Thiết kế bộ nghịch lưu đa mức ứng dụng cho pin mặt trời nối lưới

MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH VẼ................................................................................................ i
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ........................................................................................ iv
DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT .............................................................. v
LỜI NÓI ĐẦU ............................................................................................................... 1
1.

TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI .................................................. 3
1.1. Tiềm năng và các ứng dụng của năng lượng mặt trời...................................... 3
1.1.1.

Tiềm năng của năng lượng mặt trời ....................................................... 3

1.1.2.

Các ứng dụng năng lượng mặt trời ........................................................ 4

1.2. Pin mặt trời....................................................................................................... 5
1.2.1.

Cấu tạo ................................................................................................... 5

1.2.2.

Mô hình toán học ................................................................................... 5

1.3. Hệ thống pin mặt trời nối lưới ......................................................................... 7
1.3.1.

Mô hình hệ thống pin mặt trời nối lưới ................................................. 7

1.3.2.

Vấn đề đặt ra .......................................................................................... 8

1.3.3.

Giải pháp hiện nay ................................................................................. 9

1.4. Tiêu chuẩn cho hệ pin mặt trời nối lưới ......................................................... 11

2.

1.4.1.

Các tiêu chuẩn quốc tế ......................................................................... 11

1.4.2.

Đáp ứng các điều kiện lưới bất thường................................................ 11

1.4.3.

Chất lượng điện năng ........................................................................... 12

NGHỊCH LƯU 7 MỨC ĐIỆN ÁP MỘT PHA ................................................... 14
2.1. Cấu trúc của bộ nghịch lưu 7 mức điện áp một pha ...................................... 14
2.2. Phương pháp phát xung ................................................................................. 16
2.2.1.

Điều chế xung cho mỗi cầu ................................................................. 16

2.2.2.

Điều chế sóng mang ............................................................................. 17

2.3. Mạch điện tương đương trong sơ đồ nối lưới ................................................ 20
2.4. Tính toán mạch lực ........................................................................................ 21
2.4.1.

Tính chọn van ...................................................................................... 22

2.4.2.

Tính chọn L, C ..................................................................................... 23

2.5. Ưu, nhược điểm của nghịch lưu đa mức ........................................................ 24
3.

THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................................. 26


3.1. Cấu trúc điều khiển ........................................................................................ 26
3.2. Thuật toán MPPT ........................................................................................... 27
3.3. Bộ điều khiển dòng điện ................................................................................ 30
3.3.1.

Bộ điều khiển cộng hưởng PR ............................................................. 30

3.3.2.

Thiết kế bộ điều khiển cộng hưởng PR cho vòng dòng điện............... 32

3.4. Bộ điều khiển điện áp .................................................................................... 35
3.4.1.

Bộ điều khiển điện áp tổng .................................................................. 35

3.4.2.

Hai bộ điều khiển điện áp thành phần ................................................. 38

3.5. Vòng khóa pha PLL ....................................................................................... 41

4.

3.5.1.

Cấu trúc và nguyên lý hoạt động: ........................................................ 42

3.5.2.

Khối tạo điện áp β ảo ........................................................................... 42

3.5.3.

Khối vòng khóa pha ............................................................................. 43

MÔ PHỎNG ........................................................................................................ 47
4.1. Tham số của hệ thống .................................................................................... 47
4.2. Trình tự mô phỏng ......................................................................................... 47

4.3. Kết quả mô phỏng .......................................................................................... 49

5.

4.3.1.

Trường hợp lưới điện không thay đổi .................................................. 49

4.3.2.

Trường hợp lưới điện thay đổi ............................................................. 53

THỰC NGHIỆM ................................................................................................. 55
5.1. Cấu trúc điều khiển thực nghiệm ................................................................... 55
5.2. Cấu trúc phần cứng ........................................................................................ 55
5.2.1.

Mạch lực nghịch lưu 7 mức điện áp .................................................... 57

5.2.2.

Mạch driver .......................................................................................... 58

5.2.3.

Mạch đo ............................................................................................... 60

5.2.4.

Vi điều khiển ........................................................................................ 63

5.3. Gián đoạn bộ điều khiển và số hóa – chuẩn hóa tín hiệu............................... 64
5.3.1.

Gián đoạn cấu trúc điều khiển ............................................................. 65

5.3.2.

Số hóa tín hiệu, DSP dấu phẩy tĩnh ..................................................... 68

5.4. Xây dựng chương trình bằng Matlab ............................................................. 70
5.5. Kết quả thực nghiệm ...................................................................................... 71
5.5.1.

Vòng hở ............................................................................................... 72

5.5.2.

Vòng kín nối tải độc lập....................................................................... 76


5.5.3.

Vòng kín nối lưới ................................................................................. 80

KẾT LUẬN ................................................................................................................. 85
TÀI LIỆU THAM KHẢO

.................................................................................. 86

Danh sách hình vẽ

DANH SÁCH HÌNH VẼ
Hin
̀ h 1.1 - Pin mặt trời KC200GT của hãng Kyocera ................................................... 3
Hình 1.2 - Cánh đồng pin mặt trời ở Đức...................................................................... 3
Hình 1.3 - Mạch điện tương đương pin mặt trời ........................................................... 6
Hình 1.4 - Đường đặc tính u-i theo cường độ bức xạ và theo nhiệt độ của tấm pin
KC200GT ...................................................................................................................... 7
Hình 1.5 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới...................................................................... 7
Hình 1.6 - Đường đặc tính p-u của 3 tấm pin năng lượng mặt trời dưới điều kiện hoạt
động khác nhau .............................................................................................................. 9
Hin
̀ h 1.7 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống ......... 10
Hin
̀ h 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu đa mức .................. 10
Hin
̀ h 2.1 - Cấu trúc nghịch lưu 7 mức điện áp một pha .............................................. 14
Hin
̀ h 2.2 - Dạng điện áp đầu ra của nghịch lưu đa mức .............................................. 15
Hin
̀ h 2.3 – Dạng sóng và điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực ...................... 16
Hin
̀ h 2.4 - Sóng mang dạng PD ................................................................................... 18
Hin
̀ h 2.5 - Sóng mang dạng APOD ............................................................................. 18
Hin
̀ h 2.6 - Sóng mang dạng POD ................................................................................ 19
Hin

