XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM THỊ HỒNG ANH
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số : 605260
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Lại Khắc Lãi
Phản biện 1 : TS. Trần Xuân Minh
Phản biện 2 : PGS.TS Phạm Hữu Đức Dục
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 13 giờ 30 phút ngày 08 tháng 12 năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn.
Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban
tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng
lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng
sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc
biệt khi tới bề mặt quả đất.
Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới

điện thông minh. Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC),
Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều
(AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến
phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời, điện
năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền
điện.
Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:
Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng
Chương 2: Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới.
Chương 3: Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới.
Các kết luận và kiến nghị.
Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS Lại
Khắc Lãi – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ
này.
Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ
thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn
thành luận văn.
Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban
Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận
lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học.
3
Tôi xin chân thành cảm ơn!
Thái Nguyên, ngày 10 tháng 12 năm 2011
Người thực hiện
Phạm Thị Hồng Anh
4
CHƯƠNG 1
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG
1.1. Nguồn năng lượng mặt trời
1.1.1. Cấu trúc mặt trời

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong
và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền
và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có
thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số
thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1.
1.1.2. Năng lượng mặt trời
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó
phát ra 3,865.10
26
J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá
tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57.10
16
J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10
6
tấn than đá.
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
5
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động
điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ
điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với
phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau
một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng λ.
1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất.
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời.
Ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:
- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt
trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.

- Bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia
mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ,
Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụ
thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ
không có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời.
Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70%
toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất.
1.1.4.2. Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng
qua lớp khí quyển (air mass)
Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qua
lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi
của tia trong lớp khí quyển. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời. Độ
dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời .Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith ( ở
đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp
thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất. Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc
hoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển là dài nhất, nên bức
xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất.
1.1.4.3. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian
6
1.1.4.4. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian
1.2. Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời.
1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.
Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng
từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy mô
rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều
NLMT, những vùng sa mạc. Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm
1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm. Các nước công nghiệp phát
triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT
phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:
1.2.1.1. Pin mặt trời.

1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời.
1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT
1.2.1.4. Bếp nấu dùng NLMT
1.2.1.5. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
1.2.1.6. Động cơ stirling chạy bằng NLMT
1.2.1.7. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT
1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT
Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước
quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tỷ trọng năng lượng được
sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn là
do còn tổn tại một số hạn chế như:
- Giá thành thiết bị còn cao.
- Hiệu suất thiết bị còn thấp.
- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế
Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới
điện thông minh. Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC),
Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều
7
(AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến
phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời, điện
năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền
điện.
Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời được sử dụng cho các thiết bị điện
trong nhà để thay cho điện lưới. Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện
tiêu thụ thì lượng điện thừa sẽ được nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy). Ngược lại,
khi lượng điện tiêu thụ lớn hơn lượng điện mặt trời sinh ra (vào ban đêm, hay lúc
trời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ được lấy thêm từ lưới điện như bình thường,
hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt).
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn.
Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên ban
tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng
lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng
sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng
nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc
biệt khi tới bề mặt quả đất.
Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:
- Cấu trúc của mặt trời và đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời.
- Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay.
Xuất phát từ những vấn đề lý thuyết đã nêu,chương 2, chương 3 giới thiệu một
trong những ứng dụng quan trọng của nguồn năng lượng này, đó là thiết kế mạch
động lực và mạch điều khiển cho hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời.
8
CHƯƠNG 2
THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
2.1. Sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời.
Một hệ thống năng lượng pin mặt trời được định nghĩa là một tổ hợp của các thành
phần sau đây:
- Dàn pin hay máy phát pin mặt trời.
- Bộ tích trữ điện năng.
- Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ thống.
- Các tải (thiết bị) tiêu thụ điện.

Hình 2.1. Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT
2.1.1. Bộ đóng cắt mềm
- Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được kết nối hoặc không.
- Cấu tạo: mỗi pha gồm 2 Thyristor mắc song song ngược.
2.1.2. Bộ nghịch lưu
Bộ Biến đổi điện (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ

dàn pin mặt trời hoặc từ Bộ ác qui thành dòng điện xoay chiều (AC).



