Phương pháp điều khiển chia tải p và q trong hệ thống năng lượng mặt trời

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

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

MAI CÔNG CƢƠNG

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI P VÀ Q
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2015


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

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

MAI CÔNG CƢƠNG

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI P VÀ Q
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số ngành: 60520202
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS LÊ MINH PHƢƠNG

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 11 năm 2015


CÔNG TRÌNH ĐƢỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

Cán bộ hƣớng dẫn khoa học : PGS.TS: LÊ MINH PHƢƠNG

Luận văn Thạc sĩ đƣợc bảo vệ tại Trƣờng Đại học Công nghệ TP. HCM
ngày … tháng … năm 2015
Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm:

TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

Chủ tịch

2

Phản biện 1

3

Phản biện 2

4

Ủy viên

5

Ủy viên, thƣ ký

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


TRƢỜNG 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..… tháng 11 năm 2015

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: MAI CÔNG CƢƠNG

Giới tính: NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 12/01/1980

Nơi sinh: THÁI BÌNH

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

MSHV: 1241830002

I- Tên đề tài:
Phƣơng pháp điều khiển chia tải p và q trong hệ thống năng lƣợng mặt trời.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
1. Tổng quan về Microgrid.
2. Các phƣơng pháp điều khiển chia tải.
3. Mô phỏng giải thuật chia tải đề xuất.
4. Mô hình thực nghiệm.
III- Ngày giao nhiệm vụ:
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ:
V- Cán bộ hƣớng dẫn: PGS.TS: LÊ MINH PHƢƠNG
CÁN BỘ HƢỚNG DẪN

PGS.TS. Lê Minh Phƣơng

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 chƣa từng đƣợc 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 đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.

Học viên thực hiện Luận văn

Mai Công Cương


ii

LỜI CÁM ƠN
Tôi xin gửi đến thầy PGS. TS. Lê Minh Phƣơng lời biết ơn sâu sắc vì đã dành
thời gian quý báu để hƣớng dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cũng nhƣ cho tôi những lời
khuyên bổ ích để hoàn thành luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn tất cả các Thầy, Cô trong Phòng Thí Nghiệm
Nghiên Cứu Điện Tử Công Suất trƣờng đại học Bách Khoa – ĐHQG Tp. HCM đặc
biệt Tôi muốn gửi lời cảm ơn của Tôi tới Thạc sĩ Nguyễn Minh Huy đã giúp đỡ và
đồng hành cùng tôi trong thời gian thực hiện luận văn.
Trong suốt thời gian học tập tại Trƣờng Đại Học Công Nghệ Tp. HCM, tôi đã
đƣợc Thầy, Cô giảng dạy tận tình, cho tôi nhiều kiến thức mới và bổ ích. Tôi xin gửi
đến Quý Thầy, Cô lời cảm ơn chân thành nhất.
Cuối cùng, tôi xin cám ơn những ngƣời thân trong gia đình đã động viên và tạo
điều kiện giúp tôi vƣợt qua những khó khăn trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu
vừa qua.
Tp. Hồ Chí Minh, ngày 2 tháng 11 năm 2015

Mai Công Cương


iii

TÓM TẮT
Lƣới điện siêu nhỏ là một phần của hệ thống lƣới điện thông minh trong tƣơng

