Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin quang điện với lưới điện bằng biến tần

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM TOÀN SINH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT
NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN

BẰNG BIẾN TẦN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành:60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM TOÀN SINH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT
NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN

BẰNG BIẾN TẦN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện

Mã số ngành:60520202
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS. TS Nguyễn Thanh Phương

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày 12 tháng 03 năm 2014
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ)
Họ và tên

TT

Chức danh Hội đồng

1

TS. Nguyễn Hùng

Chủ tịch

2

TS. Đoàn Thị Bằng

Phản biện 1

3

TS.Đinh Hoàng Bách

Phản biện 2

4

PGS.TS. Ngô Chí Kiên

5

PGS.TS Trương Việt Anh

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc
TP. HCM, ngày 20 tháng 8 năm 2016

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Phạm Toàn Sinh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 23/02/1976

Nơi sinh: Thái Nguyên

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1441830021

I- Tên đề tài:
NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT NỐI PIN QUANG ĐIỆN
VỚI LƯỚI ĐIỆN BẰNG BIẾN TẦN
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.
2. Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần
đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần
mềm MATLAB.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
3. Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.

- Đánh giá kết quả mô phỏng.
III- Ngày giao nhiệm vụ:

20/08/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11/01/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS. Nguyễn Thanh Phương

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


ii

LỜI CÁM ƠN
Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh,
PGS TS. Nguyễn Thanh Phương, Quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và
tạo mọi điều kiện tốt nhất cho lớp 14SMD11 và cá nhân tôi trong suốt học trình
nghiên cứu và học tập thach sỹ tại trường.
Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS. Nguyễn
Thanh Phương, những người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong suốt
thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng
trong con đường tri thức để tất cả chúng ta có được kết quả ngày hôm nay.
Cảm ơn gia đình và những người thân đã động viên, hỗ trợ tôi trong suốt
thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Xin trân trọng và chân thành gửi lại tất cả nơi đây lòng tri ân sâu sắc nhất.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 01 năm 2016
Người thực hiện luận văn


iii

TÓM TẮT
I. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài :
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ
thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán
điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.
II. Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài :
1. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần

đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần
mềm MATLAB.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
- Kết luận.
2. Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua
mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc
tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.


iv

ABSTRACT
I.

The purposes, the objects and the subjects of the research study
This study is aimed at researching the control system connected to the solar

cellsby the grid usingthe hybrid inverter, namely: the solar cells and MPPT
algorithms,

thehybrid

inverter

and

modulation

techniques,and

the

algorithmscontrolling the systems connected to PV by the grid.
II. The procedures and the limitations of the research study:
1. the procedures of the research study
-study the solar powerand the effectively used solutions, the structures and
principles of photovoltaic (PV), the types of the PV systemsconnectedto the gridsand
independent PV systems.
-study the detection algorithmssearching for the maximum power point of PV
systems
- researchthe multi-level inverter theory, the hybrid inverter and PWM control
techniques for multi-level hybrid inverter.
-

establishthe algorithms and simulate models ofthe 5-stephybrid inverter

recommended by MATLAB software
- study the controlled algorithms of the system connected to PV by hybrid
inverter.
- model and simulate the system connected to PV by hybrid inverter
- evaluate the results of simulation.
- conclusion.
2. the limitations of the research study
Due to the limited time and research conditions, the research study only

focusses on studying the control of the system connected to PV by the grid using the
hybrid inverter through modelling and simulating by using Matlab/Simulink tools. The
calculation of the design of PV panel and the real model design are not conducted in
this study with the limitations of the above mentioned conditions.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT.................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANG MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ........................................ xi
Chương 1 TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu .......................................................................1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................5
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ..................................5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................7
2.1 Năng lượng mặt trời. .........................................................................................7
2.2 Pin quang điện (PV). .........................................................................................8
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV. ....................................................8
2.2.2 Mạch tương đương của PV. ......................................................................10
2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao. ......................................................10
2.2.4 Tấm PV. ....................................................................................................12
2.2.5 Hệ thống dãy PV. ......................................................................................13
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV. ........................................................................15

