Khảo sát hệ thống điện mặt trời kết nối lướii trực tiếp

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

NGUYỄN THANH LONG

KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI TRỰC TIẾP

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN
Mã số

: 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013


CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS. Phan Quốc Dũng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Trương Việt Anh
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 17 tháng 07 năm 2013
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. PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ

2. PGS.TS. Phan Quốc Dũng
3. TS. Hồ Phạm Huy Ánh
4. TS. Phạm Đình Trực
5. TS. Ngơ Mạnh Dũng
6. TS. Trương Việt Anh
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 Thanh Long

MSHV: 11180111

Ngày, tháng, năm sinh: 05/07/1987

Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện

Mã số : 60 52 50

I. TÊN ĐỀ TÀI: KHẢO SÁT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI
LƯỚI TRỰC TIẾP
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: ....................................................................................
Nghiên cứu hệ thống điện mặt trời kết lưới ........................................................................
Tìm hiểu bộ nghịch lưu ba pha dạng cải tiến hiệu suất .......................................................
Mô phỏng hệ thống nghịch lưu và PV kết lưới ...................................................................
Kết luận ...............................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) .................................
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) .................
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): .......................................
PGS.TS. Phan Quốc Dũng ..................................................................................................
.............................................................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 2012
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN ĐIỆN TỬ
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN

Cảm ơn Ba Mẹ! Gia đình đã là nguồn động viên rất lớn và là chỗ
dựa vững chắc nhất của con trong suốt thời gian qua.
Kính gửi đến thầy Phan Quốc Dũng lời cảm ơn chân thành và sâu

sắc! Cảm ơn Thầy đã dành nhiều thời gian, công sức, tận tình hướng
dẫn, chỉ dạy em hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Xin gửi lời cảm ơn quý thầy cơ của trường đại học Bách Khoa
TP.HCM nói chung, q thầy cơ của khoa Điện - Điện tử nói riêng
đã tận tình giảng dạy, trang bị cho em những kiến thức bổ ích trong
q trình học tập vừa qua.
Tơi xin chân thành cám ơn!

TP.HCM, tháng 06 / 2013
NGUYỄN THANH LONG

I


GIỚI THIỆU LUẬN VĂN
Ngày nay, các vấn đề về thiếu hụt năng lượng, ô nhiễm môi trường ngày càng
được con người quan tâm và cải thiện. Đứng trước nhu cầu lớn về một nguồn năng lượng
sạch, bền vững nên những năm gần đây các nguồn năng lượng tại tạo, mà đặc biệt là năng
mặt trời và năng lượng gió, ngày càng trở nên hấp dẫn và cũng đã có những bước phát
triển vượt bậc.
Năng lượng từ pin Mặt Trời được tích trữ lại trong bình nạp (accqui) rồi sử dụng
năng lượng trong bình nạp đó để nối lưới và sinh hoạt. Ưu điểm của phương pháp này là
điện áp bình nạp cố định, dẫn đến bộ chuyển đổi ra điện áp sử dụng khá đơn giản. Tuy
nhiên, nó có nhược điểm là gây tổn hao lớn khi chuyển đổi năng lượng phải qua 2 khâu
(khâu nạp từ pin xuống bình nạp và khâu từ bình nạp lên điện áp sử dụng), đồng thời phải
tốn thêm thiết bị tích trữ năng lượng như acquy với giá thành tương đối cao.
Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới là một giải pháp cho vấn đền nêu trên. Tải sử
dụng sẽ được cấp nguồn từ hệ thống pin mặt trời dưới sự điều khiển của bộ biến đổi công
suất và được kết nối với lưới điện hạ áp. Khi hệ thống pin mặt trời phát công suất lớn hơn
nhu cầu của tải, phần năng lượng thừa sẽ được bộ biến đổi công suất điều khiển phát lên

