Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện một pha​

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

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

LÊ TẤN CƯỜNG

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI
ĐIỆN MỘT PHA

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

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018


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

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

LÊ TẤN CƯỜNG

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI
ĐIỆN MỘT PHA

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 7 năm 2018


CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. NGUYỄN THANH PHƯƠNG
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Luận văn Thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Công nghệ TP. HCM ngày 28
tháng 7 năm 2018
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)
TT

Họ và tên

Chức danh Hội đồng

1

PGS. TS. Ngô Cao Cường

Chủ tịch

2

PGS. TS. Huỳnh Châu Duy

Phản biện 1

3

TS. Võ Hoàng Duy

Phản biện 2

4

PGS. TS. Nguyễn Hùng

5

TS. Đoàn Thị Bằng

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 luận văn


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 6 năm 2018

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Lê Tấn Cường

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1993

Nơi sinh: Quảng Ngãi

Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện

MSHV: 1541830018

I- Tên đề tài:

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA.
II- Nhiệm vụ và nội dung:
- 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.
- Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha, các thông số biến tần, xác định kích thước tụ
điện liên kết DC
- Tính toán thiết kế, lựa chọn các thông số cho bộ lọc đầu ra
- Thiết kế bộ điều khiển điện áp DC, đồng bộ hóa lưới, điều khiển dòng điện

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới 1 pha bằng matlab/ simulink
- Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng
- Kết luận.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/6/2018
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HUỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN

NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


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

Lê Tấn Cường


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 15SMD21 và cá nhân tôi trong suốt học trình nghiên
cứu và học tập thạc 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 20 tháng 6 năm 2018
Người thực hiện luận văn

Lê Tấn Cường


TÓM TẮT
I. Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu của đề tài :
Luận văn tập trung các vấn đề liên quan đến thiết kế điều khiển hệ thống điện năng
lượng mặt trời hòa vào lưới điện 1 pha, sử dụng bộ lọc LCL để tối ưu hóa chất lượng
điện năng, giảm sóng hài trước khi hòa vào lưới, cụ thể: Tính toán thiết kế, lựa chọn
các thông số cho bộ lọc đầu ra, từ đó chọn cấu hình phù hợp cho bộ lọc.
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.
- Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha, các thông số biến tần, xác định kích thước tụ
điện liên kết DC
- Tính toán thiết kế, lựa chọn các thông số cho bộ lọc đầu ra
- Thiết kế bộ điều khiển điện áp DC, đồng bộ hóa lưới, điều khiển dòng điện

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới 1 pha bằng matlab/ simulink
- 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:
Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện 1 pha 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, không đề cập đến bài toán kinh tế để
lựa chọn bộ lọc LCL.


ABSTRACT
I. The purposes, the objects and the subjects of the research study
The thesis focuses on the issues related to design controls solar power system integrated
into the single phase power grid, use LCL filter to max the power quality, perfect mixer
before making on grid, detail: Calculations accounting, select parameters for the filter
filter from the selected configuration configuration for filter.
II. The procedures and the limitations of the research study:
1. the procedures of the research study
- Find the sky quality and solutions using effect; Structure and principle of photovoltaics
(PV); Types of PV systems connected and independent
- Design of single phase power inverter, parameters of inverter, determines the size of the
DC link capacitor
- Design calculations, select the parameters for the output filter
- Design of DC voltage control, grid synchronization, current control
- Modeling and simulation of single phase PV system by matlab / simulink
- Evaluate the results of simulation|
- Conclusion.
2. the limitations of the research study

Due to the limited time and research conditions, the topic is limited to the following
issues:
Design controls solar power system integrated into the single phase power grid and
simulation using Matlab / Simulink not to mention the design of PV Panels, no real
construction design, not to mention the economics of choosing LCL filters.