2.3.1 Cường độ chiếu sáng. ...............................................................................15
2.3.2 Góc chiếu sáng ..........................................................................................16
2.3.3 Hiệu ứng bóng mờ ....................................................................................17
2.3.4 Hiệu ứng nhiệt độ .....................................................................................19
2.3.5 Hiệu ứng thời tiết. .....................................................................................20
2.3.6 Hòa hợp tải điện. .......................................................................................21
2.3.7 Việc thay đổi chiều quay theo hướng mặt trời. ........................................22
2.4 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) và điều khiển MPPT ..................22
2.4.1 Điểm làm việc có công suất cực đại (MPP) .............................................22


vi

2.4.2 Bộ điều khiển MPPT ................................................................................25
2.4.3 Bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost converter) ...........................................25
2.4.4 Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) ............................28
2.4.4.1 Xáo trộn và theo dõi P&O .................................................................28
2.4.4.2 Tăng tổng dẫn INC .............................................................................32
2.4.4.3 Thuật toán điều khiển điện áp hở mạch .............................................34
2.5 Các dạng cấu trúc bộ chuyển đổi PV ..............................................................35
2.5.1. Bộ chuyển đổi tập trung (Centralized Converters) ..................................35
2.5.2. Bộ chuyển đổi theo dãy (String Converters) ...........................................35
2.5.3. Bộ chuyển đổi đa dãy (Multi-String Converters) ....................................36
2.5.4. Bộ chuyển theo modul AC (AC-Module Converters) .............................36
2.6 Các dạng pin quang điện nối lưới và hoạt động độc lập ................................36
2.6.1 Dạng nối lưới ............................................................................................36
2.6.1.1 Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui.....................................37
2.6.1.2 Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui................................................38
2.6.2 Dạng độc lập .............................................................................................38
2.6.2.1 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống bơm nước ...........................39

2.6.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng ..........................39
2.6.2.3 Hệ thống PV ở những khu xa dân cư .................................................40
CHƯƠNG 3 BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN.......................................................................................................................41
3.1 Khái quát về bộ nghịch lưu áp đa bậc. ............................................................41
3.1.1 Khái niệm. .................................................................................................41
3.1.2 Phân loại. ..................................................................................................41
3.2 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc. ..........................................42
3.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped
multilevel inverter –NPC)..................................................................................42
3.2.2 Cấu trúc tụ điện thay đổi (Flying capacitor inverter) ...............................44
3.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) ............................................45
3.2.4 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc lai (Hybrid Multilevel Inverter) ................46
3.2.5 Nhận xét ....................................................................................................47


vii

3.3 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu và các dạng sóng
mang dùng trong kỹ thuật PWM. ..........................................................................48
3.3.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu. ....................48
3.3.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM ......................................49
3.3.2.1 Bố trí cùng pha (PD: In phase Disposition) : .....................................49
3.3.2.2 Hai sóng mang kế tiếp nhau sẽ dịch 1800: .........................................49
3.3.2.3 Bố trí đối xứng qua trục Zero: ...........................................................50
3.4 Các phương pháp điều chế bộ nghịch lưu áp. .................................................51
3.4.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin–PWM). .............................51
3.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO – PWM) ..................52
3.4.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian ..................................................53
3.4.3.1 Khái niệm vector không gian .............................................................53