lưới. Khi hệ thống pin mặt trời phát công suất nhỏ hơn nhu cầu của tải, phần năng lượng
lượng còn thiếu tải sẽ sử dụng trực tiếp từ lưới điện.
Đề tài này thực hiện đưa trực tiếp năng lượng từ pin Mặt Trời lên hệ thống lưới
điện hạ áp xoay chiều không qua máy biến áp nhằm cải thiện hiệu suất của toàn hệ thống.
Bộ nghịch lưu HERIC 3 pha được sử dụng trong mơ hình này nhằm cải thiện hơn nữa
hiệu suất chuyển đổi DC/AC.
Bộ nghịch lưu HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) được công
bố năm 2011 bởi Heribert Schmidt với ưu điểm cải thiện được hiệu suất chuyển đổi
DC/AC. Tuy nhiên, phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu HERIC 3 pha hiện đang thuộc
bản quyền sản xuất của công ty Sunways Solar AG (Konstanz, Germany).
Mục đích luận văn: khảo sát, tìm hiểu về cấu trúc, giải thuật điều khiển các khóa
đóng ngắt và xây dựng mơ hình mơ phỏng cho bộ nghịch lưu cầu một pha, bộ nghịch lưu
II


HERIC 1 pha và bộ nghịch lưu cầu 3 pha, từ đó đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ
nghịc lưu HERIC 3 pha. Đồng thời ứng dụng mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC 3 pha kết
lưới hệ thống pin năng lượng Mặt Trời bằng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink.
Ý nghĩa đề tài:
Đề xuất giải thuật điều khiển cho bộ nghịch lưu HERIC 3 pha nhằm cải thiện hiệu
suất của bộ nghịch lưu cầu 3 pha và chứng minh khả năng kết lưới hệ thống pin Mặt Trời
của mô hình HERIC 3 pha đã đề xuất.
Tạo tài liệu tham khảo về bộ nghịch lưu HERIC 3 pha, đồng thời tạo điều kiện để
phát triển thực nghiệm mơ hình bộ nghịch lưu này ứng dụng vào kết lưới hạ thế với công
suất cao.

III


MỤC LỤC

Lời cảm ơn ............................................................................................................................ I
Giới thiệu luận văn ..............................................................................................................II
Mục lục .............................................................................................................................. IV
Phụ lục hình ....................................................................................................................... VI
Phụ lục bảng ....................................................................................................................... X
Chương 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG ........................................... 1
1.1.

Nguồn năng lượng Mặt Trời:.............................................................................. 1

1.2.

Hệ thống pin mặt trời: ......................................................................................... 3

1.3.

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới: .................................................................... 4

1.3.1.

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới trực tiếp: .............................................. 5

Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG .................................................. 7
2.1.

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp [2]: ........................................... 7

2.1.1.

Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM): ............................... 7

2.1.2.

Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM):............................... 8

2.2.

Tổn hao trên linh kiện: ...................................................................................... 10

2.2.1.

Tổn hao công suất trên IGBT và Diode [7] [8] [9] [10]:................................... 10

2.2.2.

Mơ hình tính tổn hao cơng suất trên linh kiện: ........................................ 18

Chương 3: BỘ NGHỊCH LƯU HERIC 3 PHA ............................................................ 20
3.1.

Giới thiệu: ........................................................................................................... 20

3.2.

Bộ nghịch lưu một pha: ..................................................................................... 20

3.2.1.

Bộ nghịch lưu cầu H một pha: ................................................................... 20

3.2.2.

Bộ nghịch lưu HERIC một pha: ................................................................ 24

3.3.

Bộ nghịch lưu ba pha:........................................................................................ 29

3.3.1.

Bộ nghịch lưu cầu ba pha: .......................................................................... 29

3.3.2.

Bộ nghịch lưu HERIC ba pha: ................................................................... 33

Chương 4: ỨNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU HERIC BA PHA KẾT LƯỚI HỆ
THỐNG PIN MẶT TRỜI ............................................................................................... 40
4.1.

Mơ hình pin năng lượng Mặt Trời: .................................................................. 41
IV


4.1.1. Mơ hình tốn của pin Mặt Trời: ................................................................... 41
4.1.2. Mô phỏng pin Mặt Trời trên Matlab/Simulink: .......................................... 43
4.2.

Bộ BuckBoost IncCond MPPT: ........................................................................ 49

4.3.

