NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG QUỐC LỢI
NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng – Năm 2018

Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh

Phản biện 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh
Phản biện 2: TS Hà Xuân Vinh
Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường Đại học
Bách khoa vào ngày 16 tháng 6 năm 2018.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách
khoa.
 Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN.

1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Cùng với tốc độ phát triển kinh tế hiện nay, thì nhu cầu sử dụng
điện của các nước trên thế giới ngày càng tăng dẫn đến các nguồn
nhiên liệu hóa thạch truyền thống trở nên cạn kiệt, cùng với đó là gây
ơ nhiễm mơi trường và tăng hiệu ứng nhà kính. Nguồn NLMT đang
nhận được sự quan tâm lớn của các quốc gia trên thế giới, trong đó
có việc sử dụng NLMT để sản xuất điện năng.

Việt Nam là một nước nhiệt đới có nguồn NLMT vơ cùng dồi dào
trải trải rộng khắp cả nước. Tuy nhiên, việc sử dụng NLMT để sản
xuất điện năng còn hạn chế và chỉ dừng lại ở một số nhà máy điện
mặt trời với công suất hạn chế và độc lập với lưới điện. Trong khi
đó, cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế ln ở mức cao thì tình trạng
cung cấp điện về mùa khô trong những năm trở lại đây vô cùng căng
thẳng. Do vậy, việc phát triển điện mặt trời nối lưới được xem là một
giải pháp khắc phục tình trạng thiếu điện hiện nay.

Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có
điện áp và cơng suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ
mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều. Để hệ
thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hoặc là phân phối
thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là
chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ ra của hệ thống.

Một vấn đề cần quan tâm hiện nay đó là sóng hài trong lưới điện.
Tác hại của sóng hài đối với thiết bị nối vào lưới điện vô cùng

nghiêm trọng: làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện, gây sai
số cho thiết bị đo, .... Một trong những nguồn gây ra sóng hài đó là
các bộ nghịch lưu. Do vậy, để hệ thống điện mặt trời có thể nối với

2

lưới điện thì phải đảm bảo độ méo dạng tổng do sóng hài do nguồn
điện mặt trời phát ra phải nằm trong giới hạn cho phép.

So với các bộ nghịch lưu hai mức truyền thống, thì các bộ chuyển
đổi đa mức kết hợp với các phương pháp điều chế khác nhau có thể:
tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp, dịng ngõ ra với độ méo rất
thấp, điện áp CM tạo ra cũng rất thấp thậm chí là triệt tiêu.

Hiện nay tại đơn vị tác giả đang cơng tác đang có một số dự án
điện mặt trời chuẩn bị được triển khai tại lịng hồ các Nhà máy Thủy
điện Bn Kuốp, Bn Tua Srah và Srêpốk 3 cũng như một số dự án
khác trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk, Đắk Nông.

Chính vì vậy, tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu
"Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện
mặt trời nối lưới".
2. Mục đích nghiên cứu

- Nhằm từng bước tìm hiểu, nắm bắt và làm chủ công nghệ cũng
như thiết bị liên quan đến điện mặt trời đấu nối vào lưới điện, trước
mắt là để phục vụ hoàn thành luận văn Thạc sỹ của tác giả. Về lâu
dài hơn là phục vụ cho việc triển khai các dự án điện mặt trời của
Công ty Thuỷ điện Buôn Kuốp (nơi mà tác giả đang công tác) sẽ
thực hiện tại tỉnh Đắk Lắk.

- Hoàn thiện và làm sáng tỏ thêm lý thuyết về bộ nghịch lưu áp
đa mức ứng dụng trong lĩnh vực điện mặt trời.

- Nắm bắt cách thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, kỹ
năng trình bày một cơng trình nghiên cứu.
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng nghiên cứu: hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng
nghịch lưu đa mức.

- Phạm vi nghiên cứu:

3

Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng nghịch
lưu đa mức thông qua mơ hình hóa và mơ phỏng dùng chương trình
Matlab/Simulink mà khơng đề cập việc tính tốn thiết kế các panel
PV, khơng thiết kế thi cơng mơ hình thực.
4. Phương pháp nghiên cứu

Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet);
Tham dự hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên
cứu; Mơ hình hóa và mơ phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink;
Phân tích và đánh giá kết quả mơ phỏng.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài

- Ý nghĩa khoa học: việc nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên
cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối
lưới” sẽ là cơ sở: Nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học cho người

thực hiện đề tài. Đồng thời góp phần làm rõ thêm các vấn đề liên
quan đến bộ nghịch lưu đa mức mà các cơng trình và bài báo trước
đây đã trình bày.

- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài được hoàn thành sẽ là tài liệu quan
trọng có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế để thiết kế, lựa chọn thiết bị
cho các dự án điện mặt trời mà tác giả đang công tác.
6. Cấu trúc của luận văn

Luận văn được chia làm 03 chương:
Chương 1: Hệ thống điện mặt trời.
Chương 2: Bộ nghịch lưu áp đa mức và các phương pháp điều
khiển.
Chương 3: Hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa
mức.

4

CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
1.1. Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam và tỉnh
Đắk Lắk
1.1.1. Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam
1.1.2. Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Đắk Lắk
1.2. Pin mặt trời
1.2.1. Tổng quan về pin mặt trời
1.2.2. Tấm pin mặt trời (PV module)
1.2.3. Mãng PV (PV array)
1.2.4. Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự làm việc của pin mặt trời
1.2.5. Điểm làm việc với công suất cực đại của PV
1.3. Lý thuyết về hệ thống điện mặt trời độc lập.

1.3.1. Bộ biến đổi DC/DC
1.3.2. Bộ nghịch lưu DC/AC
1.4. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời nối lưới
1.4.1. Lý thuyết chung về hòa đồng nguồn điện.
1.4.2. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp nối lưới hệ thống PV
1.4.3. Vịng lặp khóa pha PLL

5

CHƯƠNG 2. BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG

PHÁP ĐIỀU KHIỂN

2.1. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp đa mức

2.1.1. Bộ nghịch lưu áp hai mức

Sa Sb Sc St Sp

U

2 Tai 3 pha

C
Uxn

Ux0 B Ut

U O N U

A

U

2 Sa' Sb' Sc' Un0 St' Sp'

a b

Hình 2.1: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha 2 mức (a), 1 pha cầu H (b)

2.1.2. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp

S1a S1b S1c

U

S2a S2b S2c

S3a S3b S3c

U S4b S4c
S4a
S5b S5c
S5a
A B N

U S1b' S1c' C
S1a'

S2a' S2b' S2c'

U

S3a' S3b' S3c'

S4a' S4b' S4c'

U

S5a' S5b' S5c'

O

Hình 1.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức NPC

6

2.1.3. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (kiểu cascade)

SaT1 SaP1 SbT1 SbP1 ScT1 ScP1
Ua1 SaP1' Ub1 SbP1' Uc1 ScP1'

SaT1' SbT1' ScT1'

Tai 3 pha
N

SaT2 SaP2 SbT2 SbP2 ScT2 ScP2
Ua2 SaP2' Ub2 SbP2' Uc2 ScP2'

SaT2' SbT2' ScT2'

G

Hình 2.5: Cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade (5 mức)

2.1.4. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu tụ kèm

S1a S1b S1c

S2a S2b S2c

Udc

A B C

S1a' S1b' S1c'

S2a' S2b' S2c'

Hình 3.7: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức kiểu tụ kèm (3 mức)
2.1.5. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu lai ghép

Từ các cấu trúc đa mức trên có thể thấy rằng việc áp dụng chỉ một
kiểu nghịch lưu cơ bản (kiểu diode kẹp hay cascade chuẩn) gặp
nhiều bất lợi khi có u cầu cơng suất lớn, số mức cao, đặc biệt
không thể kết hợp nhiều loại thiết bị điện tử cơng suất có đặc tính
khác nhau trong cùng một bộ nghịch lưu. Một trong các giải pháp

7

được đưa ra là thực hiện các bộ nghịch lưu đa mức lai (hybrid

multilevel inverter) bằng cách ghép nối kiểu các mạch nghịch lưu

kiểu diode kẹp và nghịch lưu kiểu cascade chuẩn với nhiều loại thiết

bị điện tử cơng suất có đặc tính khác nhau trong cùng một bộ nghịch

lưu; hoặc sử dụng các nguồn điện áp cung cấp có biên độ khơng

bằng nhau. Các kiểu bộ nghịch lưu lai ghép bao gồm: Kiểu cascade

diode kẹp (Cascaded diode-clamped inverters), kiểu cascade cầu H

(Cascaded multilevel H-bridge inverter).