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ............................................................................................................
LỜI CÁM ƠN ..................................................................................................................
TÓM TẮT ........................................................................................................................
ABSTRACT .....................................................................................................................
MỤC LỤC ........................................................................................................................
DANG MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT .................................................
DANH MỤC CÁC BẢNG...............................................................................................
DANG MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................................
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ............................................................................................................................... 1
2. Tính cần thiết .......................................................................................................................... 1
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ................................................................................ 2

3.1 Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................... 2
3.2 Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................... 2
4. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
5.1. Lý thuyết .................................................................................................................. 3
5.2. Mô phỏng ................................................................................................................. 3
6. Tên đề tài ..................................................................................................................... 3
7. Bố cục luận văn ........................................................................................................... 3
8. Kết luận........................................................................................................................ 3

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................... 4
1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới .................................................................................... 4
1.1.1 Biến tần đơn tập trung ............................................................................................ 4
1.1.2 Biến tần hai cấp ...................................................................................................... 5
1.2 Các điều kiện hòa đồng bộ ........................................................................................ 6
1.2.1 Điều kiện về tần số ................................................................................................ 7
1.2.2 Điều kiện về điện áp ............................................................................................... 7
1.2.3 Điều kiện về pha ..................................................................................................... 7
1.2.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới....................................................................... 7


1.3 Các điều khiển của VSI ............................................................................................. 8
1.4 Giảm kích thước của tụ điện DC ............................................................................... 9
1.5 Kỹ thuật đồng bộ hóa lưới ....................................................................................... 11
1.6 Mục tiêu ................................................................................................................... 12
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI MỘT PHA ...................... 13
2.1 Thông số kỹ thuật biến tần ...................................................................................... 13
2.2 Cấu hình mạch đóng cắt .......................................................................................... 14
2.3 Tụ điện liên kết DC ................................................................................................. 15
2.3.1 Tụ điện phân so với tụ phim ................................................................................. 15
2.3.2 Xác định kích thước tụ điện liên kết DC .............................................................. 18
2.4 Thiết kế bộ lọc đầu ra .............................................................................................. 19
2.4.1 Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện .............................................. 20
2.4.2 Cấu hình bộ lọc ..................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................ 24
3.1 Bộ điều khiển dòng điện .......................................................................................... 24
3.1.1 Mô hình................................................................................................................. 25
3.1.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ............................................................................ 26
3.1.3 Tính ổn định vòng kín .......................................................................................... 29
3.2 Phương pháp đồng bộ lưới ...................................................................................... 31

3.2.1 Bộ ước lượng điện áp lưới .................................................................................... 32
3.2.1.1 Mô phỏng của công cụ ước lượng điện áp lưới ................................................. 34
3.2.2 Biên độ điện áp lưới danh định ............................................................................ 38
3.2.3 Dòng điện tham chiếu được đồng bộ hóa ............................................................. 40
3.2.4 Thảo luận về phương pháp đồng bộ lưới được đề xuất ........................................ 40
3.3 Bộ điều khiển điện áp .............................................................................................. 41
3.3.1 Mô hình vòng lặp điện áp ..................................................................................... 42
3.3.2 Bộ bù điện áp DC ................................................................................................. 45
3.4 Thực hiện điều khiển kỹ thuật số ............................................................................ 45
3.4.1 Nghiên cứu tần số đóng cắt .................................................................................. 47
3.4.2 Định dạng đơn vị và số cố định ............................................................................ 47


CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB/ SIMULINK ......... 48
4.1 Các thông số mô phỏng của hệ thống ...................................................................... 48
4.2 Mô phỏng đặc tuyến V-I của pin quang điện .......................................................... 53
4.3 Bộ điều khiển Controller ......................................................................................... 56
4.4 Sơ đồ tính trung bình hiệu quả mỗi chu kỳ AC ....................................................... 59
4.5 Mô phỏng bộ lọc LCL ............................................................................................. 60
4.5.1 Khi không dùng bộ lọc LCL ................................................................................. 60
4.5.2 khi dùng bộ lọc L .................................................................................................. 64
4.5.3 khi dùng bộ lọc LC ............................................................................................... 68
4.5.4 khi dùng bộ lọc LCL............................................................................................. 72
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI .. 77
5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 77
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI .................................................... 77

Phụ lục C ..................................................................................................................... 79