Bộ lọc và đồng bộ lưới điện: .............................................................................. 50

4.3.1. Bộ lọc:............................................................................................................... 50
4.3.2. Đồng bộ lưới điện:........................................................................................... 50
4.3.3. Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha: ........................................................ 53
4.3.4. Điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha: ................................................... 54
Chương 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ..................................................................... 65
5.1. Kết luận: ................................................................................................................. 65
5.2. Kiến nghị: ............................................................................................................... 66
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 67

V


PHỤ LỤC HÌNH
Hình 1.1: Q trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua lớp khí quyển của Trái Đất.. 1
Hình 1.2 : Hệ thống pin mặt trời ......................................................................................... 2
Hình 1.3 : Hệ thống CSP (Concentrating Solar Power) ...................................................... 3
Hình 1.4 : Phân bố công suất pin mặt trời theo vùng từ năm 1992 đến năm 2012 theo báo
cáo của IEA-PVPS............................................................................................................... 3
Hình 1.5 : Cơng suất pin mặt trời kết nối lưới từ năm 1992 đến năm 2011 theo báo cáo
của IEA-PVPS ..................................................................................................................... 4
Hình 1.6 : Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới cách ly về điện ........................................... 5
Hình 1.7 : Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp ...................................................... 5
Hình 1.8 : So sánh các bộ biến đổi cơng suất ...................................................................... 6
Hình 2.1: Phương pháp Sin PWM ....................................................................................... 7
Hình 2.2: Phương pháp SV PWM ....................................................................................... 9
Hình 2.3: Cách xác định giá trị UCE0, RC dựa vào đặc tuyến VCE và IC ......................... 11

Hình 2.4: Cách xác định giá trị UD, RD dựa vào đặc tuyến VF và IF.............................. 12
Hình 2.5: Giản đổ năng lượng quá trình mở của IGBT..................................................... 14
Hình 2.6: Giản đồ năng lượng quá trính ngắt của IGBT ................................................... 15
Hình 2.7: Giản đồ năng lượng hồi phục ngược của Diode ................................................ 16
Hình 2.8: Điện lượng Qrr của Diode ................................................................................. 16
Hình 2.9: Mơ hình tính tốn tổn hao dẫn IGBT ................................................................ 18
Hình 2.10: Mơ hình tính tốn tổn hao dẫn diode............................................................... 18
Hình 2.11: Mơ hình tính tốn tổn hao đóng cắt IGBT ...................................................... 19
Hình 2.12: Mơ hình tính tốn tổn hao đóng cắt diode ....................................................... 19
Hình 3.1: Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector điện áp dương ........................................... 20
Hình 3.2: Bộ Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector không S1 và S3 dẫn ở nữa bán kỳ dương
điện áp ............................................................................................................... 21
Hình 3.3: Mơ hình mơ phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha ................................................ 21
Hình 3.4: Mơ hình điều khiển bộ nghịch lưu cầu một pha ................................................ 22
VI


Hình 3.5: Điện áp đầu ra bộ inverter ................................................................................. 22
Hình 3.6: Điện áp và dịng điện tải .................................................................................... 23
Hình 3.7: Phân tích FFT điện áp tải cầu một pha .............................................................. 23
Hình 3.8: Điện áp common-mod cầu một pha .................................................................. 24
Hình 3.9: Cấu trúc HERIC: vector điện áp dương ............................................................ 25
Hình 3.10: Cấu trúc HERIC: vector không, S6 dẫn ở nữa bán kỳ âm của điện áp ........... 25
Hình 3.11: Mơ hình mơ phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha ........................................ 26
Hình 3.12: Mơ hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC một pha ....................................... 26
Hình 3.13: Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu HERIC một pha ......................................... 27
Hình 3.14: Điện áp và dòng tải của bộ nghịh lưu HERIC ba pha ..................................... 27
Hình 3.15: Phân tích FFT của điện áp tải HERIC một pha ............................................... 28
Hình 3.16: Điện áp common-mode của bộ nghịch lưu HERIC một pha .......................... 28
Hình 3.17: Bộ nghịch lưu cầu ba pha ................................................................................ 29

