Nghiên cứu giải thuật model predictive control cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc t tyle npc kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời (photovoltaic)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

NGUYỄN MINH NHẬT

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT
MODEL PREDICTIVE CONTROL
CHO NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC T-TYPE NPC
KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI (PHOTOVOLTAIC)

Chuyên ngành : KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số
: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP.HỒ CHÍ MINH, THÁNG 06 NĂM 2015


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG

Cán bộ chấm nhận xét 1 : ...........................................................................

Cán bộ chấm nhận xét 2 : ...........................................................................

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày . . . . . tháng . . . . năm 2015

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)
1. ..............................................................
2. ..............................................................
3. ..............................................................
4. ..............................................................
5. ..............................................................
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên
ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: NGUYỄN MINH NHẬT

MSHV: 7140421

Ngày, tháng, năm sinh: 07/ 04/1985

Nơi sinh: Quảng Nam

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

Mã số : 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:
NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT MODEL PREDICTIVE CONTROL CHO
NGHỊCH LƯU 3 PHA 3 BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI (PHOTOVOLTAIC)
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu điều khiển kết nối lưới sử dụng giải thuật CB-PWM, giải thuật Phase-shift
CB-PWM cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-Type NPC kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt
trời (hệ thống PV - Photovoltaic system).
Nghiên cứu và áp dụng lý thuyết điều khiển hiện đại (Advanced control theory) sử
dụng giải thuật Model Predictive Control – MPC (Mô hình điều khiển dự báo) cho nghịch
lưu 3 pha 3 bậc T-Type NPC kết nối lưới hệ thống PV thông qua điều khiển bám dòng điện
(current tracking control), so sánh với điều khiển cổ điển sử dụng giải thuật PWM.
Nghiên cứu, đề xuất giải thuật Model Predictive Control (MPC) cho nghịch lưu 3 pha 3
bậc T-Type NPC kết nối lưới hệ thống PV giải quyết các vấn đề chất lượng điện năng và
nâng cao hiệu suất của hệ thống kết nối lưới PV: điều khiển bám dòng điện, cân bằng điện
áp tụ điện DC-link, giảm điện áp CMV, giảm tần số đóng cắt của giải thuật MPC.
Đề xuất giải thuật FCS-MPC cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-Type NPC kết nối lưới hệ
thống PV với điều khiển giảm điện áp CMV và tần số đóng cắt để giảm dịng điện rị, và
qua đó so sánh với giải thuật MPC truyền thống và giải thuật Phase-Shift CB-PWM với
điều khiển giảm điện áp CMV.
Đề xuất giải thuật FCS-MPC (Finite control set – Model predictive control) cho nghịch
lưu 3 pha 3 bậc T-Type NPC kết nối lưới hệ thống PV với nhiều đối tượng điều khiển: điều
khiển cân bằng điện áp tụ, giảm điện áp CMV, giảm tần số đóng cắt của giải thuật MPC.
Mô phỏng hệ thống với phần mềm Matlab/Simulink.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : Ngày 19/01/2015
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 14/06/2015
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN : PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG

Tp. HCM, ngày . . . . tháng 06 năm 2015
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS.TS Phan Quốc Dũng

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN
ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA


LỜI CẢM ƠN
Những lời cảm ơn đầu tiên và chân thành nhất tôi xin dành cho
PGS.TS Phan Quốc Dũng, người thầy đã ln tận tình hướng dẫn, đưa ra những
ý tưởng, định hướng, cung cấp các tài liệu thiết thực và cập nhật nhất. Giờ khi
đã hoàn tất Luận văn cũng như cả q trình học chính nhờ sự quan tâm, giúp đỡ
và động viên của thầy từ những ngày đầu là nguồn động lực giúp tơi hồn thiện
chương trình học và quan trọng hơn là hoàn thiện bản thân mình.
Xin cảm ơn những bạn bè, anh em đồng nghiệp đã ln bên cạnh động
viên, giúp đỡ để tơi hồn thành Luận văn.
Bên cạnh đó, tơi cũng cảm ơn đến các thầy cơ, các bạn học viên cao học
Khóa 2013 và Khóa 2014, đã nhiệt tình trao đổi, truyền đạt kiến thức và kinh
nghiệm để tơi hồn thành luận văn tốt hơn.
Cuối cùng, tôi xin cảm ơn đến mẹ, luôn là chỗ dựa tinh thần và là động lực
để tôi ln mạnh mẽ và bước tiếp trên con đường mình đã chọn.
TP.Hồ Chí Minh, ngày 31 tháng 05 năm 2015

Nguyễn Minh Nhật

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Do cạn kiện tài nguyên và các vấn đề về mơi trường gây ra bởi khí thải, các
nguồn năng lượng truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch được xem như là không
bền vững trong dài hạn. Chính vì vậy, nhiều nỗ lực đang được thực hiện trên thế giới
và nhiều quốc gia để đưa nhiều nguồn năng lượng tái tạo. Trong đó nguồn năng lượng
mặt trời đóng vai trị chủ đạo. Các vấn đề kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời
đáp ứng các yêu cầu về chất lượng điện năng và hiệu suất được quan tâm nghiên cứu.
Về phần cứng thì các nghịch lưu đa bậc, trong đó có nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
được sử dụng thay thế cho các nghịch lưu hai bậc truyền thống. Bên đó thì các giải
thuật điều khiển với nghịch lưu đa bậc cũng được quan tâm để cải thiện về hiệu suất và
chất lượng điện năng.
Các điều khiển cổ điển với giải thuật Hysteresis Current Control, điều chế độ
rộng xung (PWM) có những hạn chế như phức tạp trong thực hiện, cũng như đáp ứng
chậm với các thay đổi của hệ thống do sử dụng các bộ điều khiển PI, cũng như chỉ
thích hợp điều khiển trong các hệ tuyến tính với 1 ngõ vào và 1 ngõ ra (SISO – single
input single output) [16], [41], [47], [48], [52].
Thời gian gần đây với lý thuyết điều khiển hiện đại (advanced control theory)
trong đó có giải thuật Model Predictive Control – MPC (Mơ hình điều khiển dự báo)
đã và đang tập trung phát triển nghiên cứu ở lĩnh vực điện tử công suất trong vài thập
kỷ gần đây[48]. Việc mơ hình hóa các hệ thống điện phức tạp đã có những cải thiện
mạnh mẽ, cùng với đó là sự phát triển về tốc độ tính tốn của các bộ vi xử lí
(microporecessor) cho phép thực hiện các tính tốn của mơ hình MPC với tốc độ cao
là tiền đề cho ứng dụng giải thuật MPC vào các ứng dụng thực tiễn của ngành điện.
Giải thuật MPC rất hiệu quả với các ứng dụng sử dụng bộ biến đổi công suất do
giải thuật MPC đơn giản, dễ thực hiện, phù hợp với các hệ phi tuyến nhiều ngõ vào và
ngõ ra (MIMO) với nhiều ràng buộc, đáp ứng nhanh với các thay đổi hệ thống (fast
responds), bền vững, hiệu suất cao và khắc phục các nhược điểm của điều khiển cổ
điển với giải thuật PWM [16], [38], [46], [48].
Luận văn sẽ tập trung vào nghiên cứu giải thuật MPC cho nghịch lưu 3 pha 3 bậc