S2a S2b S2c

Udc1
2

S1a S1b S1c

A Ia

B Ib

S2a' S2b' C Ic
S2c'

Udc1

2

S1a' S1b' S1c'

Uxn
G1

S3a S3b S3c

Udc2

S3a' S3b' S3c'

Hình 2.8: Bộ nghịch lưu đa mức lai kiểu cascade diode kẹp 3/2

U1ag U2ag Uan U3ag Uag Uan

U1bg U2bg Ubn U3bg Ubg Ubn

G1 G2 G

U1cg U2cg Ucn U3cg Ucg Ucn

8

Hình 2.9: Sơ đồ thay thế tương đương sơ đồ trên hình 2.8

Bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade diode kẹp 3/2 trên hình 2.8

có cấu trúc bao gồm 2 mạch nghịch lưu chuẩn kiểu NPC mắc ở 2

phía của tải 3 pha. Trong đó mạch nghịch lưu 3 mức NPC (mạch 1)

chịu dịng cơng suất nhỏ và mạch nghịch lưu 2 mức NPC (mạch 2)

chịu dịng cơng suất lớn. Để xác định điện áp pha tải và điện áp pha

tâm nguồn cho hệ thống trên, ta sử dụng sơ đồ thay thế tương đương

như trên hình 2.9.

Điện áp pha tải Uxn có thể được xác định thơng qua điện áp Uxn1,

Uxn2 theo nguyên tắc xếp chồng đáp ứng: (2.10)
Uxn = Uxn1 - Uxn2

Điện áp pha tải Uxn1 được xác định:

2(U1ga  U2ga )  (U1gb  U2gb )  (U1gc  U2gc )
Uan1 

3

2(U1gb  U2gb )  (U1ga  U2ga )  (U1gc  U2gc ) (2.11)
Ubn1 

3

2(U1gc  U2gc )  (U1ga  U2ga )  (U1gb  U2gb )
Ucn1 

3

Điện áp pha tải Uxn2 được xác định: (2.12)
2U ga3  U gb3  U gc3

Uan2 
3

2U gb3  U ga3  U gc3
Ubn2 

3
2U gc3  U ga3  U gb3
Ucn2 

3
Điện áp pha tâm nguồn Uxg:

9

U ag  U1ag  U 2ag  U3ag (2.14)
Ubg  U1bg  U 2bg  U3bg
Ucg  U1cg  U 2cg  U3cg

Số khóa tiết kiệm được nếu thực hiện mạch nghịch lưu kiểu

cascade diode kẹp so với nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp với cùng

số mức là:

∆k = kNPC – k = 2.(n1.n2 - n1 - n2 + 1) (2.17)

2.2. Một số tiêu chí đánh giá trong kỹ thuật điều chế độ rộng

xung nghịch lưu

2.2.1. Chỉ số điều chế (m)

2.2.2. Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD)

2.2.3. Tần số đóng ngắt và cơng suất tổn hao do đóng ngắt

2.2.4. Vấn đề Common Mode

2.3. Các phương pháp điều chế bộ nghịch lưu áp

Các bộ nghịch lưu áp thường điều khiển dựa theo kỹ thuật điều

chế độ rộng xung PWM và quy tắc đóng ngắt đối nghịch. Quy tắc

đóng ngắt đối nghịch đảm bảo dạng áp đầu ra (áp tải) được điều

khiển theo giản đồ đóng ngắt và kỹ thuật PWM để hạn chế tối đa các

ảnh hưởng của các sóng hài bậc cao xuất hiện phía đầu ra (phía tải).

2.3.1. Phương pháp điều rộng xung sin (SHPWM)

2.3.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO-PWM)

2.3.3. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM)

2.4. Phân tích thuật tốn cho bộ nghịch lưu áp đa mức

Để phân tích thuật tốn cho bộ nghịch lưu áp đa mức, ta sử dụng

sơ đồ mạch bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cascade diode kẹp 3/2 trên

hình 2.8.