̀ h 2.7 - Điều chế sóng mang theo phương pháp dịch pha ...................................... 20
Hin
̀ h 2.8 - Mạch điện tương đương của bộ nghịch lưu 7 mức một pha nối lưới ........ 20
Hin
̀ h 3.1 - Cấu trúc điều khiển hệ thống tổng thể ....................................................... 26
Hin
̀ h 3.2 - Vị trí thuật toán MPPT (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển tổng thể .... 27
Hin
̀ h 3.3 - Minh họa phương pháp INC trên đường đặc tính p-u ................................ 29
Hin
̀ h 3.4 - Thuật toán MPPT dựa vào phương pháp INC ........................................... 29
Hin
̀ h 3.5 - Vị trí của bộ điều khiển dòng điện (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển tổng
thể ................................................................................................................................ 30
Hin
̀ h 3.6 - Đồ thị Bode của bộ điều khiển cộng hưởng với KPh=5, KIh=2000 ............ 32
Hình 3.7 - Cấu trúc bộ điều khiển PR ......................................................................... 32
Hình 3.8 - Đồ thị biên-pha hệ kín vòng điều khiển dòng điện ................................... 33
Hình 3.9 - Đáp ứng bước nhảy hệ kín vòng điều khiển dòng điện ............................. 34
Hình 3.10 - Vị trí của bộ điều khiển điện áp tổng (màu xanh) trong cấu trúc điều khiển
tồng thể ........................................................................................................................ 35
Hình 3.11 - Đồ thị biên - pha hệ kín mạch vòng điện áp tổng .................................... 37
Hình 3.12 - Đáp ứng bước nhảy của hệ kín mạch vòng điện áp tổng ......................... 38
Hình 3.13 - Vị trí hai bộ điều khiển điện áp thành phần màu xanh trong cấu trúc điều
khiển tổng thể .............................................................................................................. 38
Hình 3.14 - Đồ thị biên - pha hệ kín mạch vòng điện áp thành phần.......................... 40
Hình 3.15 - Đáp ứng bước nhảy của hệ kín mạch vòng điện áp thành phần .............. 41
Hình 3.16 - Vị trí khối PLL (màu xanh) trong sơ đồ cấu trúc tổng thể....................... 41
Hin
̀ h 3.17 - Cấu trúc vòng khóa pha một pha ............................................................. 42

Hin
̀ h 3.18 - Cấu trúc khối tạo điện áp β ảo.................................................................. 42

i


Danh sách hình vẽ

Hin
̀ h 3.19 - Cấu trúc vòng khóa pha PLL ................................................................... 43
Hình 3.20 - Phân tích thành phần vector điện áp lưới ................................................. 44
Hình 3.21 - Cấu trúc vòng khóa pha thu gọn .............................................................. 44
Hình 3.22 - Sơ đồ tuyến tính hóa mạch vòng khóa pha .............................................. 44
Hình 3.23 - Đáp ứng tần số hệ kín khối vòng khóa pha (PLL) ................................... 45
Hình 3.24 - Đáp ứng bước nhảy của vòng kín PLL .................................................... 46
Hình 4.1 – Trình tự mô phỏng ..................................................................................... 48
Hin
̀ h 4.2 - Điện áp đầu ra bộ nghịch lưu đa mức ........................................................ 49
Hin
̀ h 4.3 - Công suất của các chuỗi pin mặt trời ......................................................... 49
Hin
̀ h 4.4 - Dòng điện đầu ra của các chuỗi pin mặt trời ............................................. 50
Hin
̀ h 4.5 - Điện áp đặt sau thuật toán MPPT trên mỗi chuỗi pin ................................ 51
Hin
̀ h 4.6 - Điện áp đầu vào nghịch lưu trên 3 cầu ....................................................... 51
Hin
̀ h 4.7 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) và điện áp lưới (đường màu đỏ,
100V/div) trong khoảng thời gian 1.2s đến 1.4s ......................................................... 52
Hin

̀ h 4.8 - Phân tích phổ dòng điện trong khoảng thời gian 1.2s đến 1.4s ................. 52
Hin
̀ h 4.9 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) và điện áp lưới (đường màu đỏ,
100V/div) trong khoảng thời gian 0.9s đến 1.1s ......................................................... 53
Hin
̀ h 4.10 - Dòng điện (đường màu xanh, 10A/div) và điện áp lưới (đường màu đỏ,
100V/div) trong khoảng thời gian 1.4s đến 1.6s ......................................................... 54
Hin
̀ h 4.11 - Công suất của các chuỗi pin mặt trời trong trường hợp lưới điện thay đổi
..................................................................................................................................... 54
Hin
̀ h 5.1 - Cấu trúc điều khiển thực nghiệm ............................................................... 55
Hin
̀ h 5.2 - Cấu trúc phần cứng .................................................................................... 56
Hin
̀ h 5.3 – Sơ đồ nguyên lý mạch cầu H ..................................................................... 57
Hình 5.4 - Sơ đồ kết nối mạch lực ............................................................................... 57
Hình 5.5 - Sơ đồ kết nối chân tiêu biểu của IR2103 ................................................... 59
Hình 5.6 - Sơ đồ tín hiệu đầu vào và đầu ra ................................................................ 59
Hình 5.7 - Sơ đồ nguyên lý mạch driver ..................................................................... 59
Hình 5.8 - Mạch driver và mạch lực của bộ nghịch lưu 7 mức điện áp một pha ........ 60
Hình 5.9 - Sơ đồ khối mạch đo điệp áp lưới ............................................................... 61
Hình 5.10 - Sơ đồ nguyên lý khối đo điện áp lưới ...................................................... 61
Hình 5.11 - Sơ đồ khối mạch đo dòng điện phía lưới ................................................. 62
Hình 5.12 - Đường đặc tính ACS712 .......................................................................... 62
Hình 5.13 - Sơ đồ nguyên lý khối đo dòng ................................................................. 62
Hình 5.14 - Mạch đo thực tế ........................................................................................ 63
Hình 5.15 - Mạch vi điều khiển ................................................................................... 64
Hình 5.16 - Hệ thống điều khiển số ............................................................................. 64
Hin