T-Type NPC kết nối lưới hệ thống PV với cải thiện hiệu suất và chất lượng điện năng:
cân bằng tụ, giảm tổn hao đóng cắt, điều khiển bám dòng điện (current tracking
control), giảm điện áp CMV, giảm dòng rò…
Nội dung cụ thể như sau:
+ Chương 1 và chương 2: Tổng quan về hệ thống năng lượng mặt trời, mơ hình
hóa hệ thống kết nối lưới PV và thực hiện điều khiển kết nối lưới hệ thống PV theo
điều khiển định hướng điện áp VOC (Voltage Oriented Voltage oriented control).
+ Chương 3 và Chương 4: Nghiên cứu và thực hiện giải thuật CB-PWM và
Phase-shift CB-PWM cho nghịch lưu T-Type NPC kết nối lưới hệ thống PV để làm
cơ sở so sánh với giải thuật MPC.
+ Chương 5: Ý tưởng cơ bản về giải thuật MPC.
+ Chương 6: Nghiên cứu và thực hiện giải thuật MPC cho nghịch lưu T-Type
NPC kết nối lưới hệ thống PV thơng qua điều khiển bám dịng. Chương này sẽ thực
hiện đồng thời và so sánh giải thuật MPC và giải thuật MPC có bù trễ để so sánh hiệu
quả về chất lượng điện năng cũng nâng cao hiệu suất của hệ thống, cũng như sự phụ
thuộc của giải thuật MPC vào tần số lấy mẫu. Phần còn lại sẽ tiến hành so sánh giữa


giải thuật MPC và giải thuật PWM truyền thống cho nghịch lưu T-Type NPC kết nối
lưới.
+ Chương 7: Tập trung nghiên cứu thực hiện giải thuật MPC có bù trễ cho
nghịch lưu T-Type NPC hệ thống kết nối lưới với các vấn đề chất lượng điện năng và
hiệu suất: điều khiển bám dòng điện, cân bằng điện áp tụ, giảm điện áp CMV, giảm
tần số đóng cắt.
+ Chương 8: Đề suất giải thuật FCS-MPC có bù trễ (Finite Control Set Model
Predictive Control) cho giảm dòng điện rò qua việc giảm điện áp CMV và giảm tần số
đóng cắt của hệ thống PV kết nối lưới sử dụng nghịch lưu T-Type NPC. Phần cịn lại
đề xuất giải thuật FS-MPC có bù trễ cho bài tốn nhiều đối tượng: điều khiển bám
dịng, cân bằng tụ, giảm CMV, giảm tần số đóng cắt để nâng cao hiệu suất, chất lượng
điện năng và các yêu cầu kết nối lưới hệ thống PV.

ABSTRACT
Due to exhaustion of resources and environmental problems caused by
emissions, traditional energy sources such as fossil fuel is seen as unsustainable in the
long term. Therefore, many efforts are being made around the world and many
countries to bring more renewable energy sources. Photovoltaic (PV) energy source
plays a key role. The Photovoltaic grid-connected system to meet the requirements of
power quality and efficient has gained attention in the researches. On the hardware
side, the multi-level inverter, including three-level T-Type NPC is used for replacing
traditional two-level inverter. Inside it, the control algorithm for multi-level inverter
are also interested to improve efficient and power quality.
The classic controllers such as: Hysteresis Current Control, Pulse Width
Modulation (PWM) have disadvantages as complexity in implementation, slow
response to the dynamics of the system by using the PI controller, as well as
appropriate control only in the linear system with 1 input and 1 output (SISO - single
input single output) [16], [41], [47], [48], [52].
Advanced control theory, including Model Predictive Control algorithm (MPC),
has been focused on developing research in the field of power electronics in recent
decades [48]. The modeling of complex power systems has strongly improved, along
with the availability of modern fast microprocessors can perform the large amount of
calculations needed in MPC at a high speed, which are interesting for the MPC
algorithm application in practical applications of electricity.
MPC algorithm is very efficient for applications using power converters due
MPC algorithm is simple, easy to implement, in accordance with nonlinear systems
with multiple input, multiple output (MIMO) and many constraints; fast response the
dynamics of the system, sustainability; high performance and overcome the
disadvantages of the classic controller with PWM algorithm [16], [38], [46], [48].
The thesis will focus on the research of MPC algorithm for three-phase threelevel T-Type NPC inverter of Photovoltaic grid-connected system with high efficient
and improvement of power qualities, such as: balancing DC-link capacitor voltage,

reducing switching losses, current tracking control to reduce total harmonic distortion
(THD), reducing common mode voltage (CMV) and leakeage current…
The contents are as follows:
+ Chapter 1 and Chapter 2: Overview of PV system, modeling PV grid connected
systems and controlling the PV grid-connected systems with Voltage oriented control
method.
+ Chapter 3 and Chapter 4: Researching and implementing CB-PWM and Phaseshift CB-PWM algorithms for algorithm for three-phase three-level T-Type NPC
inverter of Photovoltaic grid-connected system as a basic for comparision with MPC
algorithm.
+ Chapter 5: Overview of MPC algorithm.
+ Chapter 6: Researching and implementing MPC algorithm for Photovoltaic
grid-connected system with current tracking control. This chapter will implement
traditional MPC algorithm and MPC with delay compensation algorithm to compare
the efficiency, power quality, as well as dependence on sampling frequency of MPC
algorithm. The rest will compare between the MPC algorithm and traditional PWM
algorithm for T-Type NPC inverter of Photovoltaic grid-connected system.


+ Chapter 7: Focus on research for MPC with delay compensation for T-Type
NPC inverter of Photovoltaic grid-connected system with power quality issues,
efficiency: current tracking control, dc-link capacitor voltage balancing, reducing
CMV voltage, leakage current, switching frequency.
+ Chapter 8: Proposal FCS-MPC (Finite Control Set Model Predictive Control)
with delay compensation to reduce leakage by reducing CMV voltage and switching
frequency for T-Type NPC inverter of Photovoltaic grid-connected system. Proposal
FCS- with delay compensation for goals: current tracking control, dc-link capacitor
voltage balancing, reducing CMV voltage, reducing switching frequency to improve
efficiency, power quality, and requirements for T-Type NPC inverter of Photovoltaic
grid-connected system.