3.4.3.2 Vector không gian của bộ nghịch lưu áp đa bậc : ..............................54
3.4.4 Phương pháp điều khiển PWM dòng điện. ...............................................56
3.4.4.1 Phương pháp dùng mạch tạo trễ (hystereris current control).............56
3.4.4.2 Phương pháp điều khiển dòng điện sử dụng khâu hiệu chỉnh PI (ramp
comparison current control) ...........................................................................57
3.4.5 Phương pháp điều khiển vector dòng điện (Space vector current control)
...........................................................................................................................58
3.5 Phân tích thuật toán PWM cho BNL lai 5 bậc được ghép từ 2 bộ nghịch lưu 3
pha 3 bậc & 2 bậc ..................................................................................................60
3.5.1 Mạch khảo sát ...........................................................................................60
3.5.2 Phân tích mạch. .........................................................................................61
3.5.3 Giải thuật cho mô hình đề xuất .................................................................61
3.5.4 Kỹ thuật điều chế sóng mang PWM cho BNL lai 5 bậc đề xuất ..............63
3.6 Mô phỏng và đánh giá chất lượng điều chế BNL lai 5 bậc đề xuất ................64
CHƯƠNG 4 MÔ HÌNH HÓA VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG KẾT NỐI PV VỚI
LƯỚI ĐIỆN DÙNG BIẾN TẦN LAI ........................................................................74
4.1 Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV ................................................................74
4.2 Mô hình hóa các khối trong hệ thống ...............................................................75
4.2.1 Khối PV array............................................................................................76


viii

4.2.2 Khối MPPT và DC/DC converter ..............................................................79
4.2.2.1 Khối MPPT .........................................................................................79
4.2.2.2 Khối DC/DC converter (Buck-Boost converter) .................................83
4.2.4 Khối máy biến áp và lưới ..........................................................................86
4.2.5 Các khối chuyển đổi tín hiệu .....................................................................88
4.3 Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh .........................................................89
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN ..........................................................................................97

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................98


ix

DANG MỤC VIẾT TẮT
PV- photovoltaic
α - phase angle of reference vector
λ - power factor
φ - phase angle of current
ω - angular frequency
ψ - phase angle
ε - control phase angle
cosφ - fundamental power factor
f – frequency
R – resistance
S – apparent power
T – time period
P – active power
Q – reactive power
Z - impedance
..a, ..b, ..c - phases of three-phase system
DPC Direct Power Control
DSP Digital Signal Processor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
PLL Phase Locked Loop
PWM

Pulse-Width Modulation

REC

Rectifier

SVM

Space Vector Modulation

THD

Total Harmonic Distortion

VF

Virtual Flux

VFOC

Virtual Flux Oriented Control

VF-DPC

Virtual Flux Based Direct Power Control


x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Giá trị cosin Kelley của dòng quang điện trong tế bào Silic. ..................17
Bảng 3.1: Điện áp ra của Bộ nghịch lưu NPC ứng với các trạng thái kích đóng ....44

Bảng 3.2: Nguyên tắc tổng hợp điện áp nghịch lưu lai bảy bậc hình 3.4 ................47
Bảng 3.3: Điện áp và các chỉ số điều chế của bộ nghịch lưu lai 5 bậc (V=Vd). ......62
Bảng 4.1: Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV [4]. ................................................74
Bảng 4.2: Các thông số môđun PV EC-110-G. ........................................................78
Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng các giá trị điện áp, dòng điện và công suất tại MPP
của array gồm 5 môđun PV EC-110-G mắc nối tiếp. ...............................................83
Bảng 4.5: Các thông số chính cho việc mô phỏng mô hình đưa ra. ...........................90


xi

DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trờiGT [ERDA/NASA-1997] .....................................8
Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV. ....................................................................................9
Hình 2.3: Mạch tương đương của PV. ......................................................................10
Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV. .....................................................10
Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế. ......................................................................11
Hình 2.6 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rs ...............................................................11
Hình 2.7 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rp ...............................................................11
Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp .............................................12
Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV. ...............................................13
Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I -V của môđun PV ..........................13
Hình 2.11: Array PV nối tiếp ...................................................................................13
Hình 2.12: Đường đặc tính I -V của Array PV nối tiếp ...........................................14
Hình 2.13: Array PV nối song song .........................................................................14
Hình 2.14: Đường đặc tính I -V của Array PV nối song song .................................14
Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ..........................................15
Hình 2.16: Đường đặc tính I -V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ..15
Hình 2.17: Đặc tính I -V dịch xuống khi chiếu độ giảm ...........................................16
Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này ổn định khi