̀ h 5.17 - Hệ thống thực nghiệm .............................................................................. 72
Hin
̀ h 5.18 - Cấu trúc thực nghiệm vòng hở nghịch lưu 7 mức điện áp một pha ........ 73
Hin
̀ h 5.19 - Khối điều chế độ rộng xung – PWM ....................................................... 73
Hin
̀ h 5.20 - Xung điều khiển van S1 (sau driver) ....................................................... 74

ii


Danh sách hình vẽ

Hin
̀ h 5.21 – Kết quả đo giữa hai xung điều khiển của 2 van S1 và S3 ....................... 74
Hình 5.22 - Điện áp đầu ra cầu H1 .............................................................................. 75
Hình 5.23 - Điện áp đầu ra của bộ NLĐM (3 cầu H) .................................................. 75
Hình 5.24 - Cấu trúc thực nghiệm vòng kín nghịch lưu bảy mức điện áp một pha với
tải độc lập..................................................................................................................... 77
Hình 5.25 - Khối chuyển đổi tương tự - số - ADC ...................................................... 77
Hình 5.26 - Bộ điều khiển dòng điện .......................................................................... 78
Hin
̀ h 5.27 - Bộ điều khiển dòng điện cộng hưởng đã được gián đoạn hóa ................. 78
Hin
̀ h 5.28 - Dòng điện tải (màu xanh) và điện áp phía lưới (màu vàng) .................... 80
Hin
̀ h 5.29 - Cấu trúc thực nghiệm hệ thống vòng kín nghịch lưu điện áp một pha nối
lưới ............................................................................................................................... 81
Hin
̀ h 5.30 - Cấu trúc bộ điều khiển dòng điện cấu trúc nghịch lưu một pha nối lưới . 81

Hin
̀ h 5.31 - Dòng điện phía lưới (màu vàng) và điện áp lưới (màu xanh) trong trường
hợp sử dụng một cầu để nối lưới ................................................................................. 82
Hin
̀ h 5.32 - Dòng điện và điện áp phía lưới trong trường hợp sử dụng 3 cầu để nối lưới
..................................................................................................................................... 83

iii


Danh sách bảng biểu

DANH SÁCH BẢNG BIỂU
Bảng 1-1 - Giới hạn sóng hài điện áp lưới EN 50160 ................................................. 11
Bảng 1-2 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên điện áp ................................. 12
Bảng 1-3 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên tần số ................................... 12
Bảng 1-4 - Giới hạn sử dụng dòng bơm DC ............................................................... 12
Bảng 1-5 - Sóng hài dòng lớn nhất IEEE 1547 và IEC 61727 .................................... 13
Bảng 2-1 - Tổ hợp logic các van để tạo ra các mức điện áp khác nhau ...................... 15
Bảng 2-2 - Thông số của pin KC200GT ..................................................................... 21
Bảng 4-1 – Tham số của hệ thống ............................................................................... 47
Bảng 4-2 - Thông số của các bộ điều khiển ................................................................ 47
Bảng 5-1 - Một vài thông số điện của IR2103 ............................................................ 58
Bảng 5-2 - Bảng điện áp các mức logic đầu vào, đầu ra của IR2103 ......................... 59
Bảng 5-3 - Độ phân giải và miền biểu diễn của các định dạng số thực ...................... 70
Bảng 5-4 - Các tham số hệ thống phần cứng trong trường hợp nối tải độc lập .......... 76
Bảng 5-5 - Các tham số điều khiển của hệ thống trong trường hợp nối tải độc lập .... 76
Bảng 5-6 - Các tham số hệ thống phần cứng trong trường hợp nối lưới..................... 80
Bảng 5-7 - Các tham số điều khiển của hệ thống ........................................................ 80

iv


Danh sách ký hiệu và từ viết tắt

DANH SÁCH KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Ký hiệu:
Ký hiệu
C

Đơn vị
F

Ý nghĩa
Giá trị tụ đầu vào mỗi cầu H bộ nghịch lưu đa mức

L
ipvi

H
A

Giá trị điện áp của cuộn cảm phía lưới
Dòng điện đầu ra của chuỗi pin mặt trời thứ i

upvi

V

Điện áp đầu ra của chuỗi pin mặt trời thứ i

udci

V

Điện áp đầu vào cầu H thứ i bộ nghịch lưu đa mức

udc

V

udcsum

V

Điện áp đầu vào các cầu H trong trường hợp bằng
nhau của bộ nghịch lưu đa mức
Điện áp tổng các đầu vào bộ nghịch lưu đa mức

idc
is
ug
uHi
uH

A
A
A
V
V

Dòng điện phía một chiều
Dòng điện phía lưới
Điện áp lưới
Điện áp đầu ra cầu thứ i bộ nghịch lưu đa mức
Điện áp tổng đầu ra của bộ nghịch lưu đa mức

V

Hệ số điều chế cầu H thứ i
Điện áp trên cuộn cảm

mi
uL

Chữ viết tắt
Chữ viết tắt
NLĐM
NL7M

Tên tiếng anh

Ý nghĩa
Nghịch lưu đa mức
Nghịch lưu 7 mức

MPPT

Maximum Power Point
Tracking

Phase Locked Loop
Maximum Power Point
Incremental Conductance

Thuật toán tìm điểm công suất cực đại

PLL
MPP
INC

Vòng khóa pha
Điểm công suất cực đại
Phương pháp điện dẫn gia tăng

v


Lời nói đầu

LỜI NÓI ĐẦU
Năng lượng điện đóng một vài trò quan trọng trong quá trình phát triển của bất kỳ
quốc gia nào, trong đó có cả Việt Nam. Hiện nay, nguồn sản xuất điện năng phụ thuộc
phần lớn vào các nguồn nhiên liệu hóa thạch như: than đá, dầu mỏ, khí đốt...Trước sự
phát triển kinh tế hiện nay, nhu cầu sử dụng điện của các nước trên thế giới ngày càng
tăng dẫn đến các nguồn nhiên liệu càng trở nên cạn kiệt. Mặt khác, các nguồn nhiên
liệu hóa thạch cũng gây ảnh hướng lớn đến môi trường như làm tăng nồng độ CO2, gây
hiệu ứng nhà kính. Trước tình trạng đó, các nguồn năng lượng tái tạo đang dần được
khai thác để sử dụng như: năng lượng gió, năng lượng thủy triều, năng lượng mặt
trời,...Trong đó, nguồn năng lượng mặt trời nhận được sự quan tâm lớn của các quốc
gia trên thế giới.