LỜI CAM ĐOAN

Học viên Nguyễn Minh Nhật xin cam đoan luận văn được thực hiên bởi chính
học viên. Các kết quả thực hiện trong Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ là trung thực và
không sao chép từ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức này. Các trích dẫn và tài
liệu tham khảo Học viên đã ghi nguồn và tác giả theo đúng yêu cầu.
Học Viên

Nguyễn Minh Nhật


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

NỘI DUNG
Mục lục
Danh mục hình ảnh

Trang
i
iv

Danh mục bảng biểu

ix

CHƯƠNG 1

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo
1.2 Hệ thống năng lượng mặt trời
1.2.1 Mô-đun quang điện (Photovoltaic modules) và đường cong I-V
và P-V
1.2.2 Cấu hình kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời PV
1.2.3 Các mơ hình kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời PV
1.3 Kết luận và hướng tiếp cận của luận văn

1
1
2
3
6
7
12

CHƯƠNG 2
ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG PV
2.1 Hệ thống kết nối lưới PV
2.1.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển nối lưới PV
2.1.2 Mô hình hệ thống kết nối lưới hệ thống PV sử dụng bộ lọc
L-filter
2.2 Điều khiển định hướng điện áp VOC kết nối lưới hệ thống PV
2.2.1 Điều khiển định hướng VOC
2.2.2 Điều khiển điện áp tụ DC-link
2.2.3 Sơ đồ khối điều khiển hệ thống kết nối lưới PV
2.3 Kết luận

14

14
14
15

CHƯƠNG 3

22

3.1

3.2
3.3
3.4

3.5

MƠ HÌNH NGHỊCH LƯU BA BẬC T-TYPE NPC SỬ
DỤNG TRONG HỆ THỐNG KẾT NỐI LƯỚI PV

Tổng quan về bộ nghịch lưu sử dụng trong hệ thống kết nối lưới
PV
3.1.1 So sánh giữa nghịch lưu 2 bậc và nghịch lưu 3 bậc trong ứng
dụng hạ thế
3.1.2 So sánh về trúc giữa nghịch lưu 3 bậc NPC và nghịch lưu 3 bậc
T-Type NPC
Nghịch lưu 3 pha -3 bậc T-Type NPC (three-phase three-level TType NPC)
Giải thuật điều chế PWM sử dụng cho bộ nghịch lưu T-Type NPC
Các vấn đề về chất lượng điện năng của nghịch lưu T-Type NPC
của hệ thống kết nối lưới PV
3.4.1 Dao động điện áp tâm nguồn (Neutral point voltage oscillation)

3.4.2 Điện áp Common mode voltage (CMV)
Kết luận

18
18
19
20
21

22
22
23
24
27
29
29
31
33

i


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

CHƯƠNG 4

4.1
4.2
4.3

4.4
4.5

5.4

6.2
6.3

6.4
6.5

GIẢI THUẬT MODEL PREDICTIVE CONTROL CHO
CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT

Giới thiệu
Nguyên lý cơ bản của mơ hình điều khiển dự báo MPC
Mơ hình điều khiển dự báo MPC cho điện tử công suất
5.3.1 Thiết kế mơ hình điều khiển
5.3.2 Thực hiện giải thuật MPC
5.3.3 Mơ hình điều khiển MPC
Kết luận

CHƯƠNG 6

6.1

ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG PV SỬ DỤNG
GIẢI THUẬT CARRIER-BASED PULSE WIDTH
MODULATION (CB-PWM)

Mơ hình điều khiển kết nối lưới PV
Mơ hình MATLAB/SIMULINK của hệ thống PV kết nối lưới
Giải thuật điều khiển CB-PWM
4.3.1 Giải thuật CB-PWM truyền thống (Convention CB-PWM)
4.3.2 Giải thuật Phase-shift CB-PWM
Sử dụng giải thuật CB-PWM và Phase-shift CB-PWM điều khiển
kết nối lưới hệ thống PV
Kết luận

CHƯƠNG 5
5.1
5.2
5.3

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

GIẢI THUẬT MODEL PREDICTIVE CONTROL CHO
NGHỊCH LƯU BA BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI
HỆ THỐNG PV

Điều khiển dự báo dòng điện cho hệ thống PV kết nối lưới
6.1.1 Mơ hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-Type NPC
6.1.2 Mơ hình hệ thống PV kết nối lưới
6.1.3 Mơ hình rời rạc để thực hiện dự báo
6.1.4 Định nghĩa hàm chi phí (Cost function)
6.1.5 Thực hiện giải thuật MPC điều khiển hệ thống kết nối lưới PV
6.1.6 Tần số đóng cắt giải thuật MPC
Mơ hình điều khiển MPC có bù trễ (Delay compensation)
Mơ phỏng Matlab/Simulink giải thuật MPC

6.3.1 Mơ phỏng giải thuật MPC và MPC có bù trễ
6.3.2 Đáp ứng động của giải thuật MPC và MPC có bù trễ
So sánh giải thuật MPC và giải thuật điều khiển PWM cổ điển
Kết luận

CHƯƠNG 7

GIẢI THUẬT MODEL PREDICTIVE CONTROL CHO
NGHỊCH LƯU 3 BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI HỆ
THỐNG PV VỚI CÁC YÊU CẦU VỀ CHẤT LƯỢNG
ĐIỆN NĂNG

35

35
36
38
38
39
42
45
46
46
47
49
49
51
51
52
53

53
54
56
57
57
58
60
60
64
64
71
73
76
77

ii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

7.1
7.2

7.3

7.4

Mơ hình hóa hệ thống kết nối lưới PV có xét đến vấn đề cân bằng
tụ sử dụng giải thuật MPC có bù trễ

Cân bằng điện áp tụ trong hệ thống kết nối lưới PV sử dụng nghịch
lưu T-Type NPC
7.2.1 Lưu đồ thục hiện giải thuật MPC có bù trễ điều khiển cân bằng
điện áp tụ DC-link
7.2.2 Kết quả mô phỏng giải thuật MPC điều khiển cân bằng tụ điện
DC-link
Giảm tần số đóng cắt
7.3.1 Mơ phỏng giải thuật MPC có bù trễ cho giảm tần số đóng cắt
7.3.2 Kết quả mơ phỏng
Giảm điện áp CMV (common mode voltage)
7.4.1 Mô phỏng Matlab/Simulink
7.4.2 Kết quả mô phỏng
7.4.3 Kết luận

8.4

78
81
82
83
89
90
91
96
97
97
101

GIẢI THUẬT FCS-MPC CHO NHIỀU ĐỐI TƯỢNG VỚI
NGHỊCH LƯU BA BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI

HỆ THỐNG PV

102

Mơ hình nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC kết nối lưới hệ thống PV
Giải thuật MPC cho điều khiển kết nối lưới PV
Giải thuật MPC điều khiển nghịch lưu 3 bậc NPC kết nối lưới hệ
thống PV với giảm điện áp CMV và tần số đóng cắt
8.3.1 Giải thuật MPC đề xuất
8.3.2 Mơ phỏng giải thuật MPC cho điều khiển bám dịng, giảm điện
áp CMV và giảm tần số đóng cắt
8.3.3 Kết luận
Giải thuật MPC cho bài toán cân bằng tụ, giảm điện áp CMV và
giảm tổn hao đóng cắt
8.4.1 Cân bằng điện áp tụ
8.4.2 Giải thuật MPC đề xuất cho bài tốn nhiều đối tượng
8.4.3 Mơ phỏng giải thuật MPC cho điều khiển bám dòng, cân bằng
điện áp tụ, giảm điện áp CMV và giảm tần số đóng cắt
8.4.4 Kết luận

103
106
108

CHƯƠNG 8

8.1
8.2
8.3

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

CHƯƠNG 9

KẾT LUẬN

TÀI LIỆU THAM KHẢO

108
110
115
116
117
119
120
125

127
130

iii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Trang
CHƯƠNG 1
Hình 1.1
Hình 1.2
Hình 1.3
Hình 1.4
Hình 1.5
Hình 1.6
Hình 1.7
Hình 1.8
Hình 1.9
Hình 1.10
Hình 1.11
Hình 1.12

Hình 1.13
Hình 1.14
Hình 1.15
CHƯƠNG 2
Hình 2.1
Hình 2.2
Hình 2.3
Hình 2.4
Hình 2.5
Hình 2.6
CHƯƠNG 3
Hình 3.1
Hình 3.2
Hình 3.3
Hình 3.4