Ăc quy
9
2.1.3. Bộ Boost converter
Nhiệm vụ: Tăng trị số điện áp một chiều phù hợp với điện áp một chiều đặt vào
bộ nghịch lưu của hệ thống năng lượng mặt trời, đồng thời thông qua bộ Boost
converter này để thực hiện điều khiển bám công suất cực đại cho hệ thống.
2.1.4. Thiết bị điều khiển
Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối công
suất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng
lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều
khiển máy phát bám lưới khi có lỗi lưới.
2.1.5. Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán
dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả
năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
2.2. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lưới.
2.2.1. Các điều kiện hòa đồng bộ.
2.2.1.1. Điều kiện về tần số
2.2.1.2. Điều kiện về điện áp
2.2.1.3. Điều kiện về pha
2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới
Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt phải có lắp đặt rơ le
hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai. Rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép
khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%.
Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản, do điện áp và
tần số khó thỏa mãn điều kiện hoà. Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp, mà hòa điện

thông qua bộ nghịch lưu. Các bộ nghich lưu ngày nay có thể biến điện áp 1 chiều từ
pin mặt trời thành nguồn có tần số và điện áp bất kỳ.
2.3. Thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời.
2.3.1. Sơ đồ khối mạch động lực
10
Hình 2.2. Sơ đồ khối mạch động lực
Bộ chuyển đổi 2 trạng thái sử dụng một bộ chuyển đổi DC-DC (1chiều - 1
chiều) để thích nghi với mức điện áp và điện trở từ tấm pin mặt trời và một bộ biến
đổi DC-AC (1chiều - xoay chiều) hình sin để thực hiện kết nối lưới ở 230V và
50Hz. Điện áp +5V được cung cấp cho bộ chuyển đổi DC-DC và bộ chuyển đổi
DC-AC.
2.3.2. Các thông số kỹ thuật
Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời được sử dụng để chế tạo các khối
có trong bảng 2.1. Tất cả các thông số được giả định bằng với giá trị danh định của
chúng.
Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống
Đặc điểm kỹ thuật Giá trị
DC-DC điện áp vào 200 V - 400 V
DC-DC điện áp ra 450 V
DC-AC điện áp ra 230 Vac
Công suất ra danh định 3 kW
DC-AC chuyển đổi tần số 17 kHz
DC-DC chuyển đổi tần số 35 kHz
Biến áp đảo tỷ lệ 1.2
Điện áp lưới 230 V +/- 20%
Tần số lưới 50 Hz
Hệ số nguồn trên 10% tỷ lệ nguồn > 0.9
2.3.3. Bộ chuyển đổi DC-DC
Chuyển đổi
DC-DC

Chuyển đổi
DC-AC
Lưới
PV
11
Bộ chuyển đổi 2 trạng thái có tác dụng kết nối lưới gồm có một bộ chuyển đổi
DC-DC để cung cấp điện áp và một bộ chuyển đổi DC-AC để điều khiển dòng điện
đặt vào lưới.
Hình 2.3. Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC
Bộ chuyển đổi DC-DC được mô tả trong hình 2.3 cùng với bộ chuyển đổi DC-
AC và bộ lọc LCL. Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, bộ chuyển mạch
gồm Tranzitor trường M1-M6, sáu đi ốt xoay tự do, hai đi ốt chỉnh lưu D1 và D2,
một biến áp cao tần cùng với hệ số đảo cân bằng 1.2 và một tụ dẫn một chiều C2.
2.3.4. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC
Dựa trên nhiệm vụ và nguyên lý của bộ chuyển đổi DC-DC, ta có thể thiết kế
bộ chuyển đổi này dựa vào các đặc điểm trong bảng 2.1
• Lựa chọn nguồn thiết bị
4 tranzitor trường (M1, M2, M3, M4) được chọn cho cầu đầu vào và 2 tranzitor
trường (M5, M6) được chọn cho kích hoạt chỉnh lưu. Những đặc điểm chính của
các Tranzitor trường này được chỉ ra trong bảng 2.2 và 2.3
Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường
Điện áp đánh thủng Điện trở Dòng điện định mức Điện dung
650V 0.06
Ω
29A 900pF
• Lựa chọn điốt chỉnh lưu:
12
Các thông số của điốt chỉnh lưu được chọn trong bảng sau:
Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu
Điện áp thuận Ngưỡng đánh thủng Dòng điện thuận Dòng điện ngược cực đại