Việt Nam là một quốc gia có khí hậu nhiệt đới gió mùa, có đường bờ biển dài. Năng
lượng mặt trời ở Việt Nam vô cùng dồi dào. Vì vậy, trước sự phát triển bền vững của
đất nước, nguồn năng lượng trời sẽ được khai thác mạnh mẽ trong một tương lai gần ở
Việt Nam.
Pin mặt trời là một trong những ứng dụng chuyển hóa năng lượng mặt trời thành
điện năng. Để điện năng tạo ra từ các tấm pin mặt trời có thể được đưa vào sử dụng thì
cần phải có những bộ biến đổi phù hợp. Đặc biệt, để hòa điện năng này vào lưới điện
thì các bộ biến đổi cần phải được thiết kế với những yêu cầu khắt khe. Ngoài ra, vì hiệu
suất năng lượng mặt trời còn thấp nên bộ biến đổi điện tử công suất còn phải có nhiệm
vụ tối ưu năng lượng nhận được từ các tấm pin mặt trời. Có thể nói, việc thiết kế các
bộ biến đổi điện tử công suất ứng dụng cho lĩnh vực pin mặt trời, đặc biệt là pin mặt
trời nối lưới, là rất khó khăn nhưng lại có vai trò vô cùng quan trọng trong sự phát triển
của pin mặt trời nói riêng và năng lượng mặt trời nói chung.
Vì những lí do trên, tác giả đã lựa chọn đề tài “Thiết kế cấu trúc điều khiển nghịch
lưu 7 mức điện áp một pha cho hệ pin mặt trời nối lưới”.
Nội dung đồ án được trình bày trong năm chương:
 Chương 1: Tổng quan về pin mặt trời nối lưới. Chương này sẽ sơ lược lại vai
trò năng lượng mặt trời và các ứng dụng của nó, phân tích những vấn đề của pin
mặt trời nối lưới và đề ra giải pháp hiệu quả.

1


Lời nói đầu

 Chương 2: Nghịch lưu 7 mức điện áp một pha. Chương này sẽ phân tích kỹ
càng hệ thống nghịch lưu 7 mức điện áp một pha – bộ biến đổi điện tử công suất
quan trọng trong ứng dụng pin mặt trời nối lưới.
 Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển. Đưa ra cấu trúc điều khiển phù hợp để có
thể tối ưu được năng lượng điện tạo ra từ các tấm pin mặt trời, biến đổi điện

năng tạo từ pin mặt trời thành dạng điện năng phù hợp để có thể hòa vào lưới
điện.
 Chương 4: Mô phỏng. Trình bày các kết quả mô phỏng được, phân tích và đánh
giá các kết quả.
 Chương 5: Thực nghiệm. Thiết kế hệ thống thực nghiệm, đưa ra các kết quả và
đánh giá.
Trong quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, dù rất cố gắng nhưng do hạn chế về mặt
thời gian và kiến thức nên tác giả không thể tránh khỏi các thiếu sót. Tác giả mong
muốn nhận được các ý kiến, đóng góp của các thầy cô để tác giả hoàn thiện hơn về
những nghiên cứu của bản thân. Qua đây, tác giả đặc biệt gửi lời cảm ơn đến TS.Vũ
Hoàng Phương đã tận tình hướng dẫn tác giả trong quá trình thực hiện đồ án, đồng thời
gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô và các thành viên ở Viện Kỹ thuật điều khiển và Tự
động hóa (trước đây là Tòa nhà công nghệ cao -Hitech) đã tạo điều kiện để tác giả hoàn
thành đồ án này.
Hà Nội, ngày 01 tháng 01 năm 2017
Tác giả

Hoàng Văn Sơn

2


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

1. TỔNG QUAN VỀ PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

1.1.

Tiềm năng và các ứng dụng của năng lượng mặt trời

1.1.1. Tiềm năng của năng lượng mặt trời
Ngày nay, sự tiêu thụ các nguồn nhiên liệu hóa thạch ngày càng gia tăng. Như chúng
ta đều đã biết, việc sử dụng các nguồn nhiên liệu này gây ô nhiễm lớn tới môi trường,
đặc biệt là gây ra hiệu ứng nhà kính. Trước tình trạng đó, việc tìm ra các nguồn năng
lượng tái tạo ngày càng trở nên cấp thiết. Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì
năng lượng mặt trời ngày càng trở nên phổ biến. Đặc biệt, điện mặt trời được tạo ra từ
các tấm pin năng lượng mặt trời cũng trở nên thông dụng trên nhiều quốc gia. Có thể
kể đến mười quốc gia dẫn đầu về sản xuất điện từ pin năng lượng mặt trời, tính đến
năm tháng 3 năm 2016 như sau: Đức, Trung Quốc, Nhật Bản, Ý, Mỹ, Pháp, Tây Ban
Nha, Úc, Bỉ, Hàn Quốc. Trong đó, Đức dẫn đầu với công suất điện sản xuất được từ
pin năng lượng trời là 38,250MW.

Hình 1.1 - Pin mặt trời KC200GT của
hãng Kyocera

Hình 1.2 - Cánh đồng pin mặt trời ở
Đức

Việt Nam là quốc gia giàu tiềm năng về năng lượng mặt trời, với lợi thế là một
trong những nước nằm trong giải phân bổ ánh nắng mặt trời nhiều nhất trong năm trên
bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới. Cường độ bức xạ trung bình ở miền Trung và miền
Nam khoảng 5kWh/m2, trong khi cường độ bức xạ mặt trời ở các vùng phía Bắc thấp
hơn vào khoảng 4kWh/m2. Ở Việt Nam, bức xạ mặt trời trung bình 150cal/m2 chiếm