Hình 3.5
Hình 3.6
Hình 3.7

HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Tỷ trọng của các nguồn năng lượng trên thế giới
Tỷ trọng của các nguồn năng lượng tái tạo
Tốc độ phát triển công suất lắp đặt của các nguồn năng lượng tái tạo
Sơ đồ hoạt động của một tế bào quang điện
Mơ hình điện của tế bào quang điện
Mơ-đun quang điện và hệ thống PV
Tấm pin mặt trời gồm 36 tế bào quang điện mắc nối tiếp nhau
Đặc tính của mô-đun quang điện PV: (a) đường cong I-V, (b) đường
cong P-V
Hệ thống nối lưới năng lượng mặt trời PV
Mô hình kết nối lưới hệ thống PV
Mơ hình nghịch lưu trung tâm sử dụng bộ nghịch lưu: a) Nghịch lưu 2
bậc, b) Nghịch lưu 3 bậc NPC, c) Nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
Điện dung kí sinh (Parasitic capacitance) và hướng đi của dòng điện rò
(leakage current): a) Điện dung kí sinh của tấm PV, b) Hướng đi của
dịng điện rị
Bố trí máy biến áp cách ly tùy thuộc vào hệ thống PV có hoặc khơng
bộ chuyển đổi DC-DC
Mơ hình nghịch lưu đa chuỗi với bộ chuyển đổi DC-DC (boost
converter): a) Nghịch lưu 3 pha 2 bậc, b) Nghịch lưu 3 pha 3 bậc NPC
Mơ hình nghịch lưu đơn lẻ (Module inverter) sử dụng bộ chuyển đổi
bộ chuyển đổi Fly back DC–DC và nghịch lưu cầu H-bridge
ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG PV
Điều khiển VOC cho hệ thống kết nối lưới PV
Điều khiển kết lưới hệ thống PV sử dụng bộ lọc L-filter

Hệ tọa độ tĩnh αβ và hệ tọa độ quay dq
Khâu PLL xác định góc theta θ
Bộ nghịch lưu áp lưới có xét đến sự thay đổi công suất của hệ thống
PV
Phương pháp điều khiển kết nối lưới hệ thống PV theo phương pháp
điều khiển định hướng Vector điện áp VOC
MƠ HÌNH NGHỊCH LƯU BA BẬC T-TYPE NPC
SỬ DỤNGTRONG HỆ THỐNG KẾT NỐI LƯỚI PV
So sánh hiệu suất của các bộ nghịch lưu 2 bậc và 3 bậc NPC theo tần
số đóng cắt
Mơ hình bộ nghịch lưu: a) Nghịch lưu 2 bậc; b) Nghịch lưu 3 bậc
NPC; c) Nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
Mơ hình bộ nghịch lưu 3 pha 3 bậc T-Type NPC kết nối lưới PV
Vector điện áp và các trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu 3 bậc TType NPC
Giải thuật SV-PWM với 03 vector điện áp NTVs để tổng hợp vector
điện áp V*
Giải thuật điều chế CB-PWM cho nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
(pha A)
Tác động của các vector điện áp đến điện áp tâm nguồn

1
2
2
3
4
5
5
6
7
7

9
10

10
11
12

15
16
17
19
20
21

22
23
24
27
28
29
30
iv


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

Hình 3.8
Hình 3.9
Hình 3.10
CHƯƠNG 4

Hình 4.1
Hình 4.2
Hình 4.3
Hình 4.4
Hình 4.5
Hình 4.6
Hình 4.7
Hình 4.8
Hình 4.9
Hình 4.10
Hình 4.11
Hình 4.12
Hình 4.13

Hình 4.14

CHƯƠNG 5
Hình 5.1
Hình 5.2

Hình 5.3
Hình 5.4
Hình 5.5
Hình 5.6
CHƯƠNG 6
Hình 6.1

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

Phân vùng tính tốn thời gian đóng cắt của các vector thuộc Sector I
Hệ thống kết nối lưới PV sử dụng nghịch lưu T-Type NPC và không
sử dụng máy biến áp cách ly
Mơ hình nghịch lưu T-Type NPC kết nối lưới PV
ĐIỀU KHIỂN KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG PV SỬ DỤNG GIẢI
THUẬT CARRIER-BASED PULSE WIDTH MODULATION
Hệ thống kết nối lưới PV sử dụng nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
Mơ hình điều khiển kết nối lưới sử dụng nghịch lưu 3 bậc T-Type
NPC sử dụng phương pháp điều khiển định hướng vector điện áp VOC
Hệ thống điều khiển kết nối lưới PV sử dụng nghịch lưu T-Type NPC
Khối điều khiển dòng điện
Nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
Bộ lọc L-filter
Đồng bộ pha - PLL
Giải thuật CB-PWM truyền thống với 03 sóng điều khiển, 02 sóng
mang tam giác và chuỗi trạng thái đóng cắt trong 01 chu kỳ sóng mang
Giải thuật Phase-shift CB-PWM: (a) Sóng mang tam giác với biên độ
[0 1]; b) Sóng mang tam giác với biên độ [-1 0]
Giải thuật Phase-shift CB-PWM với 03 sóng điều khiển, 06 sóng mang
tam giác và chuỗi trạng thái đóng cắt trong 01 chu kỳ sóng mang
Đáp ứng thay đổi cơng suất của điều khiển hệ thống kết nối lưới PV:
(a) Giải thuật CB-PWM; (b) Giải thuật Phase-shift CB-PWM
Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dòng điện kết nối lưới PV:
(a) Giải thuật CB-PWM; (b) Giải thuật Phase-shift CB-PWM
Dạng sóng điện áp CMV (Common mode voltage) của nghịch lưu TType NPC: (a) Giải thuật CB-PWM; (b) Giải thuật Phase-shift CBPWM
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC VAB,VAN và
điện áp lưới Vabc: (a) Giải thuật CB-PWM; (b) Giải thuật Phase-shift
CB-PWM

30

31
31

35
36
36
37
37
38
38
39
41
41
42
43
43

44

MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO MPC CỦA CÁC
BỘ BIẾN ĐỔI CƠNG SUẤT
Các nghiên cứu được cơng bố trên tạp chí IEEE về giải thuật MPC áp
dụng cho các bộ biến đổi công suất (từ năm 2007 đến năm 2012)
Phân tích xu hướng phát triển về nghiên cứu MPC cho lĩnh vực điện tử
công suất được công bố trên tạp chí IEEE (từ năm 2007 đến năm
2012)
Nguyên lý thực hiện giải thuật MPC
Vector điện áp tương ứng với các trạng thái đóng cắt của bộ nghịch
lưu 3 pha 2 bậc
Vector điện áp tương ứng với các trạng thái đóng cắt của bộ nghịch

lưu 3 pha 3 bậc NPC
Mơ hình tổng quan giải thuật điều khiển MPC cho bộ biến đổi cơng
suất

47
47

49
50
50
51

MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO MPC CHO NGHỊCH LƯU
BA BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG PV
Giải thuật MPC điều khiển kết nối lưới hệ thống PV với nghịch lưu TType NPC