lai bao gồm mạng các nguồn phân tán có công suất nhỏ, điện áp thấp kế nối với nhau
có hoặc không sử dụng hệ thống tích trữ năng lƣợng. Hiện nay hệ thống lƣới phân phối
điện cục bộ (DG) sử dụng nguồn năng lƣợng tái tạo mặt trời, gió và nguồn lƣu trữ
đƣợc phát triển rộng rãi. Tuy nhiên các nguồn điện này không trực tiếp tạo ra điện áp
xoay chiều 3 pha. Vì vậy, yêu cầu phải sử dụng các bộ nghịch lƣu nguồn áp 3 pha. Các
bộ nghịch lƣu này tạo lƣới siêu nhỏ (Microgrid) trƣớc khi kết nối với lƣới điện.
Để truyền tải lƣợng công suất lớn hay kết nối nhiều nguồn phát với lƣới cần
thiết kết nối và vận hành song song các bộ nghịch lƣu do khả năng mang dòng điện
lớn của các thiết bị bán dẫn bị hạn chế. Một lý do khác là các bộ nghịch lƣu hoạt động
song song sẽ tạo thành hệ thống dự phòng, nâng cao độ tin cậy hệ thống đồng thời tạo
tính linh hoạt cho phép đóng ngắt nguồn vào lƣới một cách dễ dàng.
Trong giới hạn luận văn thạc sĩ, tác giả tập trung giải quyết vấn đề kết nối song
song các bộ nghịch lƣu là làm thế nào để chia tải và đảm bảo chúng đƣợc kết nối một
cách linh hoạt không ảnh hƣởng đến độ tin cậy của hệ thống. Mô hình mô phỏng
được xây dựng và kiểm tra trên matlab Simulink, mô hình thực nghiệm thực hiện
tại phòng thí nghiệm để kiếm chứng tính đúng đắn của lý thuyết đưa ra.


iv

ABSTRACT
Micro grid is an element of smart grid in future which includes low power, low
voltage distributed energy resources connected together. Currently, electricity
distributed generator (DG) using renewable energy sources solar, wind and storage
resources are developing extensively. However, this power source does not directly
converter to 3 – phase AC voltage. Therefore, giving the claim to use the 3 – phase
inverter before connecting to the grid.
To transmit large amounts of power, or connect multiple sources to micro –
grid, parallel operation of the inverters are required due to large current-carrying
capability of the semiconductor device is limited. Another reason is that the parallel

inverters will enhance the redundant power system which increases reliability and
creates flexibility of system.
In this master thesis, authors focus on solving parallel inverter issues in micro
grid such as how to share the load and ensure that they are connected in a flexible way,
not affect the reliability of system. Simulation model was built and tested on
MATLAB Simulink, empirical model implemented in the laboratory to verify the
correctness of the theory presented.


v

MỤC LỤC
Chƣơng 1.

GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI ..............................................................................1

1.1. Tính cấp thiết của đề tài .....................................................................................1
1.1.1.

Tình hình năng lƣợng thế giới .................................................................1

1.1.2.

Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam ...................................3

1.2. Mục tiêu đề tài ...................................................................................................5
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu .....................................................................6
1.4. Nhiệm vụ của luận văn ......................................................................................7
Chƣơng 2.

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI ..............8

2.1. Pin năng lƣợng mặt trời (PV).............................................................................8
2.1.1.

Giới thiệu .................................................................................................8

2.1.2.

Mô hình tƣơng đƣơng của pin năng lƣợng Mặt trời ................................9

2.1.3.

Các đặc tuyến của pin năng lƣợng mặt trời ...........................................10

2.2. Giới thiệu về bộ biến đổi công suất – tăng áp DC/DC ....................................13
2.3. Giới thiệu về bộ biến đổi công suất – nghịch lƣu DC/AC ...............................15
2.4. Các hệ thống năng lƣợng mặt trời....................................................................17
2.4.1.

Hệ thống năng lƣợng mặt trời hoạt động độc lập ..................................17

2.4.2.

Hệ thống năng lƣợng mặt trời kết nối lƣới ............................................17

2.4.3.

Hệ thống năng lƣợng mặt trời kết hợp ...................................................18

2.5. Tổng quan về các cấp điều khiển trong hệ thống năng lƣợng mặt trời ...........19
2.5.1.

Bộ điều khiển Zero: ...............................................................................19

2.5.2.

Bộ điều khiển sơ cấp:.............................................................................19

2.5.3.

Điều khiển thứ cấp .................................................................................21

2.5.4.

Điều khiển Tertairy ................................................................................22


vi

Chƣơng 3.

PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI DROOP CONTROL P/F –

Q/V

23

3.1. Phƣơng pháp điều khiển Droop .......................................................................23
3.1.1.

Khi tải ngõ ra thuần cảm:.......................................................................23

3.1.2.

Khi δ nhỏ................................................................................................24

3.1.3.

Điều khiển độ trƣợt – Droop control .....................................................25

3.2. Điều khiển hệ thống .........................................................................................27
Chƣơng 4.

MÔ PHỎNG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI CHIA TẢI P

VÀ Q TRÊN MATLAB SIMULINK............................................................................28
4.1. Mô phỏng tấm pin năng lƣợng mặt trời ...........................................................29
4.2. Mô phỏng bộ tăng áp DC/DC và giải thuật MPPT ..........................................30
4.2.1.

Giải thuật MPPT Perturbation And Observe (PO) ................................30

4.2.2.

Bộ tăng áp DC/DC .................................................................................31

4.3. Mô phỏng bộ nghịch lƣu DC/AC.....................................................................32
4.3.1.

Các khối đo lƣờng ..................................................................................32

4.3.2.

Các khối điều khiển ...............................................................................35

4.3.3.

Điều chế vector không gian (SVPWM) .................................................38

4.4. Mô phỏng điều khiển độ trƣợt – Droop control ...............................................43
4.5. Mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu 3 pha hoàn chỉnh .......................................43
4.6. Kết quả mô phỏng ............................................................................................45
4.6.1.

Trƣờng hợp 2 đƣờng dây có thuần trở R và khác nhau .........................46

4.6.2.

Trƣờng hợp 2 đƣờng dây có thuần cảm L và khác nhau .......................48

4.6.3.

Trƣờng hợp 2 đƣờng dây R,L có R lớn và khác nhau ...........................49

4.6.4.

Trƣờng hợp 2 đƣờng dây L,R có R nhỏ và khác nhau ..........................52

4.6.5.

Trƣờng hợp 2 đƣờng dây có L, R bằng nhau.........................................54


vii

4.6.6.

Trƣờng hợp tải R=50Ω, L=35e-3H .......................................................56

4.6.7.

Trƣờng hợp tải R=35Ω, L=25e-3H .......................................................58

Chƣơng 5.

THIẾT KẾ MÔ HÌNH VÀ KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM.....................60

5.1

Thiết kế bộ lọc DC/DC: ...................................................................................62

5.2

Thiết kế mạch nguồn phụ:................................................................................63

5.3

Thiết kế mạch cảm biến dòng điện, điện áp: ...................................................68

5.4

Thiết kế bộ nghịch lƣu 3 phase: .......................................................................74

5.5

Thiết kế mạch điều khiển: ................................................................................76

5.5.1

Mạch giao tiếp ...........................................................................................77

5.5.2

Mạch hiển thị.............................................................................................78

5.5.3

Mạch lái cách ly. .......................................................................................79

NHẬN XÉT VÀ TỔNG KẾT .......................................................................................86
Nhận xét và tổng kết ..................................................................................................86
Hƣớng phát triển tƣơng lai: .......................................................................................................... 86


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Bản đồ năng lƣợng thế giới ..............................................................................................1
Hình 1.2: Mô hình hệ thống năng lƣợng mặt trời hoạt động độc lập ....................................2