bức xạ tăng. ...............................................................................................................16
Hình 2.19: Đường cong cosin Kelly đối với pin quang điện tại góc từ 0 đến 90 .17
Hình 2.20: Hiệu ứng bóng mờ trên một dãy pin quang điện. ...................................18
Hình 2.21: Diode thông trong dãy pin quang điện tối thiểu hóa việc hao hụt công
suất do hiệu ứng bóng mờ nhiều. ..............................................................................18
Hình 2.22: Hiệu ứng của nhiệt độ trên đặc tính I-V. Tế bào sinh ít dòng nhưng
nhiều ..........................................................................................................................19
Hình 2.23: Hiệu ứng nhiệt độ trên đặc tính P-V. ......................................................20
Hình 2.24: Hoà hợp tải và ổn định vận hành với tải trở và tải công suất hằng số. .21
Hình 2.25: Bộ xoay hai trục, xoay theo măt trời giống như bông hướng dương .....22
Hình 2.26 : Những điểm công suất cực đại theo chiếu độ ........................................23
Hình 2.27: Điểm làm việc phụ thuộc vào thông số của R .........................................24


xii

Hình 2.28: Điểm MPP của PV. .................................................................................24
Hình 2.29: Các điểm làm việc của tải thuần trở. ......................................................25
Hình 2.30: Sơ đồ khối bộ MPPT điều khiển DC-DC converter. ..............................25
Hình 2.31: Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC (Buck-Boost Converter)................................26
Hình 2.32: Sơ đồ mạch Buck_Boost Converter. ......................................................26
Hình 2.33: Giản đồ xung đóng cắt của bộ Buck_Boost Converter. .........................27
Hình 2.34: Lưu đồ thuật toán P&O. .........................................................................29
Hình 2.35: Hệ PV phát năng lượng về lưới điện ..........................................................30
Hình 2.36: Khi chiếu độ thay đổi điểm MPP sẽ sai theo thuật toán P&O. ..................30
Hình 2.37: Cấu tạo một Cell PV .................................................................................31
Hình 2.38: Đặc tính P- I của môđun PV khi chiếu độ thay đổi. ....................................32
Hình 2.39: Lưu đồ thuật toán INC ............................................................................34
Hình 2.40: Tổng quan theo lịch sử của các bộ chuyển đổi PV. ................................35
Hình 2.41: Hệ thống pin quang điện không có bộ ắc qui .........................................37

Hình 2.42: Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui ....................................................38
Hình 2.43: Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang điện .........39
Hình 2.44: Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện .......................40
Hình 2.45: Hệ thống pin quang điện ở những khu xa dân cư. ..................................40
Hình 3.1: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC) ..................................................43
Hình 3.2: Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi ....................................................44
Hình 3.3: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter. ....................................45
Hình 3.4: Cấu trúc nghịch lưu lai một pha bảy bậc .................................................46
Hình 3.5: Sóng mang dạng PD .................................................................................49
Hình 3.6: Sóng mang dạng APOD ............................................................................50
Hình 3.7: Sóng mang dạng POD ..............................................................................50
Hình 3.8: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang. ....................53
Hình 3.9. Vector không gian .....................................................................................54
Hình 3.10. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc ......................................55
Hình 3.11: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ ...................................56
Hình 3.12: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh .............................57
Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ quay. 58


xiii

Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ đứng
yên. ............................................................................................................................59
Hình 3.15: Thuật toán PWM cho bộ nghịch lưu 3 bậc & 2 bậc. ..............................60
Hình 3.16: Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu lai 3 pha 3 bậc & 2 bậc ...............................60
Hình 3.17: a) Mô hình tương đương từ mạch khảo sát - b)Mạch tương đương cuối
cùng . .........................................................................................................................61
Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng tổng quát trong Simulink. ............................................64
Hình 3.19 : Điện áp điều khiển .................................................................................65
Hình 3.20: Khối khởi tạo xung kích. .........................................................................65