54

v


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

Hình 6.2
Hình 6.3
Hình 6.4
Hình 6.5
Hình 6.6
Hình 6.7
Hình 6.8

Hình 6.9

Hình 6.10
Hình 6.11
Hình 6.12

Hình 6.13
Hình 6.14
Hình 6.15
Hình 6.16

Hình 6.17
Hình 6.18
Hình 6.19
Hình 6.20
Hình 6.21
Hình 6.22
Hình 6.23

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

Vector điện áp và các trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu 3 bậc TType NPC
Hệ thống kết nối lưới PV sử dụng nghịch lưu T-Type NPC
Lưu đồ thực hiện giải thuật MPC (Predictive current control) cho hệ
thống kết nối lưới PV
Các bước xử lý giải thuật MPC có bù trễ khi thực hiện phần cứng (sử
dụng DSP)
Lưu đồ thực hiện giải thuật MPC có bù trễ (Predictive current control
with delay compensation) cho hệ thống kết nối lưới PV

Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dòng điện kết nối lưới trong
hệ trục tọa độ abc: (a) MPC; (b)MPC có bù trễ
Dạng sóng của dòng điện idq thuộc hệ trục tọa độ dq: (a) MPC;
(b)MPC có bù trễ
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC VAB (điện áp
giữa pha A và pha B) và VAN (điện áp pha A); điện áp lưới 3 pha: (a)
MPC; (b)MPC có bù trễ
Dạng sóng của dòng điện kết nối lưới trong hệ trục tọa độ abc: (a)
MPC; (b)MPC có bù trễ
Phân tích sóng hài THD của dịng điện kết nối lưới: (a) MPC; (b)MPC
có bù trễ
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC VAB (điện áp
giữa pha A và pha B) và VAN (điện áp pha A); điện áp lưới 3 pha: (a)
MPC; (b)MPC có bù trễ
Dạng sóng của dịng điện idq thuộc hệ trục tọa độ dq: (a) MPC;
(b)MPC có bù trễ
Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dòng điện kết nối lưới trong
hệ trục tọa độ abc: (a) MPC; (b)MPC có bù trễ
Dạng sóng của dịng điện idq thuộc hệ trục tọa độ dq : (a) MPC;
(b)MPC có bù trễ
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC VAB (điện áp
giữa pha A và pha B) và VAN (điện áp pha A); điện áp lưới 3 pha: (a)
MPC; (b)MPC có bù trễ
Dạng sóng dịng điện lưới trong hệ trục tọa độ abc: (a) MPC; (b)MPC
có bù trễ
Dạng sóng dịng điện idq trong hệ trục tọa độ quay dq: (a) MPC;
(b)MPC có bù trễ
Dạng sóng dịng điện lưới trong hệ trục tọa độ αβ: (a) MPC; (b)MPC
có bù trễ
Dạng sóng của dịng điện idq thuộc hệ trục tọa độ dq: (a) MPC; (b) CBPWM

Dạng sóng của dòng điện kết nối lưới PV trong hệ trục tọa độ abc: (a)
MPC; (b) CB-PWM
Dạng sóng của dịng điện kết nối lưới iαβ trong hệ tọa độ αβ: (a) MPC;
(b) CB-PWM

55

Độ méo dạng THD của dòng điện kết nối lưới của giải thuật MPC và
MPC có bù trễ (idref = 8A, iqref = 0A): a) Tần số đóng cắt fsw; b) Thời
gian lấy mẫu Ts

76

56
59
61
62
65
65
66

66
67
67

68
68
69
69

71
72
72
73
74
74

vi


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

CHƯƠNG 7

Hình 7.1
Hình 7.2
Hình 7.3
Hình 7.4
Hình 7.5
Hình 7.6
Hình 7.7
Hình 7.8
Hình 7.9
Hình 7.10
Hình 7.11
Hình 7.12
Hình 7.13
Hình 7.14
Hình 7.15
Hình 7.16

Hình 7.17
Hình 7.18
Hình 7.19

Hình 7.20

Hình 7.21
CHƯƠNG 8

Hình 8.1
Hình 8.2
Hình 8.3
Hình 8.4

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

MƠ HÌNH ĐIỀU KHIỂN DỰ BÁO MPC CHO NGHỊCH LƯU
BA BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI HỆ THỐNG PV
VỚI CÁC YÊU CẦU VỀ CHẤT LƯỢNG ĐIỆN NĂNG
Nghịch lưu T-Type NPC sử dụng kết nối lưới hệ thống PV và sơ đồ
khối điều khiển
Lưu đồ thực hiện giải thuật MPC có bù trễ cho điều khiển bám dòng
và cân bằng tụ điện
Điện áp tụ điện DC-Link với các trọng số cân bằng điện áp tụ khác
nhau: (a) λDC = 0,01; (b) λDC = 100
Độ chênh lệch điện áp tụ ΔVDC = VC1-VC2 : (a) λDC = 0,01;
(b) λDC = 100
Điện áp nghịch lưu VAB và điện áp pha A(VAN), và dòng điện pha
A(ia): (a) λDC = 0,01; (b) λDC = 100

Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dịng điện kết nối lưới:
(a) λDC = 0,01; (b) λDC = 100
Điện áp tụ điện DC-Link: tụ điện C1 và C2
Độ chênh lệch điện áp tụ ΔVDC = VC1-VC2
Dạng sóng của dịng điện kết nối lưới trong hệ trục tọa độ abc
Điện áp nghịch lưu pha A (VAN)
Điện áp nghịch lưu VAB (điện áp giữa pha A và pha B)
Dạng sóng của dòng điện kết nối lưới idq thuộc hệ trục tọa độ dq
Dạng sóng của dịng điện idq thuộc hệ trục tọa độ dq : (a) λsw = 0,1;
(b) λsw = 2
Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dịng điện kết nối lưới trong
hệ trục tọa độ abc: (a) λsw = 0,1; (b) λsw = 2
Điện áp nghịch lưu đầu ra VAB và VAN (điện áp pha A), và dòng điện
pha A(ia): (a) λsw = 0,1; (b) λsw = 2
Dạng sóng dịng điện kết nối lưới trong hệ trục tọa độ abc: (a) Dòng
điện ia, ib, ic; (b) Dòng điện pha A (ia)
Dạng sóng dịng điện kết nối lưới PV trong hệ trục tọa độ quay dq
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC: (a) VAB (điện
áp giữa pha A và pha B); (b) VAN (điện áp pha A)
Dạng sóng điện áp CMV (Common mode voltage) của nghịch lưu TType NPC: (a) CB-PWM truyền thống; (b) Phase-Shift CB-PWM;
(c) MPC
Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dòng điện kết nối lưới trong
hệ trục tọa độ abc: (a) CB-PWM truyền thống; (b) Phase-Shift CBPWM; (c) MPC
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC: (a) CB-PWM
truyền thống; (b) Phase-Shift CB-PWM; (c) MPC

78
83
84
84

85
85
86
86
86
87
87
87
91
91
92
94
94
95
98

99

99&
100

GIẢI THUẬT FCS-MPC CHO NHIỀU ĐỐI TƯỢNG VỚI
NGHỊCH LƯU BA BẬC T-TYPE NPC KẾT NỐI LƯỚI
HỆ THỐNG PV
Hệ thống kết nối lưới PV sử dụng nghịch lưu T-Type NPC
Vector điện áp và các trạng thái đóng cắt của bộ nghịch lưu 3 bậc TType NPC
Mơ hình giải thuật điều khiển MPC cho bộ biến đổi cơng suất
Mơ hình giải thuật điều khiển MPC cho nghịch lưu 3 bậc T-Type NPC
kết nối lưới hệ thống PV