Hình 1.3: Mô hình lƣới Microgrid với các nguồn năng lƣợng khác nhau ...........................3
Hình 1.4: Bản đồ cƣờng độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam.........................................................4
Hình 1.5: Mô hình 1 hệ thống microgrid hoạt động độc lập.....................................................5
Hình 1.6: Mô hình nghiên cứu của đề tài ........................................................................................5
Hình 1.7: Sơ đồ khối mô hình nghiên cứu ......................................................................................6
Hình 2.1: Chuyển hóa năng lƣợng .....................................................................................................8
Hình 2.2: Phân vùng năng lƣợng của electron trong bán dẫn P-N. ........................................9
Hình 2.3: Mô hình một cell pin PV ...................................................................................................9
Hình 2.4: Dòng ngắn mạch ...................................................................................................................9
Hình 2.5: Điện áp hở mạch ................................................................................................................ 10
Hình 2.6: Đặc tuyến I-V và P-V của pin mặt trời ...................................................................... 11
Hình 2.7: Đặc tuyến P - V và P – I tại các công suất bức xạ khác nhau ............................ 11
Hình 2.8: Tấm cell, module và dãy pin năng lƣợng mặt trời ................................................. 12
Hình 2.9: Đặc tuyến V-I khi các cell pin mắc nối tiếp............................................................. 12
Hình 2.10: Đặc tuyến V-I khi các module mắc nối tiếp .......................................................... 12
Hình 2.11: Đặc tuyến V-I khi mắc các module song song ..................................................... 12
Hình 2.12: Tác động do bóng che lên pin năng lƣợng mặt trời ............................................ 13
Hình 2.13: Cấu hình của bộ tăng áp ............................................................................................... 14
Hình 2.14: Dạng sóng ở chế độ dòng liên tục ............................................................................. 14
Hình 2.15: Dòng điện ngõ ra ............................................................................................................. 15
Hình 2.16: Mô hình các khóa nghịch lƣu 3 pha ......................................................................... 16
Hình 2.17: Hệ thống năng lƣợng mặt trời hoạt động độc lập ................................................ 17
Hình 2.18: Hệ thống năng lƣợng mặt trời kết nối lƣới ............................................................ 18
Hình 2.19: Hệ thống năng lƣợng mặt trời kết hợp acquy và máy phát điện .................... 18
Hình 2.20: Các cấp điều khiển trong hệ thống năng lƣợng mặt trời ................................... 19
Hình 2.21: Sơ đồ điều khiển cho cấp Secondary ....................................................................... 21
Hình 3.1: Mô hình đơn giản của bộ nghịch lƣu kết nối lƣới.................................................. 23


ix

Hình 3.2: Đƣờng đặc trƣng Droop điều khiển theo tần số...................................................... 25
Hình 3.3: Cấu trúc của điều khiển toàn hệ thống....................................................................... 27
Hình 4.1: Mô hình mô phỏng hệ thống ......................................................................................... 28
Hình 4.2: Mô phỏng hệ thống trên Matlab Simulink ............................................................... 28
Hình 4.3: Cấu trúc mô phỏng của 1 bộ nghịch lƣu ................................................................... 29
Hình 4.4: Bên trong của tấm PV ...................................................................................................... 30
Hình 4.5: Mô hình tấm PV mô phỏng ........................................................................................... 30
Hình 4.6: Bộ biến đổi điện áp DC/DC Boost .............................................................................. 31
Hình 4.7: Khối biến đổi điện áp DC/DC boost trên mô phỏng ............................................. 32
Hình 4.8: Mô hình bộ MPPT và bộ DC/DC Boost ................................................................... 32
Hình 4.9: Mô hình khối đo lƣờng dòng điện ............................................................................... 33
Hình 4.10: Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là các hàm truyền ................... 33
Hình 4.11: Mô hình khối đo điện áp trên Matlab Simulink ................................................... 33
Hình 4.12: Mô hình mô phỏng khối đo công suất P và Q ...................................................... 34
Hình 4.13: Mô hình lý thuyết điều khiển điện áp ...................................................................... 35
Hình 4.14: Mô hình mô phỏng bộ điều khiển điện áp ............................................................. 36
Hình 4.15: Mô hình lý thuyết điều khiển dòng điện ................................................................. 36
Hình 4.16: Mô hình mô phỏng của khối điều khiển dòng điện ............................................ 37
Hình 4.17: Bảng trạng thái chuyển đổi của các khóa ............................................................... 38
Hình 4.18: Trạng thái điện áp của của các pha ........................................................................... 39
Hình 4.19: Vector không gian, các vector trạng thái và các sector ..................................... 39
Hình 4.20: Vector không gian đƣợc tổng hợp từ 2 vector trạng thái .................................. 40
Hình 4.21: Mô hình khối chuyển đổi dq/αβ................................................................................. 42
Hình 4.22: Khối tính toán góc tƣơng ứng của hệ trục α và β ............................................. 42
Hình 4.23: Khối tạo xung SVPWM................................................................................................ 42
Hình 4.24: Bộ điều khiển độ trƣợt trên Matlab Simulink ....................................................... 43
Hình 4.25: Mô hình 3 pha 6 khóa trên Matlab Simulink ........................................................ 43
Hình 4.26: Các thành phần động lực nhƣ cuộn lọc, tụ lọc và cảm biến dòng, áp .......... 44
Hình 4.27: Các bộ điều khiển kết nối với nhau .......................................................................... 44