3


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

khoảng 2000 – 5000 giờ/năm. Năng lượng 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 nước. Đặc biệt, số
ngày nắng trung bình trên các tỉnh của miền Trung và miền Nam là khoảng 300
ngày/năm.
Tuy là quốc gia giàu tiềm năng về năng lượng mặt trời nhưng việc khai thác nguồn
năng lượng này ở Việt Nam còn đang rất hạn chế. Tính đến nay điện mặt trời chỉ mới
khai thác được 3,5MW. Tuy nhiên, việc phát triển các nguồn năng lượng sạch như
nguồn năng lượng mặt trời là một điều tất yếu để phát triển bền vững của mỗi quốc gia.
Ngày 25-9-2012, Chính phủ Việt Nam phê duyệt “Chiến lược năng lượng xanh”, đây
là một văn kiện quan trọng để năng lượng mặt trời phát triển ở nước Việt Nam. Vì vậy,
việc nghiên cứu các vấn đề của năng lượng mặt trời cũng như việc đưa ra các giải pháp
là một vấn đề cấp thiết hiện nay.
1.1.2. Các ứng dụng năng lượng mặt trời
 Pin mặt trời
Pin mặt trời là phương pháp sản xuất điện trực tiếp từ năng lượng mặt trời qua thiết
bị biến đổi quang học. Pin mặt trời có ưu điểm gọn nhẹ có thể lắp bất kỳ đâu có ánh
sáng mặt trời. Tuy nhiên giá thành thiết bị pin mặt trời còn khá cao, trung bình hiện
nay khoảng 5USD/W, nên ở những nước đang phát triển pin mặt trời hiện mới có khả
năng duy nhất là cung cấp năng lượng điện sử dụng cho các vùng sâu vùng xa, nơi mà
đường điện quốc gia chưa có.
 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời
Điện năng còn có thể tạo ra từ năng lượng mặt trời dựa trên nguyên tắc tạo nhiệt độ
cao bằng một hệ thống gương phản chiếu và hội tụ để gia nhiệt cho môi chất làm việc
truyền động cho nhà máy phát điện.
 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời
Hệ thống cung cấp nước nóng dùng năng lượng mặt trời hiện nay ở Việt Nam cũng
như trên thế giới chủ yếu dùng bộ thu cố định kiểu tấm phẳng hoặc dãy ống có cánh
nhận nhiệt, với nhiệt độ nước sử dụng 60oC thì hiệu suất của bộ thu khoảng 45%, còn
nếu sử dụng ở nhiệt độ cao hơn thì hiệu suất còn thấp.

4

Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

Với những ứng dụng thiết thực trong đời sống và thay thế các phương pháp khai
thác điện truyền thống, giảm thiểu được vấn đề ô nhiễm môi trường nên tác giả đã
nghiên cứu hệ thống biến đổi năng lượng trong ứng dụng pin năng lượng mặt trời nối
lưới.

1.2.

Pin mặt trời

1.2.1. Cấu tạo
Pin mặt trời còn gọi là pin quang điện, là thiết bị ứng dụng hiệu ứng quang điện
trong bán dẫn (thường gọi là hiệu ứng quang điện trong - quang dẫn) để tạo ra dòng
điện một chiều từ ánh sáng mặt trời. Loại pin mặt trời thông dụng nhất hiện nay là loại
sử dụng silic tinh thể tinh khiết là chất bán dẫn, dẫn điện rất kém vì các electron bị
giam giữ bởi liên kết mạng, không có electron tự do. Khi bị ánh sáng hay nhiệt độ kích
thích, các điện tử bị bứt ra khỏi liên kết, hay là các điện tử tích điện âm nhảy từ vùng
hóa trị lên vùng dẫn và để lại một lỗ trống tích điện dương trong vùng hóa trị. Lúc này
chất bán dẫn mới dẫn điện.
Pin quang điện được tạo thành từ các PV cell ghép lại với nhau. PV cell là phần tử
bán dẫn gồm hai tấm bán dẫn loại P và loại N cạnh nhau, có diện tích bề mặt rộng và
có lớp N cực mỏng để ánh sáng có thể truyền qua. Trên bề mặt của PV cell có một lớp
chống phản xạ vì khi chiếu ánh sáng vào nó, sẽ có một phần ánh sáng bị hấp thụ khi
truyền qua lớp N và một phần ánh sáng bị phản xạ ngược lại, còn một phần ánh sáng
sẽ đến được lớp chuyển tiếp, nơi có các cặp electron và lỗ trống nằm trong điện trường
của bề mặt giới hạn. Với các bước sóng thích hợp sẽ truyền cho electron một năng
lượng đủ lớn để thoát khỏi liên kết. Khi thoát khỏi liên kết, dưới tác dụng của điện

trường, electron sẽ bị kéo về phía bán dẫn loại N, còn lỗ trống bị kéo về phía bán dẫn
loại P. Khi đó nếu nối hai cực vào hai phần bán dẫn loại N và P sẽ đo được một hiệu
điện thế. Giá trị của hiệu điện thế này phụ thuộc vào bản chất của chất làm bán dẫn và
tạp chất được hấp thụ.
1.2.2. Mô hình toán học
Một tấm pin mặt trời được tạo thành bởi nhiều PV cell ghép nối tiếp nối lại với nhau
có phương trình mô tả đặc tính dòng điện - điện áp (đặc tính i-v) như PT(1.1).

5


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới


 u  Rs i pv   u pv  Rsi pv
i pv  i ph  i0 exp  pv
  1 
u
a
Rs
t

 


Điện áp nhiệt năng tương đương ut  N s

(1.1)

kT

và dòng điện iph được tính như PT(1.2).
q

i ph  (i ph _ n  Ki T )

G
Gn

(1.2)

Từ PT(1.2), nhận thấy dòng điện quang năng iph phụ thuộc vào mật độ ánh sáng G
và nhiệt độ T.
Dòng điện bão hòa diode i0 cũng phụ thuộc vào mật độ ánh sáng, nhiệt độ theo
PT(1.3).
 qE  1 1  
T 
i0  i0 _ n  n  exp  g    
T 
 ak  Tn T  
3

(1.3)

Tuy nhiên những ứng dụng thực tế đòi hỏi công suất và điện áp đầu ra lớn, các tấm
pin mặt trời này lại được ghép song song, nối tiếp với nhau tạo thành hệ pin mặt trời
với mạch điện tương đương. Phương trình đặc tính i-v của hệ pin mặt trời này chỉ ra
như PT(1.4).
 qE  1 1  
T 
i0  i0 _ n  n  exp  g    

T 
 ak  Tn T  
3

Hình 1.3 - Mạch điện tương đương pin mặt trời

6

(1.4)


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

Từ PT(1.4), ta có thể xây dựng họ đường đặc tính u-i của một tấm pin mặt trời.
Hình 1.4 là họ đường đặc tính u-i của tấm pin KC200GT theo cường độ bức xạ và theo
nhiệt độ.

Hình 1.4 - Đường đặc tính u-i theo cường độ bức xạ và theo nhiệt độ của tấm pin
KC200GT

1.3.