103
105
106
107

vii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

Hình 8.5
Hình 8.6
Hình 8.7

Hình 8.8

Hình 8.9

Hình 8.10

Hình 8.11

Hình 8.12

Hình 8.13
Hình 8.14
Hình 8.15
Hình 8.16

Hình 8.17

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

Mơ hình giải thuật điều khiển FCS-MPC cho nghịch lưu 3 bậc T-Type
NPC kết nối lưới hệ thống PV sử dụng 19 tổ hợp trạng thái đóng cắt
Lưu đồ thực hiện giải thuật MPC giảm điện áp CMV và giảm tần số
đóng cắt PV
Dạng sóng điện áp CMV (Common mode voltage) của nghịch lưu TType NPC: (a) Phase-Shift CB-PWM; (b) MPC truyền thống; (c) FCSMPC đề xuất với λsw = 0,2
Dạng sóng và phân tích sóng hài THD của dịng điện kết nối lưới trong
hệ trục tọa độ abc: (a) Phase-Shift CB-PWM; (b) MPC truyền thống;
(c) FCS-MPC đề xuất với λsw = 0,2
Dạng sóng dòng điện kết nối lưới PV trong hệ trục tọa độ quay dq và
công suất thực (P), công suất phản kháng (Q): (a) Phase-Shift CBPWM; (b) MPC truyền thống; (c) FCS-MPC đề xuất với λsw = 0,2
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC- VAB (điện áp
giữa pha A và pha B) và VAN (điện áp pha A): (a) Phase-Shift CBPWM; (b) MPC truyền thống; (c) FCS-MPC đề xuất với λsw = 0,2
Nghịch lưu T-Type NPC sử dụng kết nối lưới hệ thống PV và sơ đồ
khối điều khiển giải thuật MPC có bù trễ cho bài tốn đa mục tiêu:
điều khiển bám dịng, cân bằng tụ, giảm điện áp CMV, giảm tần số
đóng cắt
Lưu đồ thực hiện giải thuật MPC có bù trễ cho bài tốn đa mục tiêu:
điều khiển bám dòng, cân bằng tụ, giảm điện áp CMV, giảm tần số
đóng cắt của nghịch lưu T-Type NPC sử dụng kết nối lưới hệ thống
PV
Đáp ứng linh hoạt về công suất của giải thuật MPC điều khiển hệ
thống kết nối lưới PV với: (a) MPC ; (b) FCS-MPC có bù trễ
Dạng sóng của dịng điện kết nối lưới tương ứng với thay đổi công
suất và độ méo dạng sóng hài THD: (a) MPC ; (b) FCS-MPC có bù trễ
Chênh lệch điện áp tụ ΔVDC = VC1-VC2 và điện áp tụ điện DC-Link:
C1, C2: (a) MPC ; (b) FCS-MPC có bù trễ

Dạng sóng điện áp CMV (Common mode voltage) của nghịch lưu TType NPC kết nối lưới hệ thống PV: (a) MPC ; (b) FCS-MPC có bù
trễ
Dạng sóng điện áp đầu ra của nghịch lưu T-Type NPC với điện áp
giữa 2 pha VAB và điện áp pha VAN: (a) MPC ; (b) FCS-MPC có bù trễ

109
110
111

112

112&
113
113&
114
119

120

121
122
123
123

124

viii


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1
Bảng 3.2
Bảng 3.3
Bảng 6.1
Bảng 6.2
Bảng 7.1
Bảng 7.2
Bảng 7.3
Bảng 7.4
Bảng 7.5
Bảng 8.1
Bảng 8.2
Bảng 8.3
Bảng 8.4

Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type
Bảng tổng hợp các vector điện áp
Điện áp CMV theo trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type NPC
Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type
Bảng thống kê giải thuật điều khiển MPC và MPC có bù trễ
Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type, với x = a,b,c
Bảng so sánh cân bằng tụ với các trọng số (λDC) cân bằng tụ khác
nhau
Đặc tính của mơ-đun quang điện PV: (a) đường cong I-V, (b) đường
cong P-V

Điện áp CMV theo trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type NPC
So sánh giải thuật MPC, CB PWM, Phase-shift CB-PWM với giảm
điện áp Common mode voltage (CMV)
Trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type, với x = a,b,c
Điện áp CMV theo trạng thái đóng cắt của nghịch lưu T-Type NPC
Bảng thống kê so sánh giữa giải thuật Phase-shift CB-PWM, MPC
truyền thống và MPC đề xuất
Bảng thống kê các thông số về chất lượng điện năng với giải thuật
MPC truyền thống và FCS-MPC có bù trễ

Trang
25
26
32
55
70
79
88
92
96
100
104
108
114
125

ix


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU
Từ viết tắt
PV
MPC
FCS-MPC
Ts
fs
fsw
CMV
NPC inverter
T-Type NPC
inverter
THD
PWM
CB PWM
PS CB-PWM
SV PWM
PI controller
PID controller
Cost function
Weighting factor
Redundant
swithcing states
Redundant voltage
vector
PLL

PV
Leakage current
P
Q
VOC
αβ
dq
abc
EMI
Long prediction
horizons
ia,ib,ic
ea,eb,ec
vao,vbo,vco

Thuật ngữ chuyên ngành
Photovoltaic system
Model predictive control
Finite control set Model
predictive control
Sampling time
Sampling frequency
Switching frequency
Common model Volatge
Neutral Point Clamped inverter
T-Type Neutral Point Clamped
inverter
Total Harmonic Distortion
Pulse Width Modulation
Carrier-Based Pulse Width

Modulation
Phase-shift Carrier-Based Pulse
Width Modulation
Space vector Pulse Width
Modulation
Proportional - Integral controller
Proportional-Integral Derivative controller

Ý nghĩa
Hệ thống năng lượng mặt trời
Mơ hình điều khiển dự báo
Mơ hình điều khiển dự báo với số trạng
thái giới hạn
Thời gian lấy mẫu
Tần số lấy mẫu
Tần số đóng cắt
Điện áp giữa tâm nguồn DC-link và
trung tính của lưới
Nghịch lưu NPC
Nghịch lưu NPC dạng T-Type
Độ méo dạng sóng hài
Giải thuật điều chế độ rộng xung
Giải thuật sóng mang điều chế độ rộng
xung
Giải thuật sóng mang dịch pha điều chế
độ rộng xung
Giải thuật vector không gian điều chế độ
rộng xung
Điều khiển tỷ lệ - tích phân
Điều khiển tỷ lê - tích phân - vi phân

Hàm chi phí
Trọng số
Trạng thái đóng cắt lặp
Vector điện áp lặp

Phase-locked loop
Photovoltaic

Active power
Reactive power
Voltage oriented control
Stationary αβ frame
Rotating dq frame
abc frame
Electromagnetic Interferences

Grid current
Grid voltage
Inverter voltage

Đồng bộ pha (góc pha)
Hệ thống tấm pin mặt trời (hệ thống
năng lượng mặt trời)
Dịng điện rị
Cơng suất thực
Cơng suất phản kháng
Điều khiển định hướng điện áp
Hệ tọa độ tĩnh αβ
Hệ tọa độ quay dq
Hệ tọa độ abc