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
AC

: Dòng điện xoay chiều

DC

: Dòng điện một chiều

DR

: Nguồn phân phối

LF

: Bộ vòng lặp

MPPT

: Theo dõi điểm công suất cực đại

PCC

: Điểm của khớp nối chung

P

: Pin mặt trời

PD

: Máy dò pha

PWM

: Điều chế độ rộng xung

PWMS

: Điều chế độ rộng xung hình sin

PI

: Tích phân theo tỷ lệ

PLL

: Vòng lặp khóa pha

PR

: Tỷ lệ cộng hưởng

TDD

: Tổng phụ tải méo

THD

: Tổng sóng hài méo

VCO

: Dao động điều khiển điện áp

VSI

: Biến tần điện áp


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật biến tần
Bảng 2.2: Các tham số bộ lọc đầu ra và các giá trị đã chọn của chúng
Bảng 3.1: Tham số của bộ bù PR và tham số của hệ thống
Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng công suất vòng lặp biến tần
Bảng C.1: Sóng hài tổng quát của

cho độ lớn


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung
Hình 1.2: Cấu hình biến tần hai cấp
Hình 1.3: Công suất ra tức thời của một bộ biến tần đơn tại hệ số dịch chuyển
đơn vị
Hình1.4 : Ví dụ về mạch tách công suất tác dụng được dùng
Hình 2.1: Cấu hình mức công suất của biến tần PV một pha điện áp định mức liên kết
DC và thành phần gợn sóng
Hình 2.2: Dạng sóng điện áp liên kết DC chung
Hình 2.3: Cấu hình cầu đầy đủ với sơ đồ đóng cắt điện áp đơn cực PWM

Hình 2.4: Bộ lọc LCL đầu ra của biến tần
Hình 2.5: Biểu đồ độ lớn của hàm truyền bộ lọc đầu ra

(s)

Hình 3.1: Sơ đồ khối tổng thể của bộ điều khiển biến tần
Hình 3.2: Sơ đồ khối điều khiển dòng điện
Hình 3.3: Biểu đồ Bode của (a) bộ bù PR lý tưởng, (b) bộ bù PR không lý tưởng,
=1,

=2000, ζ = 0,1

Hình 3.4: Biểu đồ bode của vòng lặp dòng được bù và không được bù
Hình 3.5: Tổng quan về bộ đồng bộ lưới và bộ điều khiển VAR
Hình 3.6: Vòng phản hồi của bộ ước lượng điện áp lưới
Hình 3.7: (a) Quỹ đạo trạng thái của bộ ước lượng, (b) Sơ đồ điện áp đỉnh pha của đầu
vào và đầu ra của bộ ước lượng
Hình 3.8: biểu đồ bode

và

Hình 3.9: Quỹ đạo mở các biến trạng thái của bộ ước lượng với các giá trị

khác

nhau
Hình 3.10: miền thời gian hồi của các biến trạng thái bộ ước lượng
Hình 3.11: Độ nhạy miền thời gian được thu phóng của độ méo điện áp lưới

(t), ước

lượng đầu ra và các giá trị mong muốn của nó
Hình 3.12: Các hệ số công suất so với tần số lưới cho Q = 0 trong khi bỏ qua chuyển
đổi sóng hài
Hình 3.13: Sơ đồ công suất biến tần


Hình 3.14: Sơ đồ Pha của

và hai thành phần của nó

Hình 3.15: Vòng lặp điện áp của biến tần
Hình 3.16: Ảnh hưởng của gợn sóng tần số kép trên tín hiệu dòng điện tham chiếu
trong đó

gấp hai lần tần số cơ bản,

được chọn là 0,008 và

được chọn là 1

Hình 3.17: Biểu đồ Bode của vòng lặp điện áp không bù và bù
Hình 4.1: Mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 1 pha trong Matlab
Simulink
Hình 4.2: Cực điều khiển G của mosfet
Hình 4.3: Tần số chuyển mạch