10

Thuật toán điều khiển cho bộ nghịch lưu năm mức kiểu cascade
diode kẹp 3/2 dựa theo nguyên lý của thuật tốn điều khiển sóng
mang PWM cho bộ nghịch lưu 3 mức và 2 mức.

Hình 2.16: Mơ hình thuật tốn điều khiển sóng mang PWM cho bộ

nghịch lưu

Ba cặp linh kiện công suất của mỗi pha (S1x-S1x’), (S2x-S2x’), (S3x-

S3x’) được điều khiển bởi các sóng điều chế 1x , 2x , 3x .
Quan hệ giữa điện áp ra của các cặp linh kiện công suất so với

mass của nó và sóng điều chế có thể mô tả bằng các hàm sau:

U1xg  1x .U ;U 2xg   2x .U ;U3xg   3x .2.U (2.35)

Thay U1xg, U2xg, U2xg trên vào biểu thức (2.13), ta có hàm mơ tả

điện áp pha tham chiếu với điểm trung tính DC với sóng điều chế:

Uxg  (1x   2x  2. 3x ).U (2.35)

với x = a,b,c; (0  2x  1x  1) ; 0   3x 1
Các sóng điều chế 1x , 2x , 3x được tính tốn để có thể tạo ra
một bộ điều khiển PWM tuyến tính với điện áp ngõ ra và có thể
dùng để đặc trưng cho hiệu suất của bộ PWM thể hiện mối quan hệ
giữa các điện áp pha tâm nguồn.
 Xác định hàm offset:
Điện áp tham chiếu Uxref theo điện áp pha tải Utx như sau:

11

U xref  Utx  U0  (1x   2x  2. 3x ).U (2.37)

Trong đó:

- Utx: điện áp pha tải x (x = a,b,c).

- U0: hàm offset lấy giá trị trong khoảng ( U0min  U0  U0max )
Giá trị U0min, U0max được tính tính như sau:

U0max  2.U  Max (2.38)
U0min  2.U  Max

Max  Max(Uta ,Utb ,Utc ) (2.39)
Min  Min(Utc ,Utc ,Utc )

Để cực tiểu CM thì hàm offset được chọn theo phương pháp

Minimum Common-Mode như sau:

U0max if U0max  0

 if U0min  0  U0max (2.40)
U0   0

U if U0min  0
 0min

12

13

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI SỬ
DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC

3.1. Phân tích hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới sử
dụng nghịch lưu đa mức

PV array system VPV UDC
IPV

DC/DC

Inverter

ua ub cc ia ib ic

MPPT

PWM

ura, urb, urc PLL

Sin?s

Cos? s

id* PI ud* ua *

dq aß
uq u aß ß* abc*

i*

q

PI

iq dq ia aß

id i aß ß abc

Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới
3.1.1. Module PV

Hình 3.2: Mơ hình module PV theo dịng điện I trên Matlab/Simulink

14

a. b.

Hình 3.3 : Đồ thị đặc tuyến I-V (hình a) và P-V (hình b) của module
PV tương ứng với các độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2

Hình 3.4: Đồ thị điện áp, dịng điện và cơng suất tại điểm MPP tương
ứng với các độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2

3.1.2. Khối nguồn DC

15

Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống nguồn DC

Hình 3.7: Đồ thị điện áp đầu ra các PV array và bộ biến đổi Boost
3.1.3. Bộ nghịch lưu

16

Hình 3.8: Mạch động lực của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cascade diod
kẹp gồm 01 mạch nghịch lưu 3 mức NPC và 2 mức NPC

3.1.4. Khối đo lường:

Hình 3.9: Mơ phỏng khối đo lường
3.1.5. Khối tạo điện áp điều khiển đồng bộ với lưới:

17
Hình 3.10: Khối tạo điện áp điều khiển
3.1.6. Khối điều chế và tạo xung kích các khóa van

Hình 3.11: Khối tạo xung kích các IGBT của Inverter
3.2. Mô phỏng
3.2.1. Thông số mô phỏng

Hình 3.12: Mơ hình tổng hợp hệ thống trên Matlab

18
3.2.2. Kết quả mô phỏng

Hình 3.13: Sóng điện áp điều khiển

Hình 3.14: Xung kích các IGBT pha A của bộ nghịch lưu
Hình 3.15: So sánh sóng mang đơn vị và sóng điều chế pha A