Nhiễu điện từ
Dự báo với thời khoảng dài
Dòng điện kết nối lưới
Điện áp lưới
Điện áp ngõ ra của mỗi nhánh của
nghịch lưu T-Type NPC

ix


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

CHƯƠNG 1
HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
1.1 Tổng quan về năng lượng tái tạo
Do cạn kiện tài nguyên và các vấn đề về môi trường gây ra bởi khí thải, các
nguồn năng lượng truyền thống sử dụng nhiên liệu hóa thạch khơng bền vững trong
dài hạn. Chính vì vậy, nhiều nỗ lực đang được thực hiện trên thế giới và nhiều quốc
gia để đưa nhiều nguồn năng lượng tái tạo như: năng lượng gió, năng lượng mặt trời
(PV – Photovoltaic system), thủy điện, năng lượng sinh khối (Biomass power), năng
lượng thủy triều (Ocean power), địa nhiệt (Geothermal energy)…hịa lưới điện. Cơng
suất lắp đặt của năng lượng tái tạo phát triển rất nhanh trong những thập kỉ gần đây,
tính đến năm 2012 tổng cơng suất lắp đặt trên 420 Giga Watts (GW) (không bao gồm
thủy điện), chiếm 5,2% lượng điện tiêu thụ trên toàn thế giới [53]. Nếu bao gồm
nguồn năng lượng thủy điện thì cơng suất lắp đặt của nguồn năng lượng tái tạo chiếm
13% tổng công suất lắp đặt, 84% công suất lắp đặt sử dụng nguồn nhiên liệu hóa
thạch, 3% là năng lượng hạt nhân [1].

Hình 1.1

Tỷ trọng của các nguồn năng lượng trên thế giới

Trong số các nguồn năng lượng tái tạo thì năng lượng thủy điện chiếm tỉ trọng
lớn nhất. Tuy nhiên, do những yêu cầu về vị trí lắp đặt các nhà máy thủy điện (khu
vực có sơng, hồ) và các vấn đề về môi trường tác động đến đời sống dân sinh và xã
hội, tốc độ tăng trưởng của nhà máy thủy điện trên toàn thế giới hiện nay rất chậm và
được xem như là bão hòa. Khác với thủy điện, các nguồn năng lượng tái tạo khác ít
yêu cầu về vị trí lắp đặt, vùng phân bố rộng hơn, ít tác động đến mơi trường và có
tiềm năng khai thác lớn, trong đó năng lượng gió và năng lượng mặt trời hứa hẹn sẽ
Trang 1


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

nắm vai trò chủ đạo về cả lượng công suất lắp đặt và tốc độ phát triển hàng năm [53].
Năng lượng gió và năng lượng mặt trời chiếm 80% lượng công suất lắp đặt của
nguồn năng lượng tái tạo (hình 1.2), tốc độ phát triển nhanh trong 5 năm gần đây
(2007-2012) đối với năng lượng gió (25%) và năng lượng mặt trời (60%) (hình 1.3)
[53].

Hình 1.2 Tỷ trọng của các nguồn
năng lượng tái tạo

Hình 1.3 Tốc độ phát triển công suất lắp đặt của

các nguồn năng lượng tái tạo

Từ các thống kê trên cho thấy năng lượng gió và năng lượng mặt trời sẽ được
tập trung nghiên cứu và phát triển trong tương lai. Năng lượng mặt trời (PV) mặc dù
có chi phí đầu tư cao hơn so với các nguồn năng lượng tái tạo khác [1] [46], nhưng
với giảm giá thành của các mô-đun quang điện (Photovoltaic modules) cùng với sự
phát triển của công nghệ chế tạo các tế bào quang điện (PV cell technology), bên
cạnh đó là các nghiên cứu ứng dụng điện tử cơng suất, các giải thuật điều khiển trong
kết nối lưới để nâng cao hiệu suất, giảm chi phí, giảm kích thước và khối lượng của
bộ chuyển đổi cơng suất, do đó năng lượng mặt trời đã và đang là nguồn năng lượng
đầy tiềm năng để cạnh tranh với các nguồn năng lượng tái tạo khác cũng như năng
lượng hóa thạch.
Với những cái nhìn tổng quan trên, năng lượng mặt trời cùng với các ứng dụng
của điện tử công suất và điều khiển kết nối lưới sẽ là nhiệm vụ chủ đạo của luân văn.
1.2 Hệ thống năng lượng mặt trời
Bên cạnh các mô-đun quang điện để chuyển quang năng thành điện năng cho
hiệu suất cao và giá thành rẻ thì vấn đề kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời PV
đóng vai trị quan trọng của hệ thống PV. Một hệ thống PV nối lưới hiệu quả cao,
đáng tin cậy khi kết nối lưới trong điều kiện phụ thuộc vào điều khiển về môi trường

Trang 2


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

(bức xạ (irradiance level) và nhiệt độ môi trường xung quanh (ambient temperature))
là yêu cầu cần phải có khi kết nối lưới hệ thống PV.

Các thiết bị điện tử công suất, gọi tắt là nghịch lưu PV (PV inverter), cùng với
các giải thuật điều khiển thông minh [1], [2], [53], cho phép kết lưới hiệu quả hệ
thống năng lượng mặt trời. Do đó, hệ thống điện năng lượng mặt trời PV được cho là
hiệu quả khi đảm bảo các tiêu chí: khai thác tối ưu nguồn năng lượng mặt trời từ các
tấm pin mặt trời PV trong các điều kiện môi trường khác nhau, đồng bộ với lưới điện
khu vực, tuân thủ các yêu cầu về kết nối điện.
Trong mục này sẽ đề cập các vấn đề giới thiệu tóm tắt lý thuyết các đặc tính của
tế bào quang điện (solar PV cell) trong việc chuyển đổi quang năng thành điện năng,
các cấu hình kết nối lưới của hệ thống PV. Các vấn đề về các bộ điện tử công suất,
giải thuật điều khiển kết nối lưới hệ thống PV sẽ được đề cập ở các chương khác.
1.2.1 Mô-đun quang điện (Photovoltaic modules) và đường cong I-V và P-V
a) Giới thiệu mô-đun quang điện (Module PV)
Mô-đun PV được cấu tạo từ các kết nối các tế bào quang điện (PV cells), các tế
bào quang điện được làm bằng hai lớp của các thiết bị bán dẫn tinh thể silicon
(monocrystalline and polycrystalline), hay còn gọi là thin-film (bao gồm cadmium
telluride, copper indium gallium selenide and amorphous silicon), hình thành nên lớp
p-n (p-n junction field) [2]. Khi các photon của tế bào quang điện có năng lượng
bằng hoặc lớn hơn năng lượng của band-gap của bán dẫn, thì các photon này được
kích thích và trở thành các electron tự do. Khi mạch PV được đóng lại (kết nối tải
hoặc các thiết bị chuyển đổi công suất), các electron tự do này sẽ sinh ra dòng điện
một chiều từ cực dương của bán dẫn đến cực âm của bán dẫn (thiếu electron) để lấp
đầy các lỗ trống (positive holes), lúc này năng lượng mặt trời chuyển đổi thành điện
năng. Vì vậy cường độ dịng điện sinh ra bới các mơ-đun quang điện phụ thuộc trực
tiếp vào số lượng của các kích thích đến photon, nghĩa là khi bức xạ mặt trời cao sẽ
sinh ra nhiều photon có đủ năng lượng để hình thành các electron tự do và vì vậy
cường độ dịng điện của mơ-đun quang điện sẽ lớn.