= 30kHz

Hình 4.4: Cuộn cảm bên cấu hình cầu

= 300μH

Hình 4.5: Cuộn cảm bên lưới
Hình 4.6: Bộ lọc tụ điện



Hình 4.7: Bộ lọc giảm xóc điện trở
Hình 4.8: Điện áp lưới danh định,
Hình 4.9: Tấm pin quang điện trong Matlab Simulink
Hình 4.10: Thông số của tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 4.11: Biểu đồ dòng của 1 tấm pin năng lượng mặt trời
Hình 4.12: Ghép song song 2 tấm pin quang điện trong Matlab Simulink
Hình 4.13: Ghép song song các pin và đặc tuyến V-I
Hình 4.14: Biểu đồ dòng của 2 tấm pin năng lượng mặt trời ghép song song
Hình 4.15: Bộ điều khiển Controller
Hình 4.16: Sơ đồ con khối Controller
Hình 4.17: Tín hiệu điều khiển Controller
Hình 4.18: Bộ điều khiển điện áp DC
Hình 4.19: Tín hiệu i_ac khi qua bộ điều khiển
Hình 4.20: Sơ đồ khối tính trung bình hiệu quả mỗi chu kỳ AC
Hình 4.21: Thông số mỗi chu kỳ AC
Hình 4.22: Sơ đồ hòa đồng bộ không dùng bộ lọc LCL
Hình 4.23: Dạng sóng hòa đồng bộ không dùng bộ lọc LCL
Hình 4.24: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi không dùng bộ lọc LCL
Hình 4.25: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc L


Hình 4.26: Dạng sóng hòa đồng bộ dùng bộ lọc L

Hình 4.27: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi dùng bộ lọc L
Hình 4.28: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc LC
Hình 4.29: Dạng sóng hòa đồng bộ dùng bộ lọc LC
Hình 4.30: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi dùng bộ lọc LC
Hình 4.31: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc LCL
Hình 4.32: Dạng sóng hòa đồng bộ dùng bộ lọc LCL
Hình 4.33: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi dùng bộ lọc LCL


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS.TS. Đặng Đình Thống - Pin mặt trời và ứng dụng- Nhà xuất bản khoa học và
kỹ thuật
[2] R. Erickson and A. Rogers, “A microinverter for building-integrated
photovoltaics,” in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009. APEC
2009. Twenty-Fourth Annual IEEE, feb. 2009, pp. 911 –917.
[3] B. Francis and W. Wonham, “The internal model principle for linear multivariable
regulators,” J. Appl. Maths. Optim., vol. 2, no. 2, pp. 170 –194, 1975.
[4] H. Cha, T.-K. Vu, and J.-E. Kim, “Design and control of proportional-resonant
controller based photovoltaic power conditioning system,” in Energy Conversion
Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE, sept. 2009, pp. 2198 –2205.
[5] A. Timbus, M. Ciobotaru, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, “Adaptive resonant
controller for grid-connected converters in distributed power generation systems,” in
Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC ’06. TwentyFirst Annual IEEE, march 2006, p. 6 pp.
[6] F. Schimpf and L. Norum, “Effective use of film capacitors in single-phase
pvinverters by active power decoupling,” in IECON 2010 - 36th Annual Conference
on IEEE Industrial Electronics Society, nov. 2010, pp. 2784 –2789.
[7] T. Shimizu, K. Wada, and N. Nakamura, “Flyback-type single-phase utility
interactive inverter with power pulsation decoupling on the dc input for an ac
photovoltaic module system,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 21, no.
5, pp. 1264 –1272, sept. 2006.

[8] A. Kotsopoulos, J. Duarte, and M. Hendrix, “Predictive dc voltage control of
singlephase pv inverters with small dc link capacitance,” in Industrial Electronics,
2003. ISIE ’03. 2003 IEEE International Symposium on, vol. 2, june 2003, pp. 793 –
797 vol. 2.
[9] Y.-M. Chen, H.-C. Wu, and Y.-C. Chen, “Dc bus regulation strategy for
gridconnected pv power generation system,” in Sustainable Energy Technologies,
2008. ICSET 2008. IEEE International Conference on, nov. 2008, pp. 437 –442.