1,4 V 600V 60A 10,5A
• Giá trị của tụ điện đầu vào:
Tụ điện đầu vào C1 được thiết kế để làm phẳng độ gợn sóng tần số cao tại đầu
vào của bảng PV. Nếu dòng điện được tạo ra bởi môdul được giả sử là hằng số và
dòng điện được vẽ nên bởi bộ chuyển đổi được giả sử là xung liên tục thì giá trị tụ
điện đầu vào được tính như sau:

min
1
2
inarrays
array
UUf
P
C
∆
>

Trong đó: P
array
là công suất ra lớn nhất của tấm pin mặt trời,
array
U∆
cho phép
đỉnh nối đỉnh điện áp gợn sóng ở đầu vào của bảng , f
s
là tần số chuyển mạch và
Uin
min
là giá trị điều khiển nhỏ nhất đối với điện áp đầu vào. Giả sử hiệu suất bộ

chuyển đổi là 90%, và 0.1% cho phép của gợn sóng điện áp đỉnh nối đỉnh, giá trị
của tụ điện đầu vào là:

1,1
200.2,0.35000.2
33,3333
2
min
1
==
∆
>
inarrays
array
UUf
P
C
(mF)
3 tụ điện 330
F
µ
, 450 V được nối song song tại đầu vào của bộ chuyển đổi để
hạn chế sự ảnh hưởng của gợn sóng tần số cao được tạo ra từ tấm pin mặt trời.
• Giá trị tụ điện đầu ra:
Giá trị của tụ điện chính C2 được tính tương tự với độ gợn sóng là đường hình
sin có tần số bằng hai lần tần số lưới.

mF
UU
P

C
busbusgrid
out
17,1
450.9.50 2.2
3000
2
2
==
∆
>
πω

Trong đó: điện áp đỉnh nối đỉnh là 9V phù hợp với điện áp gợn sóng 1% của
điện áp chính là không đáng kể và tần số lưới là 50 Hz.
13
2.3.5. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC
Bộ chuyển đổi DC-AC (1chiều - xoay chiều) là mạch 1 pha với tranzitor M5, M6
kết hợp với các Tranzitor trường (Z1, Z2, Z3, Z4) loại IGBT được miêu tả như
trong hình vẽ
Các thiết bị bán dẫn được lựa chọn cho bộ chuyển đổi DC-AC là 600V, 35A
cùng với các điốt được sử dụng để làm giảm sự ảnh hưởng của quá dòng và quá áp
khi khởi động. Lựa chọn các thiết bị bán dẫn còn phải đảm bảo yêu cầu giá cả và
hiệu suất.
Thiết bị nguồn hạ áp gồm Z2 và Z4 là tranzitor chuyển mạch tại tần số 50 Hz
theo phân cực lưới, trong khi đó, thiết bị cao áp là tranzitor chuyển mạch tại tần số
cao cùng với sự điều chế độ rộng xung.
Ta sử dụng tranzitor trường Z1 và Z3 đối với phần cao áp và M5, M6 đấu
nối song song với điốt đối với phần hạ áp.
Với cách thực hiện này, hiệu suất tăng khoảng 0.5% đến 1%.