Hình 3.21: Tín hiệu sóng điều chế pha A ..................................................................66
Hình 3.22: Tín hiệu sóng điều chế pha B ..................................................................66
Hình 3.23: Tín hiệu sóng điều chế pha C .................................................................67
Hình 3.25: Xung kích S1a .........................................................................................68
Hình 3.26: Xung kích S1a’ ........................................................................................68
Hình 3.27: Xung kích S2a .........................................................................................68
Hình 3.28: Xung kích S2a’ ........................................................................................69
Hình 3.29: Xung kích S3a ........................................................................................69
Hình 3.30: Xung kích S3a’ ........................................................................................69
Hình 3.31: Dạng sóng dòng điện tải 3 pha. ..............................................................70
Hình 3.32: Dạng sóng điện áp 1 pha tải. ..................................................................70
Hình 3.33: Dạng sóng điện áp dây của tải. ..............................................................70
Hình 3.34: Dạng sóng điện áp pha tâm nguồn. ........................................................71
Hình 3.35: Phổ hài của dòng điện pha tải. ...............................................................71
Hình 3.36: Tỉ lệ các bậc hài của dòng điện pha tải. .................................................72
Hình 3.37: Phổ hài của điện áp pha tải. ...................................................................72
Hình 3.38: Phổ hài của điện áp pha-pha tải.............................................................73
Hình 4.1: Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển được đưa ra. ......................................75
Hình 4.2: Sơ đồ mạch nguồn Vd kép của khối PV Source. .......................................76
Hình 4.3: Sơ đồ mạch nguồn 2Vd của khối PV Source. ...........................................77
Hình 4.4: Sơ đồ mô hình môđun PV .........................................................................78
Hình 4.5: Đồ thị đặc tính môđun PV EC-110-G ứng với chiếu độ G = 1000W/m2..79


xiv

Hình 4.6: Đồ thị đặc tính môđun PV ứng với G = 200, 400, 600, 800, 1000W/m2 ..79
Hình 4.7: Mô hình Simulink của khối MPPT. ...........................................................80
Hình 4.8: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến. ...............................................................81
Hình 4.9: Mô hình mô phỏng giải thuật MPPT cải tiến tìm MPP cho 5 môđun PV

EC-110-G mắc nối tiếp trong trường hợp chiếu độ thay đổi. ...................................82
Hình 4.10: Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất của array gồm 5 môđun PV
mắc nối tiếp khi chiếu độ thay đổi. ...........................................................................82
Hình 4.11: Mô hình Simulink của mạch Buck-Boost converter. ...............................83
Hình 4.12: Mô hình mô phỏng mạch Buck-Boost converter được cấp nguồn từ PV
array qua thuật toán MPPT. ......................................................................................84
Hình 4.13: Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost converter ở hình 4.12. ..................85
Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất. a) BNL 3 bậc NPC ; b)
BNL 2 bậc thông thường. ..........................................................................................86
Hình 4.15: Các thông số mô hình khối máy biến áp. ................................................87
Hình 4.16: Các thông số mô hình khối lưới ba pha. .................................................87
Hình 4.17: Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh................................................90
Hình 4.18: Dạng sóng áp điều khiển. ........................................................................91
Hình 4.19: Dạng sóng sóng mang 6kHz. ...................................................................91
Hình 4.20: Dạng sóng áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu..................................................92
Hình 4.21: Dạng sóng dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu. ............................................92
Hình 4.22: Dạng sóng điện áp dây tại điểm kết nối chung (PCC). ...........................92
Hình 4.23: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC. ....................................................92
Hình 4.24: Dạng sóng dòng điện tại PCC với trường hợp lưới bị mất điện (0.040.06s). ........................................................................................................................93
Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC. ....................................................93
Hình 4.26: Dạng sóng áp pha A của hệ thống phát và lưới được đồng bộ. ...............93
Hình 4.27: Phổ hài của dòng điện pha A tại điểm kết nối chung. ..............................94
Hình 4.28: Tỉ lệ của dòng hài bậc 2 đến bậc 10 tại điểm kết nối chung. ...................94
Hình 4.29: Phổ hài của điện áp pha A tại điểm kết nối chung. ..................................95