[10] T. Thacker, R. Wang, D. Dong, R. Burgos, F. Wang, and D. Boroyevich,
“Phaselocked loops using state variable feedback for single-phase converter systems,”
in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009. APEC 2009. TwentyFourth Annual IEEE, feb. 2009, pp. 864 –870.
[11] H. Cha, T.-K. Vu, and J.-E. Kim, “Design and control of proportional-resonant
controller based photovoltaic power conditioning system,” in Energy Conversion
Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE, sept. 2009, pp. 2198 –2205.
[12] K. de Souza, M. de Castro, and F. Antunes, “A dc/ac converter for single-phase
grid-connected photovoltaic systems,” in IECON 02 [Industrial Electronics Society,
IEEE 2002 28th Annual Conference of the], vol. 4, nov. 2002, pp. 3268 – 3273 vol.4.
[13] Electrolytic Capacitors Application Guide-Operational life time section, KEMET
Electronics Corporation, June 2009, avaliable at www.kemet.com.
[14] Y.-M. Chen, H.-C. Wu, and Y.-C. Chen, “Dc bus regulation strategy for
gridconnected
pv power generation system,” in Sustainable Energy Technologies, 2008. ICSET 2008.
IEEE International Conference on, nov. 2008, pp. 437 –442.
[15] Y.-M. Chen, C.-H. Chang, and H.-C.Wu, “Dc-link capacitor selections for the
singlephase
grid-connected pv system,” in Power Electronics and Drive Systems, 2009. PEDS
2009. International Conference on, nov. 2009, pp. 72 –77.
[16] “Ieee standard for interconnecting distributed resources with electric power
systems,”

IEEE Std 1547-2003, pp. 1 –16, 2003.
[17] “Ieee recommended practices and requirements for harmonic control in electrical
power systems,” IEEE Std 519-1992, p. 85, 1993.


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, thế giới đang hướng tới sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho
năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt và khan hiếm. Lý do chủ yếu sử dụng năng lượng
tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi con người và tất cả các sinh vật đang tồn tại.
Hơn thế nữa, năng lượng tái tạo không những thân thiện với môi trường mà còn không
phải chịu những chi phí nhiên liệu đầu vào, ít bảo trì và đặc biệt vô tận. Một trong
những nguồn năng lượng tái tạo là năng lượng mặt trời.
Như chúng ta đã biết tuổi thọ của ắc quy không cao tối đa từ 2-3 năm tùy thuộc
vào hãng sản xuất và cách sử dụng mà giá thành lại rất đắt, khi không còn sử dụng
được thoải ra ngoài còn gây ô nhiểm môi trường do thành phần chính của ắc quy là chì
rất độc chính vì lẻ đó nên để giảm chi phí, tổn hao do sử dụng hệ thống ắc quy lưu trữ
điện, cũng như để hệ thống điện mặt trời thực sự thân thiện với môi trường thì ta cần
phải hòa được hệ thống điện mặt trời lên lưới điện.
2. Tính cần thiết
Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng
truyền thống như dầu mỏ, than đá… càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Bên
cạnh đó, việc sử dụng những năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động
xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng
tầng ô zôn… là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải ra
từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, hạn hán, lũ lụt… gây hại cho môi
trường sống của con người.
Trước tình hình đó, việc phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng

nhu cầu sử dụng năng lượng đang dần lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn
năng lượng có hại cho môi trường hoặc đang cạn kiệt trở nên cần thiết đòi hỏi nhiều sự
quan tâm.
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà
thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các
nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng
các dòng sông,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu


2
vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay
các công trình ngoài khơi, …). Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác,
sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó,
đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng
dụng [1] nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời tuy nhiên việc sử dụng nguồn
năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng
tại chỗ ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho
lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).Vì vậy, việc nghiên
cứu, xây dựng bộ điều khiển thông minh để khai thác năng lượng mặt trời, cung cấp
điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới điện quốc gia
đang là một vấn đề cấp thiết.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng lượng
một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu.
Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện
cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dư thừa được bán trở lại lưới
điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện.
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lưới

điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và
sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu
dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng
nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công
tác.
4. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nhằm sử dụng và hòa năng lượng mặt trời lên
lưới điện 1 pha.
5. Phương pháp nghiên cứu


3
5.1 Lý thuyết:
- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay.
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển hệ thống
điện mặt trời nối lưới.
5.2 Mô phỏng:
Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống có sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn
năng lượng tái tạo trên phần mềm MATLAB – SIMULINK.
6. Tên đề tài
Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện một
pha.
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển
Chương 4: Mô phỏng hệ thống trong matlab/ simulink
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai
8. Kết luận

Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay luận văn đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ
lòng biết ơn sâu sắc của mình đối với sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS.
NGUYỄN THANH PHƯƠNG. Xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trường Đại
học Công Nghệ TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện giúp đỡ trong suốt quá trình tham
gia khóa học. Xin chân thành cảm ơn Khoa sau đại học, bạn bè đồng nghiệp và người
thân đã tạo điều kiện giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn này.
Do hạn chế về thời gian, trình độ nên luận văn không thể tránh khỏi sai sót. Tác giả rất
mong nhận được những chỉ dẫn, góp ý của các thầy giáo, cô giáo cũng như các đồng
nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn và chân thành cảm ơn!


4
CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG
1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới
Các hệ thống PV nối lưới được phân loại dựa trên mức công suất. Công nghệ trước
đây sử dụng cấu hình biến tần đơn tập trung . Hiện tại và tương lai công nghệ này tập
trung chủ yếu vào bộ chuyển đổi 2 cấp là bộ chuyển đổi DC/DC được kết nối giữa các
module PV và Biến tần DC/AC.
1.1.1 Biến tần đơn tập trung
Thế hệ đầu tiên của hệ thống PV kết nối lưới là kết nối trực tiếp dùng DC/AC
Inverter với một loạt các mô đun PV, thể hiện trong hình 1.1 (a). Các mô đun PV được
kết nối theo chuỗi, còn được gọi là chuỗi PV, để cung cấp điện áp đầu ra đủ. Các chuỗi
PV sau đó được kết nối song song qua chuỗi điốt để đạt được sản xuất điện năng cao.
Trong cấu hình này, biến tần DC/AC dùng để điều khiển, theo dõi điểm công suất cực
đại (MPPT), điều khiển dòng điện và khuếch đại điện áp nếu cần thiết. Mặc dù cấu
hình là đơn giản, nhưng còn nhiều hạn chế. Một trong những hạn chế lớn nhất là thu
được năng lượng thấp khả năng tập trung của MPPT là nhỏ, không phù hợp bảng điều

khiển và xuống cấp. Các nhược điểm khác có thể bao gồm mất mát trong chuỗi điốt và
không linh hoạt của thiết kế.
Các phiên bản sau này đã được phát triển để tách MPPT cho mỗi chuỗi PV,
Hình 1.1(b). Các hệ thống được gọi là chuỗi biến tần. Nó cung cấp năng lượng thu
hoạch cao hơn so với trung chuyển và loại bỏ sự mất mát liên quan đến chuỗi điốt.
Mặc dù cấu hình này là thuận lợi trong hai cách nói trên, nhưng mọi người vẫn cố
gắng tìm kiếm một thiết kế linh hoạt hơn cho phép họ tạo ra nhà máy điện PV với ít
mô-đun và dễ dàng mở rộng hệ thống trong tương lai. Vì lý do này, các bộ chuyển đổi
DC/DC có thể được kết nối ở giữa các mô đun PV và các bộ chuyển đổi DC/AC để
cung cấp MPPT và khuếch đại điện áp do đó trong mỗi chuỗi sử dụng ít mô-đun PV.
Có thể tiếp tục mở rộng hệ thống một cách dễ dàng với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi
DC/DC.


5

(a) Cấu hình biến tần tập trung

(b) Cấu hình biến tần tập trung thu gọn

Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung
1.1.2 Biến tần hai cấp
Để nâng cao khả năng thu năng lượng và tính linh hoạt thiết kế, riêng bộ chuyển
đổi DC/DC, được kết nối giữa các mô đun PV và Biến tần DC/AC để thực hiện MPPT
cho mỗi chuỗi PV thể hiện ở Hình 1.2. Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (a) có PCC ở
đầu cuối AC. Lợi ích loại hệ thống này từ mô đun của nó và khả năng cài đặt nút và hệ
thống bởi người dùng sở hữu nhiều kiến thức về hệ thống điện. Đầu ra từ bộ chuyển
đổi DC/DC có thể là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, hoặc một dòng điều biến
theo sau một sóng sin điều chỉnh. Trong trường hợp thứ hai, bộ chuyển đổi DC/DC xử
lý MPPT và dòng điện đầu ra trong khi bộ biến đổi DC/AC chuyển sang tần số lưới để

