểm.
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài :
Từ yêu cầu cấp thiết từ thực tế, góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ
điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. Nguồn
năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 2

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

điểm. Chính vì lý do trên, đề tài: "Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa
vào lưới điện quốc gia" được hình thành.
Từ cơng việc nghiên cứu của luận văn:
Nhận được kết quả từ một mơ hình thiết kế chính xác bộ chuyển đổi năng

1.
lượng.
2.

Với kết quả nhận được có thể:

 Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và
lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
 Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
 Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
 Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính tốn thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
VII. Nội dung luận văn :
Chương 0 : Giới thiệu
Chương 1 : Tổng quan
Chương 2 : Phương trình tốn và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu
Chương 3 : Sơ đồ và kết quả mô phỏng bằng matlab
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 3

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

1.1 Tính cần thiết.
Ngày nay với xã hội phát triển địi hỏi cần nguồn năng lượng điện lớn. Vì vậy địi
hỏi phải phát triển nhiều nguồn năng lượng điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy
điện, năng lượng hạt nhân … nhưng những nguồn năng lượng này ngày càng cạn
kiệt lại ảnh hưởng đến môi trường cũng như môi trường sinh thái. Vì vậy cần nguồn
năng lượng đảm bảo được các yếu tố trên nhưng lại là vô tận. Phong điện, năng
lượng mặt trời được khai thác triệt để nhưng lại rất tốn kém. Với ý tưởng tận dụng
những nguồn nhỏ sẵn có của các hộ gia đình cơng suất nhỏ như: năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas.... sẽ cùng kết nối vào lưới
điện nhằm giảm tải cho lưới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ
thống điện.
Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đảm bảo
liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ tải hộ gia đình đang dùng cũng như hạn
chế việc quá tải trên đường dây. Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa của
các nguồn năng lượng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi tải hộ gia đình nhỏ mà
nguồn năng lượng phát lớn. Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị
quá tải.
Các nghiên cứu về vấn đề này đã được triển khai và tập trung nhiều về việc điều
khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng. Một vấn đề được quan tâm ngoài
hai việc điều khiển trên là: khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời thay đổi, điện áp
nguồn lưới phân phối thay đổi, tần số nguồn lưới thay đổi nó sẽ ảnh hưởng đến hệ
thống như thế nào.

Với phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng mặt
trời hịa vào lưới phân phối một pha có công suất nhỏ là việc rất cần thiết khi các
thông số nguồn thay đổi vì nó ảnh hưởng rất lớn đến các khóa điện tử của bộ nghịch
lưu.
Nhiệm vụ của luận văn nhằm ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới là
không đổi khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp và tần số của nguồn lưới
điện phân phối thay đổi, cũng như luôn giữ được Q ở mức thấp nhất nhằm nâng cao

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 4

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

hệ số cơng suất. Việc ổn định dịng điện sẽ khơng làm hư hại các khóa điện tử của
bộ nghịch lưu cũng như các thiết bị có trong hệ thống đồng thời giảm thiểu tối đa
công suất phản kháng Q phát vào lưới.

1.2 Hòa đồng bộ hai máy phát.
1.2.1 Hòa đồng bộ.
Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng áp to
mát của tổ máy hoà lên lưới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên
lưới. Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau:
-

Biên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới Eh =Ul

-

Giá trị tần số của máy hoà phải bằng tần số của lưới Fh = fl

-

Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha

-

Góc lệch giữa hai véc tơ Eh,Ul bằng "khơng "

Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực
hiện hồ đồng bộ chính xác phải làm sao để dịng điện cân bằng chạy giữa các máy
phát điện có giá trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát hoạt động song
song bình thường. Nếu các điều kiện hồ song song được thoả mãn, đặc biệt góc
lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép việc hồ song song xẩy
ra êm, khơng có dịng cân bằng lớn.
Điều kiện hồ song song giữa các máy phát được thỏa mãn khi:
-

Hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và
máy phát được hồ phải bằng khơng.

-

Dịng cân bằng vào thời điểm hồ bằng khơng, cụ thể khơng có tăng dịng
đột biến, khơng có hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái.

-

Nếu các điều kiện hoà đồng bộ chính xác khơng được thoả mãn từng phần
hay tồn bộ khi hịa máy phát vào mạng sẽ có dịng cân bằng và giao động
điện áp trên thanh cái với những giá trị khác nhau trên lưới được quy về một
tổ máy tương đương gọi là Fl. Máy sẽ hoà vào gọi là MF1.

Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hồ ta cũng có

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 5

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

u l  2U l sin(1t   1 )

eh  2 Eh sin(2t  2 )
Giả sử ban đầu lấy

1   2 = 0 ta coù :

u l  eh  u  2U cos(

1   2
  2
)t. sin( 1
)t
2
2

Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hồ được tính theo cơng
thức sau:

I cb 

u
Xl  Xh

( Xl là điện kháng của máy phát tương đương làm việc trên lưới, Xh là
điện kháng của máy phát hồ)

Hình 1. 1: Cơng tác song song

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 6

Luan van


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

Hình 1. 2: Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa

1.2.2. Phân tích các điều kiện hịa.
a. Điều kiện về điện áp.
Về trị số độ lớn của điện áp lưới và Sđđ máy hồ khơng thoả mãn trong khi đó các
Điều kiện kia thoả mãn:
Lúc đó I cb 

u
> 0 ; độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch
Xl  Xh

Biểu thị véc tơ chứng minh Điều kiện hồ thứ nhất
khơng thỏa mãn chứng tổ dòng cân bằng còn tồn tại,
dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm.

Hình 1. 3: Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mãn mà các điều kiện khác thảo mãn

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 7

Luan van