Hình 4.28: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lƣu............................................................................. 44


x

Hình 4.29: Mô hình mô phỏng trên Matlab Simulink .............................................................. 45
Hình 4.30: Công suất sau khi qua bộ MPPT ............................................................................... 45
Hình 4.31: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đƣờng dây thuần trở ..................... 46
Hình 4.32: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đƣờng
dây thuần trở ........................................................................................................................................... 46
Hình 4.33: Dòng điện ngõ ra tƣơng ứng khi đƣờng dây thuần trở ...................................... 47
Hình 4.34: Điện áp ngõ ra tƣơng ứng khi đƣờng dây thuần trở ........................................... 47
Hình 4.35: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đƣờng dây thuần cảm .................. 48
Hình 4.36: Dòng điện ngõ ra tƣơng ứng khi đƣờng dây thuần cảm .................................... 48
Hình 4.37: Điện áp ngõ ra tƣơng ứng khi đƣờng dây thuần cảm ......................................... 49
Hình 4.38: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đƣờng dây R, L có R lớn ............ 50
Hình 4.39: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đƣờng
dây R,L có R lớn ................................................................................................................................... 50
Hình 4.40: Dòng điện 3 pha tƣơng ứng khi đƣờng dây R,L có R lớn ................................ 51
Hình 4.41: Điện áp 3 pha tƣơng ứng khi đƣờng dây R,L có R lớn ..................................... 51
Hình 4.42: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đƣờng dây R, L có R nhỏ ........... 52
Hình 4.43: Dòng điện 3 pha tƣơng ứng khi đƣờng dây R,L có R nhỏ ............................... 53
Hình 4.44: Điện áp 3 pha tƣơng ứng khi đƣờng dây R,L có R nhỏ .................................... 53
Hình 4.45: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi đƣờng dây R,L bằng nhau.......... 54
Hình 4.46: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi đƣờng
dây R,L bằng nhau ................................................................................................................................ 54
Hình 4.47: Dòng điện 3 pha tƣơng ứng khi 2 đƣờng dây R,L bằng nhau ......................... 55
Hình 4.48: Điện áp 3 pha tƣơng ứng khi 2 đƣờng dây R,L bằng nhau .............................. 55
Hình 4.49: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi tải R=50Ω, L=35e-3H ................. 56
Hình 4.50: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ khi tải

R=50Ω, L=35e-3H................................................................................................................................ 56
Hình 4.51: Dòng điện ngõ ra tƣơng ứng khi tải R=50Ω, L=35e-3H .................................. 57
Hình 4.52: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện khi tải R=35Ω, L=25e-3H ................. 58
Hình 4.53: Công suất P, Q và điện áp, dòng điện ở khoảng thời gian nhỏ điện khi tải
R=35Ω, L=25e-3H................................................................................................................................ 58


xi

Hình 4.54: Điện áp 3 pha tƣơng ứng khi tải R=35Ω, L=25e-3H ......................................... 59


xii

DANH MỤC BẢNG
Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam ......................................................................4
Bảng 2.1: Bảng so sánh các loại nghịch lƣu ................................................................................ 15
Bảng 4.1: Thông số của tấm pin PV ............................................................................................... 29
Bảng 4.2: Bảng tra phƣơng pháp P&O.......................................................................................... 30
Hình 4.3: Lƣu đồ giải thuật P&O .................................................................................................... 31


xiii

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT
DER : Distributed Energy Resources (Các nguồn năng lƣợng phân phối)
MPPT : Max Power Point Tracking (Tìm điểm công suất cực đại)
NLTT : Năng lƣợng tái tạo
PV