mở ra sóng sin điều chỉnh. Tham khảo [2] là một ví dụ của cấu hình mở ra. Sơ đồ đóng
cắt trễ của biến tần DC/AC cho phép sử dụng các thiết bị đóng cắt chậm, BJT. Trong
trường hợp đầu ra là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, chuyển đổi DC/DC điều
khiển MPPT và khuếch đại điện thế nếu cần. Biến tần DC/AC là một bộ biến dòng
nguồn điện áp (VSI) điều khiển thay đổi dòng điện đầu ra và ổn áp. VSI, mạch đóng
cắt của nó thường sử dụng cấu hình cầu hoặc bán cầu


6

(a) Biến tần hai cấp PCC tại thiết bị đầu cuối AC (b) biến tần hai cấp PCC tại đầu
vào biến tần DC / AC
Hình 1.2: Cấu hình biến tần hai cấp
Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (b), nhiều bộ chuyển đổi DC/DC cấp nguồn cho
một VSI đơn. Bộ chuyển đổi DC/DC điều khiển MPPT và khuếch đại điện thế nếu cần
thiết và trung tâm biến tần DC/AC lại là một VSI điều khiển dòng điện đầu ra và điều
chỉnh điện áp DC trung gian. Trong luận văn này, tôi tập trung vào thiết kế VSI của
biến tần DC/AC thường được sử dụng trong các hệ thống biến tần PV hai cấp thể hiện
trong hình 1.2 (a) và 1.2 (b) ở trên.
1.2 Các điều kiện hòa đồng bộ
- Điều kiện về tần số : Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn
điện phải bằng tần số lưới.
- Điều kiện về điện áp : Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn
phải bằng điệ n áp lưới.
- Điều kiện về pha : Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lớn hơn 1, và góc
pha phải trùng nhau.
Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn cho
góc pha của 2 phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số, mà đã điều chỉnh tần số thì
tần số không thể bằng nhau. Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần số bằng nhau thì khó
có thể điều chỉnh được góc pha. Do đó, điều kiện thực tế là :

7
1.2.1 Điều kiện về tần số
Tần số của 2 nguồn xấp xỉ bằng nhau. Sai lệch nằm trong khoảng ∆f cho phép. ∆f
này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơle hòa điện tự động,
hoặc rơle chống hòa sai.
Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho ∆f có trị số > 0 mộ t chú t, nghĩa là tần
số nguồn điện cao hơn tầ n số lưới một chút . Như vậy khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ
bị tần số lưới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lưới ngay thời
điểm đó ng máy cắt.
1.2.2 Điều kiện về điện áp
Người ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so với điện áp lưới và người ta
cũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc hơn điện áp lưới một chút để
khi đóng điện thì công suất vô công của nguồn điện nhỉnh hơn 0 một chút. Đối với
điện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lưới chính xác mà
không có vấn đề gì.
1.2.3 Điều kiện về pha
Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác . Thứ tự pha thường chỉ kiểm
tra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa bảo trì mà phải tháo rời các điểm
nối. Vì phải điều chỉnh tần số nên 2 tầ n số không bằ ng nhau. Do đó , góc pha sẽ thay
đổi liên tục theo tần số phách bằ ng hiệu củ a 2 tần số . Các rơle phải dự đoán chính
xác thời điểm góc pha bằng 0, biết trước thời gian đóng của máy cắt và phải cho ra tín
hiệu đóng máy cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó. Thường khoảng
dưới 100 ms đến vài trăm ms. Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thể
kiểm tra bằng các dụng cụ đo trực tiếp như vôn kế, tần số kế nhưng các điều kiện về
pha: thứ tự pha và đồng vị pha (góc lệch pha) cần phải kiể m tra nghiêm ngặt hơn.
1.2.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới
Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được
xác định ngay khi thiết kế. Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đường

dây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến
áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa 2