2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 đưa ra sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời, lý thuyết về hòa đồng bộ
hệ thống điện mặt trời nối lưới, thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời nối
lưới bao gồm :
- Sơ đồ khối mạch động lực;
- Các thông số kỹ thuật của mạch động lực;
14
- Thiết kế các bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC.
CHƯƠNG 3
MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
15
3.1. Mở đầu
Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới rất phức tạp, bao gồm nhiều mạch
điều khiển khác nhau. Trong luận văn này đi sâu thiết kế bộ điều khiển biến tần để
kết nối với lưới điện.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng chảy từ biến tần vào lưới được thể hiện
qua phương trình

3.2. Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần
Trong luận văn này đề xuất sử dụng cả mạch tương tự và mạch số. Mạch tương tự
được sử dụng để tạo ra tín hiệu cần thiết để đóng mở các Tranzitor trường IGBT
trong mạch động lực, còn mạch số là hệ vi điều khiển có vai trò như bộ não kiểm
soát hoạt động của mạch. Mạch số sẽ điều khiển để tạo ra tín hiệu theo thứ tự yêu
cầu.
Luận văn này tôi sử dụng kết hợp giữa điều chế độ rộng xung hình sin và xung
vuông. Với loại chuyển mạch kết hợp, tổn thất thông qua chuyển mạch của biến tần
sẽ giảm đáng kể giảm được tần số chuyển mạch.
Tải
Hình 3.1: Mạch động lực biến tần
+

-
G1
1
G2
2
G3
3
G4
4
IGBT3
IGBT2
IGBT4
IGBT1
δ
δ
cos
sin
2
t
LB
t
B
t
LB
Z
UU
Z
U
Q
Z

UU
P
−=
=
16
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
Sóng tham chiếu hình sin được lấy mẫu từ lưới điện bằng cách sử dụng máy biến
điện áp để giảm điện áp lưới điện 230V xuống 5V (hình 3.3)
Do sóng hình sin tham chiếu lấy trực tiếp từ lưới nên quá trình đồng bộ hóa sẽ
đơn giản hơn, bởi lẽ sóng sin này được sử dụng để phát ra tín hiệu điều chế SPWM
khi đó tần số điện áp đầu ra của biến tần sẽ luôn bằng tần số lưới điện. Sóng sin lấy
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển
Tới G1
Tới G3
Tới G2
Tới G4
Chỉnh
lưu
Sóng tam giác
cao tần
Sóng vuông
Hình 3.3: Sóng sin tham chiếu đã chỉnh lưu
17
mẫu từ lưới điện được đưa tới bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ sau đó được đưa tới khâu so
sánh để so sánh với tín hiệu răng cưa tần số cao (Hình 3.4)
Đầu ra khâu so sánh cho ta tín hiệu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM).
Tín hiệu này được đưa tới 2 cổng logic "VÀ". Ngoài sóng điều chế độ rộng xung
SPWM, đưa tới 2 cổng "VÀ" còn có 2 sóng vuông tần số 50Hz và ngược pha nhau
(hình 3.5). Việc tạo sóng ngược pha được thực hiện bằng cách cho sóng vuông đi
qua cổng "NOT"

Các tín hiệu sóng điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM) và sóng vuông phối
hợp với nhau thông qua cổng "VÀ" tạo ra 4 tín hiệu điều khiển hoạt động của các
van chuyển mạch. Bốn tín hiệu điều khiển được chia thành 2 nhóm: Nhóm 1 có 2
tín hiệu đồng thời được đưa tới cực G
1
và G
2
tạo ra nửa chu kỳ điện áp dương ở đầu
ra biến tần; nhóm 2 bao gồm tín hiệu đồng thời đưa vào G
3
và G
4
nhóm này sẽ hoạt
động ở nửa chu kỳ thứ 2 để cung cấp điện áp âm cho đầu ra của biến tần (Hình 3.6).
Hình 3.4. Sóng tam giác tần số cao
Hình 3.5. Sóng vuông
18
Ngoài mạch tương tự để tạo ra sóng điều chế hình sin (SPWM) và sóng vuông,
để quản lý tín hiệu, đảm bảo cho hệ thống hoạt động đúng trình tự ta sử dụng mạch
số (vi điều khiển). Vi điều khiển sẽ đảm bảo cho sóng vuông tạo ra bởi mạch tương
tự phải cùng pha tín hiệu hình sin lấy mẫu và sóng tam giác tần số cao. Lưu đồ thuật
toán lập trình làm việc cho vi điều khiển được chỉ ra trên hình 3.7.
Tới G1
Tới G3
Tới G2
Tới G4
Hình 3.6. Sóng điều chế và sóng vuông
Bắt đầu
Đọc zero
Phát tín hiệu xung vuông