: Photovoltaics

PO

: Perturb and Observe


1

Chƣơng 1. GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI
1.1. Tính cấp thiết của đề tài
1.1.1.

Tình hình năng lƣợng thế giới

Kể từ khi điện ra đời cho tới nay, con ngƣời đã sử dụng nó một cách hiệu quả
và sử dụng điện năng trong nhiều lĩnh vực của đời sống. Con ngƣời ngày càng phụ
thuộc vào điện năng, do đó cần phải cung cấp điện năng một cách liên tục. Ở nhiều
vùng sâu xa, điện năng vẫn chƣa tới đƣợc với ngƣời dân, những khu vực này khó hoặc
không thể kéo lƣới điện đến đƣợc. Nhu cầu về điện rất cần thiết để phục vụ đời sống
và sinh hoạt của họ.

Hình 1.1: Bản đồ năng lƣợng thế giới
Hệ thống năng lƣợng tái tạo (NLTT) ngày càng đƣợc sử dụng rộng rãi và phổ
biến. Hệ thống NLTT gồm nhiều nguồn năng lƣợng khác nhau nhƣ: năng lƣợng mặt
trời, năng lƣợng gió, năng lƣợng thủy triều, địa nhiệt,… NLTT tận dụng các nguồn
năng lƣợng thiên nhiên có thể tái tạo tuần hoàn để biến đổi thành điện năng cung cấp
cho con ngƣời. Các nguồn năng lƣợng tái tạo tồn tại khắp nơi trên nhiều vùng địa lý,
ngƣợc lại với các nguồn năng lƣợng khác chỉ tồn tại ở một số quốc gia. Việc đƣa vào
sử dụng năng lƣợng tái tạo nhanh và hiệu quả có ý nghĩa quan trọng trong an ninh

năng lƣợng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế. Hệ thống năng lƣợng


2

tái tạo là cần thiết để cung cấp nguồn điện 1 cách liên tục hay phục vụ cho những vùng
sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới.

Hình 1.2: Mô hình hệ thống năng lƣợng mặt trời hoạt động độc lập

Do đó, hiện nay trên thế giới ngƣời ta đã sử dụng nhiều biện pháp để cung cấp
điện áp một cách liên tục. Một trong những phƣơng pháp đó là dùng hệ thống
microgrid (lƣới siêu nhỏ) để hoạt động một cách độc lập hay kết nối lƣới tùy vào nhu
cầu sử dụng.
Trên thế giới, nhiều nhà khoa học đã nghiên cứu nhiều công trình sử dụng nhiều
bộ nghịch lƣu mắc song song để chia sẻ công suất với nhau nhằm cải thiện chất lƣợng
điện năng của khu vực, cũng nhƣ đáp ứng nhu cầu về năng lƣợng ngày càng tăng của
con ngƣời.


3

Hình 1.3: Mô hình lƣới Microgrid với các nguồn năng lƣợng khác nhau
Trong các mô hình microgrid, mô hình các bộ nghịch lƣu kết nối song song với
nhau sử dụng các phƣơng pháp chia tải khác nhau cũng đang rất phổ biến nhƣ phƣơng
pháp sử dụng giao tiếp truyền thông và phƣơng pháp chia tải thụ động. Phƣơng pháp
chia tải thụ động nhƣ Droop control tỏ ra hữu hiệu khi dự đoán trƣớc đƣợc công suất
yêu cầu của hệ thống.
1.1.2.