1

Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

Trong những năm gần đây, vì sự thiếu hụt năng lượng trên khắp thế giới và vấn
đề sử dụng năng lượng an toàn đã dẫn đến ngày càng có nhiều sự quan tâm đến phát
điện từ các nguồn năng lượng tái tạo. Các lợi ích từ các nguồn năng lượng tái tạo đã
được thừa nhận rộng rãi. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng mặt
trời không phát ra bất kỳ chất độc nào làm ô nhiễm nước, không khí hay đất, và hơn
nữa, năng lượng mặt trời là vô tận, không bao giờ hết được. Một trong các cách để
sử dụng năng lượng mặt trời hiệu quả là dùng pin quang điện (PV-Photovoltaic) kết
nối lưới điện với quy mô lớn. Số hệ thống PV được nối với lưới điện đã gia tăng
theo số mũ.
Mặt khác, với sự phát triển của công nghệ điện tử công suất và công nghệ xử lý
tín hiệu, việc nghiên cứu bộ chuyển đổi đa bậc trở thành một trong những trọng tâm
trong lĩnh vực điện tử công suất. So với các bộ chuyển đổi hai bậc thông thường, bộ
chuyển đổi đa bậc có nhiều thuận lợi và điểm thu hút như sau:
-

Có thể tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp

-

Chúng cho dòng ngõ ra với độ méo rất thấp

-

Chúng phát ra điện áp common-mode (CM) thấp hơn. Ngoài ra, việc sử

dụng các phương pháp điều chế tinh vi, điện áp CM có thể được loại bỏ.
-

Chúng có thể vận hành với tần số đóng ngắt thấp hơn, dẫn đến tổn thất đóng

cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV
với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai
đoạn hiện nay.
* Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV
với lưới được tóm tắt như sau:
[1] N.A. Rahim, J. Selvaraj, C. Krismadinata, “Five-level inverter with dual
reference modulation technique for grid-connected PV system”, Crown
Copyright 2009 Published by Elsevier Ltd.
Bài báo này trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha
với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch


2

tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu
PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt
và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc,
và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong
DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với
tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra
được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm
so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD.
* Ưu điểm:
- Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin
- Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so
với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%)
- Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc
của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất
cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.

- Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số công suất gần bằng 1 (0,99)
- Kích cỡ bộ lọc nhỏ
- Nhiễu điện từ (EMI) thấp
* Hạn chế:
- Hiệu suất BNL đưa ra (90%) thấp hơn so với BNL 3 bậc thông thường
(92%)
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.
[2]. Longhua Zhou, Qing Fu, Xiangfeng Li, and Changshu Liu, “A Novel
Photovoltaic Grid-connected Power Conditioner Employing Hybrid Multilevel
Inverter”, 2009.
Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng, và
giảm tổn thất năng lượng, bài báo này trình bày một hệ thống điều hòa công suất nối
lưới pin mặt trời (PVPC) dựa trên BNL đa bậc lai. Trong cấu trúc được đưa ra, mỗi
pha của BNL bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi được nối bởi