Hệ thống pin mặt trời nối lưới

1.3.1. Mô hình hệ thống pin mặt trời nối lưới
Bộ chuyển đổi DCDC và DC-AC
Pin mặt
trời

Lưới

điện

Bộ chuyển đổi
DC-DC

Ac quy

Bộ chuyển đổi
DC-AC

Hình 1.5 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới

7


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

Hệ thống pin mặt trời nối lưới được khai thác theo 2 hướng như Hình 1.5. Hướng
thứ nhất, nối lưới trực tiếp, sử dụng bộ biến đổi DC/DC để nâng điện áp một chiều từ
các tấm pin năng lượng mặt trời lên một giá trị phù hợp rồi sau đó sử dụng bộ biến đổi
DC/AC để biến đổi điện áp một chiều thành điện áp xoay chiều có thể hòa vào lưới
điện. Hướng thứ hai là sử dụng một thiết bị lưu trữ trung gian là ac-quy để tích trữ năng
lượng. Điện áp một chiều từ pin mặt trời qua bộ DC/DC biến đổi điện áp thành một giá
trị phù hợp để có thể nạp vào ac-quy. Sau đấy, năng lượng từ bộ ac-quy qua bộ DC/AC
chuyển đổi thành điện áp xoay chiều có thể hòa vào lưới.
Phương pháp nối lưới thứ hai gây ra chi phí cao vì phải sử dụng một lượng lớn acquy để tích trữ năng lượng. Vì vậy, phương pháp nối lưới trực tiếp sẽ được nghiên cứu
trong đề tài này.
1.3.2. Vấn đề đặt ra
Thông thường các tấm mặt trời có hiệu suất thấp cho nên việc nghiên cứu pin mặt
trời trong ứng dụng nối lưới trực tiếp đặt ra nhiều vấn đề. Một trong những vấn đề quan

trọng nhất là làm sao tối ưu công suất từ các tấm pin mặt trời để đưa năng lượng điện
vào lưới. Điện áp một chiều tạo ra của mỗi tấm pin mặt trời là rất nhỏ (chỉ khoảng
30V), trong khi muốn hòa được vào lưới điện ta cần một điện một chiều lớn. Vì vậy,
thông thường ta phải nối rất nhiều các tấm pin mặt trời lại với nhau gọi là chuỗi pin
mặt trời. Các chuỗi này có thể tạo thành một cánh đồng pin mặt trời như Hình 1.2. Các
chuỗi pin mặt trời này phải trải dài trên một dải diện tích rất rộng. Tuy nhiên, do việc
phải hoạt động ngoài trời (để nhận năng lượng từ ánh sáng mặt trời), các điều kiện
chiếu sáng, nhiệt độ trên các tấm pin trên cùng một chuỗi là khác nhau. Dưới điều kiện
hoạt động khác nhau đấy, đường đặc tính công suất – điện áp (p-u) của chuỗi pin mặt
trời xuất hiện rất nhiều điểm cực trị. Hin
̀ h 1.6 thể hiện đường đặc tính (p-u) của 3 tấm
pin mặt trời mắc nối tiếp với nhau và cả 3 tấm này hoạt động dưới điều kiện khác nhau.
Như ta thấy, đường p-u trong Hình 1.6 có 3 điểm cực trị ứng với 3 công suất khác nhau
là 400W, 525W, 500W. Các thuật toán tìm điểm công suất cực đại (MPPT) hiện nay
chỉ đưa hệ thống về điểm cực trị đầu tiên tức là chỉ lấy được công suất là 400W từ 3
tấm pin này, trong khi công suất tối đa có thể tận dụng được là 525W. Bây giờ, nếu
tưởng tượng ta kết nối một chuỗi lớn pin mặt trời lại với nhau mà toàn bộ hệ thống hoạt
động dựa vào điều kiện của tấm pin đầu tiên thì như vậy hiệu suất của hệ thống giảm
đi rất nhiều. Vì vậy, ta cần những giải pháp hiệu quả để tối ưu hơn công suất lấy được
từ những chuỗi pin mặt trời này.
8


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

Hình 1.6 - Đường đặc tính p-u của 3 tấm pin năng lượng mặt trời dưới điều kiện hoạt
động khác nhau
1.3.3. Giải pháp hiện nay
Xu hướng hiện nay trong việc tối ưu năng lượng từ các tấm pin mặt trời là ta chia
một chuỗi lớn pin mặt trời (vốn xuất hiện rất nhiều điểm cực trị) thành các chuỗi nhỏ

hơn. Các tấm pin trong từng chuỗi nhỏ này được sắp xếp thích hợp để chúng có các
điều kiện làm việc ngoài trời gần giống nhau và khi đó các điểm cực trị của các tấm
pin trong chuỗi pin nhỏ sẽ xấp xỉ bằng nhau và tiến tới là một điểm duy nhất.
Tuy nhiên, việc chia chuỗi lớn pin mặt trời thành các chuỗi nhỏ có đặt ra vấn đề là:
điện áp một chiều không đủ để thực hiện nghịch lưu trực tiếp với lưới. Để giải quyết
vấn đề đã nêu, có rất nhiều giải pháp được đưa ra, nhưng ở đây tác giả xin đưa ra hai
giải pháp trong trường hợp kết nối lưới một pha:
 Thứ nhất, sử dụng bộ biến đổi DC/DC boost converter để tăng điện áp một chiều
lên và sau đó sử dụng bộ biến đổi nghịch lưu một pha DC/AC truyền thống để
đưa năng lượng vào lưới điện (Hin
̀ h 1.7).
 Thứ hai, không cần sử dụng bộ biến đổi DC/DC để tăng áp mà sử dụng bộ
nghịch lưu đa mức một pha (NLĐM) để đưa trực tiếp năng lượng từ pin mặt trời
vào lưới điện (Hình 1.8).
Khi ta tách chuỗi pin mặt trời lớn thành các chuỗi pin mặt trời nhỏ thì sẽ suất hiện
rất nhiều nguồn một chiều. Rõ ràng ta sẽ thấy giải pháp thứ nhất hệ thống cồng kềnh

9


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

hơn giải pháp thứ hai vì tương ứng mỗi chuỗi pin mặt trời sẽ có thêm một bộ biến đổi
DC/DC. Khác với giải pháp thứ nhất, giải pháp thứ hai sử dụng bộ biến đổi NLĐM.
Bộ NLĐM có một điểm khác biệt so với nghịch lưu truyền thống là bộ NLĐM có n
đầu vào. Điện áp đầu vào sẽ giảm n lần so với điện áp đầu vào mong muốn của nghịch
lưu thông thường. Như vậy với một bộ NLĐM có n đầu vào thì ta có thể chia chuỗi pin
NLMT lớn thành n chuỗi nhỏ hơn. Vì thế trong trường hợp sử dụng bộ NLĐM, ta
không cần sử dụng đến bộ biến đổi tăng áp DC/DC nữa.