Phát tín hiệu tam giác tần số cao
Kết thúc
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển
19
3.3. Mạch điều khiển công suất
Để chuyển năng lượng từ biến tần sang lưới cần thỏa mãn điều kiện góc điện áp
của biến tần vượt trước góc điện áp lưới. Để làm được điều này, ta sử dụng
mạch dịch pha lắp sau bộ lấy mẫu sóng sin từ lưới điện, sóng lấy mẫu từ lưới
điện sau khi qua bộ dịch pha sẽ tạo ra sự vượt trước để điều khiển năng lượng
phát vào lưới.
3.4. Trình độ hoạt động của hệ thống
Hoạt động của biến tần nối lưới được chia thành 2 giai đoạn, giai đoạn 1 là
đồng bộ hóa, giai đoạn 2 là gửi năng lượng vào lưới.
Trong giai đoạn đồng bộ hóa, biến tần sẽ phát ra điện áp cùng pha với điện áp lưới.
Sau khi cả 2 điện áp được nối với nhau sẽ chuyển sang giai đoạn điều khiển thứ 2.
Hình 3.8. Công suất tác dụng phát vào lưới theo góc lệch pha
δ
20
Trong giai đoạn này, bộ dịch pha trong mạch điều khiển sẽ dịch chuyển pha của
điện áp biến tần để chúng vượt trước điện áp lưới một góc δ. Với góc δ khác nhau,
biến tần sẽ cho một năng lượng tác dụng và năng lượng phản kháng khác nhau
Ngoài ra, Khi mất điện lưới , biến tần cần được cô lập với lưới để tránh có điện
chạy vào lưới điện có thể gây ra tai nạn. Để thực hiện điều này ta sử dụng bộ ngắt
điện được điều khiển bằng rơle giám sát. Khi lưới mất điện, rơle sẽ tác động và
chuyển tới bộ ngắt mạch.
3.5. Kết quả mô phỏng
Để kiểm tra hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới đã thiết kế ở trên, ta
tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink và Plecs. Như đã đề
cập ở trên, phần này chỉ tập trung mô phỏng hoạt động của bộ nghịch lưu nối lưới.
Sơ đồ mô phỏng khối tạo xung điều khiển biến tần trong Matlab Simulink Plecs

được chỉ ra trên hình 3.9.
f=50Hz1
f=10KHz
Scope1
>=
G1
G2
G3
G4
U2
U1
U3
PLECS
Circuit
Mach dong luc
AND
AND
|u|
Hình 3.9. Sơ đồ mô phỏng khối tạo xung điều khiển
Các kết quả mô phỏng quá trình tạo tín hiệu điều chế độ rộng xung hình sin
(SPWM) để điều khiển hoạt động của nghịch lưu được chỉ ra trong các hình từ hình
3.3 đến hình 3.6. Điện áp đầu ra của biến tần khi chưa qua lọc được biểu diễn trên
hình 3.10
21
TÀI LIỆU THAM KHẢO
3.6. Ảnh hưởng của sóng điều chế đến điện áp ra và sóng hài.
Một trong những tham số quan trọng của chiến lược chuyển mạch điều chế độ
rông xung hình sin và sẽ ảnh hưởng đến hiệu suất của biến tần đó là hệ số điều
chế biên độ, ký hiệu là M
A

. Hệ số này được định nghĩa là tỉ số giữa biên độ sóng
hình sin tham chiếu Ur, và diên độ sóng hình tam giác U
c
(được coi như sóng mang)
M
A
được xác định như sau:
Hình 3.11. Điện áp ra của biến tần đã qua lọc
Hình 3.10. Điện áp đầu ra của biến tần chưa qua lọc
22
r
A
c
U
M
U
=
(3.3)
M
A
đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định điện áp đầu ra của biến tần.
Về mặt lý thuyết, giá trị gia tăng M
A
, điện áp xoay chiều đầu ra của biến tần cũng
sẽ tăng lên. Đó là vì khi tăng M
A
, khoảng thời gian "ON " của tín hiệu điều chế
SPWM sẽ dài hơn, dẫn đến năng lượng trong các cổng điện tử trong trạng thái "ON
" lâu hơn. Hình 3.11 dưới đây biểu diễn sóng sin điều điều chế độ rông xung ứng
với M