Hình 1.4 Sơ đồ hoạt động của một tế bào quang điện
Trang 3

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

Đặc tính của mơ-đun quang điện hay tế bào quang điện là phi tuyến và phụ
thuộc vào bức xạ mặt trời và nhiệt độ môi trường xung quanh [2]. Mơ hình của tế bào
quang điện được nêu ở Hình 1.5, bao gồm nguồn dịng mắc song song với diode, điện
trở song song Rsh và điện trở nối tiếp Rs.
Phương trình Kishor cho tế bào quang điện [2]:

iPV  iL  i0 (e
Với
VPV
iPV
Rs
Rsh
q
K
T
n
io
iph

q ( vPV  iPV Rs )
nKT

 1) 

vPV  iPV Rs
Rsh

(1.1)

: Điện áp đầu ra của tế bào (V)
: Dòng điện đầu ra của tế bào (A)
: điện trở kí sinh mắc nối tiếp của tế bào (Ω)
: Điện trở kí sinh mắc song song của tế bào (Ω)
: Điện tích (Electronic charge): 1,6 x 10-19 (Coulombs)
: Hàng số Boltzmann: 1,38 x 10-23 (J/K)
: Nhiệt độ Kelvin (K)
: Hệ số của diode lý tưởng: n = 1
: Dòng điện bão hòa ngược của tế bào: 10-12 (A/cm2)
: Dịng điện photon (Cell photon current) 35-40mA/cm2/tế bào

Hình 1.5 Mơ hình điện của tế bào quang điện

Các tế bào quang điện được nối nối tiếp hoặc song với nhau để tạo ra một điện
áp, dịng điện và cơng suất lớn. Mô-đun các pin mặt trời gồm các mạch tế bào quang
điện nối với nhau trên một tấm mỏng và đây chính là khối cơ bản của hệ thống pin
mặt trời. Các cấp lớn hơn mô-đun PV là array PV như Hình 1.6. Nhiều tế bào quang
điện kết hợp lại tạo thành tấm pin . Các tế bào pin quang điện được mắc nối tiếp hoặc
song song với nhau để tạo điện áp ra theo yêu cầu. Khi mắc nối tiếp dòng điện của
một tế bào quang điện cũng chính là dịng điện của tấm pin và điện áp của tấm pin sẽ
là tổng điện áp của các tấm pin cộng lại.

Trang 4

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG
HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

Hình 1.6 Mơ-đun quang điện và hệ thống PV

Khi mắc song song dòng điện của tấm pin sẽ là tổng dòng điện của mỗi tế bào
pin cộng lại và điện áp của tấm pin bằng chính điện áp của một tế bào quang điện.
Mơ hình của một tấm pin gồm 36 tế bào pin quang điện kết hợp lại với nhau như
Hình 1.7:

Hình 1.7 Tấm pin mặt trời gồm 36 tế bào quang điện mắc nối tiếp nhau

Đơn giản như những hệ thống khác, hệ thống mô-đun PV cũng tạo ra điện như
các thế thông khác nhưng các thiết bị tạo ra thì khác hơn nhiền so với các hệ thống
tạo ra điện thông thường. Tuy nhiên nguyên tắc hoạt động và giao tiếp với các thiết
bị điện thì vẫn như cũ và dựa trên các tiêu chuẩn kỹ thuật chuẩn.
b) Đường cong I-V và P-V của mơ-đun quang điện (Mơ-đun PV):
Từ phương trình (1.1) ta thấy mối quan hệ giữa (I-V và P-V) là phi tuyến, phụ
thuộc vào lượng bức xạ mặt trời và nhiệt độ mơi trường như ở Hình 1.8 (a) (b). Do
tính phi tuyến và phụ thuộc vào môi trường, như đã thể hiện ở Hình 1.8, nên cần một
giải thuật MPPT (Maximum Power Point Tracking) để đảm bảo rằng lượng điện

Trang 5


LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP THẠC SĨ

GVHD: PGS.TS PHAN QUỐC DŨNG

HỌC VIÊN: NGUYỄN MINH NHẬT

năng chuyển đổi từ năng lượng mặt trời là tối đa, và qua đó giảm chi phí đầu tư (suất
đầu tư) của hệ thống PV.
(a)

(b)

Hình 1.8 Đặc tính của mơ-đun quang điện PV: (a) đường cong I-V, (b) đường cong P-V

Ở Hình 1.8 đường cong P-V có các “đỉnh” phụ thuộc vào các điều kiện khác
nhau của môi trường. Đường cong P-V chia làm 03 phân đoạn: a) Climbing – tăng
với dp/dv > 0, khi đó tấm PV hoạt động với dòng điện của PV là hằng số; b) Goingdown – giảm với dp/dv < 0; c) the-top – đạt công suất cực đại khi dp/dv = 0, với
điểm công suất cực đại Maximum Power Point (MPP) tại điều kiện nhiệt độ 250C và
bức xạ 1000W/m2 [53]. Nhiều giải thuật tìm cơng suất cực đại MPPT nêu ở [2]:
phương pháp Perturb-and-Observe (P&O), phương pháp độ dẫn (Incremental
Conductance - INC).
Các đầu ra của hệ thống điều khiển MPPT sẽ được kiểm soát bởi bộ chuyển đổi
DC-DC hoặc nghịch lưu DC-AC tùy thuộc vào cấu hình của hệ thống PV. Tuy nhiên
các đường cong I-V và P-V ở Hình 1.8 chỉ là cho các tấm pin PV riêng lẻ. Nếu hệ
thống PV gồm nhiểu tấm pin PV mắc nối tiếp theo dạng chuỗi (PV string) hoặc song
song (PV array) để tăng cơng suất đầu ra của PV, thì MPPT có thể khác so với
trường hợp riêng lẻ từng tấm pin PV. Hơn nữa, hiện tượng bóng râm (shading) trong
hệ thống PV cũng gây khó khăn khi thực hiện giải thuật MPPT. Vì vậy giải thuật
MPPT ổn định là cần thiết khi thiết kế hệ thống PV kết nối lưới.
1.2.2 Cấu hình kết nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời PV
Hệ thống PV nối lưới sẽ bao gồm 02 phần: phần pin mặt trời (PV side) và kết
nối lưới (Grid side) như Hình 1.9.
+ Phần pin mặt trời PV – PV side: các tấm pin mặt trời PV sẽ được điều khiển
để đạt tối đa công suất nhận được từ năng lượng mặt trời. Thông thường một bộ

chuyển đổi DC-DC sẽ được sử dụng để đạt được công suất tối đa MPPT (Maximun
Power Point Tracking) theo nhiều mức khác nhau . Điện áp đầu ra của bộ chuyển đổi
DC-DC sẽ được điều khiển với một giá trị mong muốn để đảm bảo điện áp đầu ra của
bộ inverter có thể kết nối lưới.
+ Về phía lưới – Grid side: sẽ điều khiển sao cho đảm bảo các yêu cầu về chất
lượng điện năng, tin cậy và an toàn: điều khiển công suất thực và công suất phản
Trang 6