Tiềm năng của năng lƣợng mặt trời tại Việt Nam

Vị trí địa lý đã ƣu ái cho Việt Nam một nguồn năng lƣợng tái tạo vô cùng lớn,
đặc biệt là năng lƣợng mặt trời. Trải dài từ vĩ độ 23023’ Bắc đến 8027’ Bắc, Việt Nam
nằm trong khu vực có cƣờng độ bức xạ mặt trời tƣơng đối cao. Trong đó, nhiều nhất
phải kể đến thành phố Hồ Chí Minh, tiếp đến là các vùng Tây Bắc (Lai Châu, Sơn La,
Lào Cai) và vùng Bắc Trung Bộ (Thanh Hóa, Nghệ An, Hà Tĩnh)…


4

Hình 1.4: Bản đồ cƣờng độ bức xạ mặt trời tại Việt Nam
(nguồn: Số liệu Khí tƣợng Thủy văn Trung ƣơng)
Năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam có sẵn quanh năm, khá ổn định và phân bố
rộng rãi trên các vùng miền khác nhau của đất nƣớc. Đặc biệt, số ngày nắng trung bình
trên các tỉnh của miền trung và miền nam là khoảng 300 ngày/năm với dải bờ biển dài
hơn 3.000km, có hàng nghìn đảo hiện có cƣ dân sinh sống nhƣng nhiều nơi không thể
đƣa điện lƣới đến đƣợc.

Bảng 1.1: Số liệu về bức xạ mặt trời tại Việt Nam
Vì vậy, sử dụng năng lƣợng mặt trời nhƣ một nguồn năng lƣợng tại chỗ để thay
thế cho các dạng năng lƣợng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cƣ này


5

là một mục tiêu có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng. Tuy nhiên, việc ứng
dụng năng lƣợng mặt trời ở Việt Nam cho đến nay chƣa phát triển.
Nếu so với một số nƣớc ở châu Phi hay Nam Á có cùng hoàn cảnh, Việt Nam
vẫn còn đi sau họ. Tại Thái Lan, Malaysia, Trung Quốc, Hàn Quốc từ nhiều năm nay

đã coi hƣớng phát triển năng lƣợng tái tạo nhƣ một quốc sách vì thế năng lƣợng mặt
trời ở đây có sự tăng trƣởng rất mạnh và chiếm một tỷ lệ đáng kể trong cơ cấu phân bổ
điện năng. Tại Mỹ, Hungary, Đức, Thụy Sỹ từ nhiều năm nay cũng đã tăng nhanh tốc
độ xây dựng các nhà máy sản xuất pin mặt trời, trong đó chủ yếu xây dựng các nhà
máy sản xuất pin màng mỏng vô định hình.
Do đó, ta cần phải nghiên cứu và phát triển các hệ thống năng lƣợng mặt trời
cung cấp nguồn năng lƣợng cho sinh hoạt ngƣời dân ở các vùng sâu xa chƣa có điện
cung cấp đến đƣợc, cũng nhƣ giảm thiểu các nguồn năng lƣợng không tái tạo đƣợc
nhƣ than đá, dầu mỏ, … Hệ thống microgrid hoạt động độc lập rất phù hợp cho tình
huống này.

Hình 1.5: Mô hình 1 hệ thống microgrid hoạt động độc lập
1.2. Mục tiêu đề tài

Hình 1.6: Mô hình nghiên cứu của đề tài


6

Giả sử, ở một khu vực mà lƣới điện quốc gia không kéo tới đƣợc, cần phải cung
cấp điện cho khu vực bị cách ly hay có điện nhƣng không ổn định, ta có 2 hay nhiều
bộ nghịch lƣu 3 pha công suất nhƣ nhau, kết nối song song với nhau và hoạt động nhƣ
một microgrid độc lập.
Các bộ nghịch lƣu đặt cách xa nhau và cách xa hộ tiêu thụ, cần phải có biện pháp
để 2 bộ nghịch lƣu hoạt động song song với nhau để bảo đảm tính ổn định của hệ
thống và giúp cho các bộ nghịch lƣu không bị quá tải. Cần có phƣơng pháp điều khiển
để giải quyết bài toán này!
Phƣơng pháp điều khiển thụ động Droop control không sử dụng giao tiếp tỏ ra
phù hợp trong trƣờng hợp này khi không cần sự liên lạc hay trao đổi thông tin giữa các
bộ nghịch lƣu mà vẫn có thể chia sẻ đƣợc công suất P và Q đều nhau giữa các bộ