3

hai MBA lưới để phát ra 9 mức điện áp. Bộ PVPC được tích hợp với việc bù công
suất phản kháng và công suất tác dụng, theo cách này, PVPC không chỉ cung cấp
công suất tác dụng và công suất phản kháng mà còn nâng cao chất lượng điện năng
trong hệ thống điện. Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian
được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng
dụng của phương pháp PWM lai. Cuối cùng, các kết quả mô phỏng trên phòng thí
nghiệm 380V/13kW sẽ được trình bày để chứng minh hệ thống PVPC được đưa ra.
* Ưu điểm:
Các đặc điểm hấp dẫn của bộ PVPC đa bậc được đưa ra được tóm tắt như sau:
1. Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất lượng cao (lượng hài thấp): THD I <

2%.
2. Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường
3. Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng
4. Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp
5. Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng
truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái
cân bằng.
6. Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp
ghép tầng.
* Hạn chế:
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.
[3].

Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang
điện nối lưới (GCPS) để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của
GCPS trong việc thiết kế hệ thống. Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt
trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính


4

cơ bản. Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của
nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử
dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó
được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Mô hình được mô tả với sự
xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ
hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích
để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá

hiệc quả bảo vệ và điều khiển của GCPS về mặt phân tích quá độ điện từ.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình và thuật toán điều khiển GCPS với sự phân tích chi
tiết các vấn đề như:
- Hiệu quả điều khiển công suất của GCPS.
- Khả năng chống cô lập của hệ thống khi lưới bị sự cố thông qua bộ điều
khiển bảo vệ.
- Sử dụng thuật toán truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để cung cấp
công suất cực đại được phân phối từ hệ thống PV ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.
- Phân tích đáp ứng quá độ của hệ thống khi được nối lưới.
- Độ méo dạng tổng do sóng hài (THD) của dòng ngõ ra BNL bằng 2,5%.
* Hạn chế:
- Tần số đóng cắt linh kiện lớn, công suất bộ nghịch lưu cũng khó nâng cao.
[4] Gabriele Grandi, Darko Ostojic, Claudio Rossi, “Dual Inverter
Configuration

for

Grid-Connected

Photovoltaic

Generation

Systems”,

Department of Electrical Engineering, University of Bologna, Italy, 2007.
Bài báo này trình bày và thảo luận một cấu trúc chuyển đổi mới cho việc nối
lưới của một hệ thống phát điện bằng pin mặt trời. Bộ điều hòa công suất đưa ra sử
dụng một cấu trúc bộ nghịch lưu đôi để nâng cao công suất định mức cực đại trên

cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau:
- Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc
thông thường.


5

- Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực
với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng.
- Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác.
- Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng.
- Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng
điện thứ tự không trong mạch.
* Hạn chế:
- Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường.
- Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD).
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và
các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới
là vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay.
triển cho các hướng nghiên cứu sau này.
Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới
điện bằng biến tần lai.
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ
thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán
điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.

1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu và giới hạn của đề tài
1.4.1 Nhiệm vụ nghiên cứu
- Tìm hiểu năng lượng mặt trời và các giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo và
nguyên lý pin quang điện (PV); các loại hệ thống PV nối lưới và độc lập.
- Các thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại cho hệ thống PV.
- Lý thuyết biến tần đa bậc, biến tần lai và kỹ thuật điều khiển PWM cho biến tần
đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần
mềm MATLAB.


6

- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
- Kết luận.
1.4.2 Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua
mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc
tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.
1.5 Phương pháp nghiên cứu
- Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet).
- Tham dự các hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu.
- Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink.
- Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng.

7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Năng lượng mặt trời.
Năng lượng Mặt trời là một trong các nguồn năng luợng 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 là khi tới bề mặt Quả đất.
Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan
tâm và đầu tư. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn
đề lớn. Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu
về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ
nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các
quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than, v.v.
Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia
bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng
với bước sóng (  ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ
từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang
điện silicon. Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt
trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap
(hiểu như mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh

của chúng) của silicon (h < Eg). 30,2 % khác cũng bị mất đi ở các vùng năng
lượng (h > Eg). Chỉ có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang
điện”.