DC

Chuỗi pin
mặt trời

is

S11 S13

L,r

C
DC
Bộ biến đổi
DC/DC

ug

S12 S14
Bộ biến đổi DC/AC
(Nghịch lưu truyền thống)

Hình 1.7 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu truyền thống

Chuỗi pin
mặt trời 1

C

Chuỗi pin

mặt trời 2

C

Chuỗi pin
mặt trời 3

C

S11 S13
S12 S14

S21 S23

is
L,r

ug

S22 S24

S31 S33
S32 S34
Bộ biến đổi DC/AC
(Nghịch lưu đa mức)

Hình 1.8 - Hệ thống pin mặt trời nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu đa mức
Trong đồ án này, tác giả sử dụng giải pháp thứ hai để ứng dụng cho hệ thống pin
mặt trời nối lưới và bộ NLĐM là một thành phần quan trọng đối với giải pháp này và
được nghiên cứu kỹ ở những chương tiếp theo.

10


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

1.4.

Tiêu chuẩn cho hệ pin mặt trời nối lưới

1.4.1. Các tiêu chuẩn quốc tế
Tiêu chuẩn về chất lượng điện áp EN50160:
Bảng 1-1 - Giới hạn sóng hài điện áp lưới EN 50160
Sóng hài bậc lẻ không
là bội của 3

h

Sóng hài bậc lẻ là bội
của 3
Sóng hài bậc chẵn

3

5

11

13

17

Điện áp tương đối (%) 6

5

3.5

3

2

h

9

15

21

Điện áp tương đối (%) 5

1.5

0.5

0.5

h

2

4

6-24

Điện áp tương đối (%) 2

1

0.5

3

Tiêu chuẩn đưa ra các thông số điện áp và độ lệch cho phép tại điểm kết nối:
 Mức độ hài hòa điện áp (xem Bảng 1-1), điện áp THD tối đa là 8%.
 Điện áp mất cân bằng cho nghịch lưu 3 pha, độ mất cân bằng tối đa là 3%.
 Biến thiên biên độ điện áp tối đa 10%.
 Biến thiên tần số tối đa 1%.
 Sụt giảm điện áp: thời gian <1s và sâu <60%.
Ngoài ra còn có các tiêu chuẩn khác đối với hệ pin mặt trời nối lưới như:
 Tiêu chuẩn về giao diện IEC 61727.
 Tiêu chuẩn về độ an toàn VDE 0126-1-1.
 Tiêu chuẩn tương thích điện từ IEC 61000.
1.4.2. Đáp ứng các điều kiện lưới bất thường
Bộ biến đổi pin mặt trời cần được ngắt kết nối trong trường hợp điều kiện lưới bất
thường về điện áp và tần số. Đáp ứng này đảm bảo an toàn cho người và thiết bị kết
nối, gồm cả hệ thống quang điện.
Điện áp thay đổi:
Thời gian ngắt kết nối tính từ tình trạng bất thường xảy ra tới khi bộ biến đổi ngừng

cấp điện. Bảng thời gian ngắt kết nối được cho ở Bảng 1-2.

11


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

Bảng 1-2 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên điện áp
IEEE

Dải điện áp (%)

1547

V<50

50V<88

110
Thời gian ngắt kết nối (s) 0.16

2.00

1.00

IEC
61727

Dải điện áp (%)

50V<85

110
Thời gian ngắt kết nối (s) 0.10

2.00

2.00

VDE
0126-1-1

Dải điện áp (%)

50V<88

Thời gian ngắt kết nối (s)

0.2

V<50

0.16
0.05

Tần số thay đổi:
Bảng 1-3 - Thời gian ngắt kết nối đối với sự biến thiên tần số
IEEE1547

IEC61727
VDE0126-1-1

Dải tần số (Hz)

59.53
Thời gian ngắt kết nối (s)

0.16

Dải tần số (Hz)

fn
Thời gian ngắt kết nối (s)

0.2

Dải tần số (Hz)

47.5
Thời gian ngắt kết nối (s)

0.2

1.4.3. Chất lượng điện năng
Chất lượng điện năng cung cấp bởi hệ thống quang điện đối với tải AC cục bộ và
đối với công suất phân bố hữu ích được quản lý bởi thực tiễn và các tiêu chuẩn về điện

áp, độ nhấp nhô, tần số, sóng hài và hệ số công suất. Độ lệch từ những tiêu chuẩn này
đại diện cho điều kiện nằm ngoài vùng giới hạn và có thể được yêu cầu ngắt kết nối
của hệ thống pin mặt trời từ các thành phần hữu ích.
Sự bơm dòng DC:
Bảng 1-4 - Giới hạn sử dụng dòng bơm DC
IEEE1547

IEC61727

VDE 0125-1-1

IDC<0.5% dòng
RMS

IDC<1% dòng RMS

IDC<1A, thời gian tác động lớn nhất
0.2s

12


Tổng quan về pin mặt trời nối lưới

Bơm dòng DC có thể làm bão hòa các máy biến áp phân phối dẫn tới quá nhiệt hoặc
đóng các tác động, vì vậy giới hạn dòng DC được cho ở
Sóng hài dòng điện:
Đầu ra của hệ thống bộ biến đổi pin NLMT cần có độ biến dạng dòng thấp để đảm
bảo không có ảnh hưởng đến các thiết bị kết nối. Bảng sóng hài tối đa được cho trong
Bảng 1-5.

Bảng 1-5 - Sóng hài dòng lớn nhất IEEE 1547 và IEC 61727
Bậc sóng
hài đơn

h<11

11h<17

17h<23

23h<35

35h

Tổng độ méo sóng
hài THD (%)

%

4

2

1.5

0.6

0.3

5

13


Nghịch lưu 7 mức điện áp một pha

2. NGHỊCH LƯU 7 MỨC ĐIỆN ÁP MỘT PHA

2.1.