nghịch lƣu khi ta dự đoán trƣớc đƣợc công suất tiêu thụ của các bộ nghịch lƣu. Droop
control chia công suất P và Q đều do đó kéo dài tuổi thọ cho các thiết bị khi chạy tải
nhẹ cũng nhƣ giúp cho hệ thống ổn định. Do đó tiết kiệm đƣợc chi phí bảo dƣỡng thiết
bị và chi phí phát sinh khi cần tăng công suất tiêu thụ, chỉ cần lắp thêm các bộ nghịch
lƣu có công suất tƣơng tƣơng, không phải đầu tƣ lại toàn bộ hệ thống.
DC/DC

Nghịch lưu 3
pha
Tải tiêu thụ
Nghịch lưu 3
pha

Hình 1.7: Sơ đồ khối mô hình nghiên cứu
1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
Đối tƣợng nghiên cứu: Mô phỏng và nghiên cứu tính khả thi của phƣơng pháp
điều khiển chia tải công suất P và Q trong hệ thống năng lƣợng mặt trời hoạt động độc
lập và khả năng ứng dụng trên thực tế của phƣơng pháp điều khiển Droop control.
Phạm vi nghiên cứu: Trên mô phỏng và xây dựng phần cứng là các bộ nghịch
lƣu, kiểm tra phƣơng pháp điều khiển Droop control trong phòng thí nghiệm với công
suất nhỏ.


7

1.4. Nhiệm vụ của luận văn
-

Tổng quan về Microgrid.

-

Các phương pháp điều khiển chia tải.

-

Mô phỏng giải thuật chia tải đề xuất.

-

Mô hình thực nghiệm.


8

Chƣơng 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
2.1. Pin năng lƣợng mặt trời (PV)
2.1.1.

Giới thiệu

Pin năng lƣợng Mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là phần tử bán
dẫn quang có chứa trên bề mặt một số lƣợng lớn các linh kiện cảm biến ánh sáng là
các dạng diod p-n, dùng biến đổi năng lƣợng ánh sáng thành năng lƣợng điện. Sự
chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
Các pin năng lƣợng Mặt trời có nhiều ứng dụng trong thực tế. Do giá thành còn
đắt, chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện lƣới khó vƣơn tới nhƣ núi cao,
ngoài đảo xa, hoặc phục vụ các hoạt động trên không gian; cụ thể nhƣ các vệ tinh quay
xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết
bị bơm nƣớc ... Các pin năng lƣợng Mặt trời đƣợc thiết kế nhƣ những module thành

phần, đƣợc ghép lại với nhau tạo thành các tấm năng lƣợng Mặt trời có diện tích lớn,
thƣờng đƣợc đặt trên nóc các tòa nhà nơi có ánh sáng nhiều nhất, và kết nối với bộ
chuyển đổi của mạng lƣới điện. Các tấm pin Mặt Trời lớn ngày nay đƣợc lắp thêm bộ
phận tự động điều khiển để có thể xoay theo hƣớng ánh sáng, giống nhƣ cây xanh
hƣớng về ánh sáng Mặt Trời.

Hình 2.1: Chuyển hóa năng lƣợng
Năng lƣợng từ photon:
E = hf =
Trong đó:
E: năng lƣợng của photon (J).
h: hằng số Planck = 6.626e-34 (Js).
f, : tƣơng ứng là tần số (Hz) và bƣớc sóng (m) của photon.
c: vận tốc ánh sáng (m/s).

(2.1)