A
= 0,1 (hình 3.12a) và M
A
= 0,9 (hình 3.12b)
Hình 3.12. Sóng điều chế độ rộng xung hình sin ứng với M
A
khác nhau

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005 0.006 0.007 0.008 0.009 0.01
-0.2
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
a)
b)
23
Bên cạnh sự ảnh hưởng đến giá điện áp đầu ra của biến tần, hệ số M
A
cũng sẽ

ảnh hưởng đến sóng hài đầu ra. Trong khoảng M
A
< 1, điện áp đầu ra của biến tần
nhỏ, song các sóng hài bậc cao cũng nhỏ. Trong khoảng M
A
> 1 biên độ sóng hài
tăng lên đáng kể. Vì vậy, để có được mức điện áp cao có chứa hài thấp để thiết kế
bộ lọc là dễ dàng hơn, giá trị M
A
lựa chọn giữa 0,8 đến 0,9.
3.7. Kết luận chương 3
Chương 3 đề cập đến việc thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển nối lưới điện
mặt trời, bao gồm:
- Mạch lấy mẫu và chỉnh lưu;
- Mạch điều chế độ rông xunh hình sin;
- Vi điều khiển để kiểm soát trình tự hoạt động của hệ thống;
- Mạch tạo tín hiệu điều khiển biến tần;
- Điểu khiển công suất tác dụng và phản kháng;
- Ảnh hưởng của sóng điều chế độ rộng xung hình sin đến chất lượng điện áp
ra và sóng hài.
24
KẾT LUẬN CHUNG VỀ LUẬN VĂN
1. ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN.
1. Luận văn đã nghiên cứu và giới thiệu nguồn năng lượng mặt trời: Cấu tạo,
phương pháp sản xuất, sử dụng trong thực tế.
2. Từ lý thuyết về hòa đồng bộ , luận văn đã xây dựng được sơ đồ mạch động
lực của hệ thống điện mặt trời nối lưới, chức năng, nhiệm vụ của các phần tử và tính
toán cụ thể trong sơ đồ.
3. Thiết kế bộ điều khiển biến tần để kết nối với lưới điện và mô phỏng hệ
thống sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn năng lượng mặt trời trên phần mềm

MATLAB – SIMULINK – PLECS.
2. KẾT LUẬN CHUNG VÀ HƯỚNG NGHIÊN CỨU TIẾP THEO.
Luận văn đã sử dụng các tài liệu của các thầy cô giáo, Viện sỹ, Giáo sư, Tiến sỹ,
và của các cơ quan chuyên ngành cung cấp được ghi trong phần tài liệu tham khảo.
Qua các kết quả được trình bày trong luận văn, mạch điều khiển mới chỉ dừng lại
ở mô phỏng, từ đó đã mở ra hướng nghiên cứu tiếp theo:
Nghiên cứu phát triển lý thuyết về các hệ thống điều khiển thông minh nhằm thiết
kế hoàn chỉnh hệ thống lưới điện thông minh (Smart Grid System), xây dựng mô hình
và mô phỏng hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới, đáp ứng một cách linh hoạt
đối với yêu cầu công suất của lưới điện. Vấn đề này mang lại hiệu quả to lớn trong việc
khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí
nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời.
Nội dung đề tài nghiên cứu hệ thống nối lưới 1 pha – công suất vừa (3kW) cho
các hộ gia đình nên có thể phát triển theo hướng xây dựng hệ thống nối lưới 3 pha, hệ
thống nối lưới 1 pha kết hợp với năng lượng gió.
Sau cùng, mặc dù đã nỗ lực làm việc hết sức dưới sự hướng dẫn chỉ bảo tận tình
của thầy giáo PGS.TS. Lại Khắc Lãi nhưng luận văn không tránh khỏi những thiếu
25