Cấu trúc của bộ nghịch lưu 7 mức điện áp một pha
S11

S13

Udc1

L
uH1

S12

S14

S21

S23
uH2

Udc2

S22

S24

S31

S33

uH

uH3

Udc3
S32

S34

N

Hình 2.1 - Cấu trúc nghịch lưu 7 mức điện áp một pha
Nghịch lưu 7 mức (NL7M) điện áp một pha là một bộ nghịch lưu đa mức có số mức
điện áp đầu ra là 7. Hiǹ h 2.1 là cấu trúc của một bộ NL7M gồm 3 cầu H mắc nối tiếp
với nhau. Mỗi cầu H chính là một bộ biến đổi nghịch lưu truyền thống, có thể tạo các
mức điện áp -Udc, 0, +Udc. Trong đó, Udc là điện áp một chiều ở đầu vào mỗi cầu H.
Nếu ta có M số cầu và điện áp một chiều của các cầu là như nhau thì bằng việc tổng
hợp các mức điện áp ở các cầu lại với nhau ta sẽ có 2M+1 mức điện áp khác nhau. Vẫn
với M cầu nhưng nếu điện áp một chiều của các cầu là khác nhau thì số mức điện áp
có thể tạo ra là : 2M-1. Trong đồ án này, chúng ta giả sử các mức điện áp ở đầu vào các
cầu xấp xỉ bằng nhau. Hệ thống có thể được mở rộng và nâng số mức bằng cách lắp
thêm các cầu H.

14


Nghịch lưu 7 mức điện áp một pha

Với bộ NL7M gồm 3 cầu H như Hình 2.1 thì hệ thống có thể tạo ra điện áp đầu ra
7 mức nếu điện áp một chiều các cầu bằng nhau. Bảng 2-1 là một trong những cách tổ
hợp các van để tạo ra điện áp đầu ra 7 mức. Trong đó: uH1, uH2, uH3 là điện áp đầu ra
của từng cầu H1, H2, H3; uH là điện áp đầu ra tổng của bộ nghịch lưu: uH=uH1+uH2+uH3.
Nhìn vào Bảng 2-1 ta cũng có thêm nhận xét rằng: với các mức điện áp +2Udc, Udc, Udc, -2Udc thì mỗi mức logic này có nhiều cách tổ hợp trạng thái của các van bán dẫn
để tạo ra chúng. Tuy nhiên chúng ta cần có cách tổ hợp van bán dẫn đóng mở một cách
hợp lý (liên quan đến phương pháp phát xung) để làm sao có thể giảm tổn hao chuyển
mạch van và giảm độ méo sóng hài. Điện áp đầu ra bộ NL7M điện áp một pha có dạng
như Hin
̀ h 2.2.
V

t

Hình 2.2 - Dạng điện áp đầu ra của nghịch lưu đa mức
Bảng 2-1 - Tổ hợp logic các van để tạo ra các mức điện áp khác nhau
S11

S13

uH1

S21

S23

uH2

S31

S33

uH3

uH

1

0

+Udc

1

0

+Udc

1

0

+Udc

+3Udc

1

0

+Udc

1

0

+Udc

0

0

0

+2 Udc

1

0

+Udc

0

0

0

0

0

0

+ Udc

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

-Udc

0

0

0

0

0

0

- Udc

0

1

-Udc

0

1

-Udc

0

0

0

-2 Udc

0

1

-Udc

0

1

-Udc

0

1

-Udc

-3 Udc

15


Nghịch lưu 7 mức điện áp một pha

2.2.

Phương pháp phát xung

Đối với phương pháp phát xung điều khiển các cầu H của bộ NLĐM, ta cần quan
tâm đến 2 vấn đề chính. Thứ nhất là phương pháp phát xung cho mỗi cầu. Thứ hai là
phương pháp điều chế sóng mang cho các cầu.
2.2.1. Điều chế xung cho mỗi cầu
Để có thể phân tích nguyên lý của phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch
lưu điện áp một pha, ta có thể giả thiết các van bán dẫn ở mạch nghịch lưu là phần tử
lý tưởng. Có 2 phương pháp điều chế độ rộng xung để tạo ra điện áp hình sin cho cầu
nghịch lưu một pha: điều chế lưỡng cực và điều chế đơn cực. Đối với bài toán này ta
sử dụng phương pháp điều chế đơn cực vì phương pháp này cho sóng hài tốt hơn so
với phương pháp điều chế lưỡng cực.
Phương pháp đơn cực sử dụng 2 tín hiệu ngược dấu nhau m và –m chỉ để điều khiển
cặp van phía trên S1/S3. Còn hai cặp van phía dưới được điều khiển hoàn toàn phụ thuộc
2 van đó: S4 nhận trạng thái phủ định của S1, còn S2 nhận trạng thái logic phủ định của
S3 (Hình 2.3). Dễ dàng nhận thấy: trong phạm vi nửa chu kỳ của điện áp cần tạo, phụ
tải chỉ nhận điện áp một dấu.
1.0

vcr

m

0.5
0

-m

vg1
vg3
vAN
0
vBN

Udc
Udc

vAB

Udc

0

Hình 2.3 – Dạng sóng và điện áp theo phương pháp điều chế đơn cực
16


Nghịch lưu 7 mức điện áp một pha

2.2.2. Điều chế sóng mang
Đối với nghịch lưu đa mức điện áp một pha điều chế theo sóng mang có thể coi là

phương pháp hiệu quả nhất, dễ thực hiện nhất mà vẫn đảm bảo tần số đóng cắt của van
thấp hơn so với tần số điều chế tại điện áp đầu ra. Tùy theo cách thức sắp đặt các sóng
mang phương pháp chia làm hai dạng chính là điều chế theo sóng mang dạng dịch pha
và điều chế sóng mang dạng dịch mức.
Điều chế sóng mang dạng dịch mức:
Trong điều chế sóng mang dạng dịch mức nghịch lưu với N mức điện áp cần (N-1)
sóng răng cưa có tần số và biên độ như nhau, sắp đặt chồng lên nhau để phủ hết mức
điện áp từ +N.Udc đến-N.Udc khi sóng sin điều chế thay đổi hết dải biên độ từ +Urm đến
–Urm, đối xứng quanh mức 0. Sóng điều chế so sánh với các răng cưa để xác định quy
luật đóng cắt của các van trong cầu H để xác định mức điện áp ra tương đương.
Có 3 phương pháp thực hiện PWM dịch mức tùy theo pha của các răng cưa với
nhau là:
 Pha như nhau (PD – Phase Disposition), khi tất cả các răng cưa đồng pha với
nhau như Hình 2.4.
 Lệch pha xen kẽ 180o (APOD-Alternative Phase Opposition Disposition), khi
pha của mỗi răng cưa ở mức cạnh nhau ngược pha nhau như Hình 2.5.
 Pha ngược nhau (POD – Phase Opposition Disposition), khi pha của các răng
cưa xếp trên mức 0 lệch 180o so với các răng cưa đối xứng ở dưới mức như Hình
2.6.

17