Hình 3.18: Mơ hình mơ phỏng bộ nghịch lưu cầu ba pha ................................................. 30
Hình 3.19: Mơ hình điều khiển bộ nghịch lưu cầu 3 pha .................................................. 30
Hình 3.20: Điện áp và dịng tải pha A của bộ nghịch lưu cầu 3 pha ................................. 31
Hình 3.21: Phân tích FFT điện áp tải của cầu 3 pha ......................................................... 32
Hình 3.22: Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu cầu 3 pha ....................................... 32
Hình 3.23: Bộ nghịch lưu HERIC ba pha.......................................................................... 33
Hình 3.24: Sóng điện áp 3 pha ABC và góc anpha của vector khơng gian tương ứng ..... 34
Hình 3.25: Sơ đồ giải thuật điều khiển 3 khóa SA, SB, SC .............................................. 35
Hình 3.26: Mơ hình mơ phỏng bộ nghịch lưu HERIC ba pha .......................................... 36
Hình 3.27: Mơ hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC ba pha .......................................... 36
Hình 3.28: Điện áp và dịng tải pha A của bộ nghịch lưu HERIC 3 pha .......................... 37
Hình 3.29: Phân tích FFT áp tải bộ nghịc lưu HERIC 3 pha ............................................ 38
Hình 3.30: Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu HERIC 3 pha................................. 38
Hình 4.1: Mơ hình hệ thống pin Mặt Trời kết lưới sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc ............. 40

VII


Hình 4.2: Mơ hình ứng dụng hệ thống pin Mặt Trời kết lưới xoay chiều sử dụng bộ
nghịch lưu HERIC 3 pha................................................................................... 41
Hình 4.3: Mạch điện tương đương của một tế bào quang điện ......................................... 41
Hình 4.4: Mơ hình mơ phỏng pin Mặt Trời bằng Matlab ................................................. 45
Hình 4.5: Mơ hình các tấm pin mặt trời ............................................................................ 46
Hình 4.6: Đặc tuyến pin Mặt Trời I_V; P_V ..................................................................... 47
Hình 4.7: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời nối tiếp ..................................................................... 47
Hình 4.8: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời song song ................................................................. 48
Hình 4.9: Đặc tuyến 4bộ (8 pin Mặt Trời) song song nối tiếp .......................................... 48
Hình 4.10: Mơ hình Buck-Boost sử dụng giải thuật IncCond........................................... 49
Hình 4.11: Khóa đóng ngắt điều khiển bộ Buck-Boost .................................................... 49
Hình 4.12: Mơ hình bộ lọc 3 pha L ................................................................................... 50

Hình 4.13: Phát hiện điểm khơng ...................................................................................... 50
Hình 4.14: Sơ đồ các khối cơ bản của PLL ....................................................................... 51
Hình 4.15: Khối hịa đồng bộ lưới PLL – Data Process được sử dụng trong mơ hình mơ
phỏng................................................................................................................. 52
Hình 4.16: Mơ hình chuyển đổi tín hiệu abc sang dq của khối PLL – Data Process ........ 52
Hình 4.17: Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha ........................................................... 53
Hình 4.18: Mơ hình tạo điện áp xoay chiều sin cho từng pha ........................................... 53
Hình 4.19: Khối Controller tạo tín hiệu điều khiển các khóa............................................ 54
Hình 4.20: Áp điều khiển được tạo ra bằng phương pháp điều khiển vectơ dòng điện
trong hệ tọa độ quay. ......................................................................................... 54
Hình 4.21: Khối Coupling current control xác định giá trị Vd, Vq. ................................. 55
Hình 4.22: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc ......................................... 56
Hình 4.23: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (80 pin) ................................. 57
Hình 4.24: Điện áp sau bộ nghịch lưu (80 pin) ................................................................. 57
Hình 4.25: Dạng dịng điện 3 pha sau bộ lọc (80 pin)....................................................... 58
Hình 4.26: Dạng dịng điện 3 pha của lưới (80 pin) .......................................................... 58
Hình 4.27: Dạng sóng Va_Ia; I_filter; I_Grid_supply; và Udc (160 pin) ......................... 60
VIII


Hình 4.28: Điện áp pha lưới Va và dịng pha sau bộ lọc Ia (160 pin) ............................... 60
Hình 4.29: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin) ............................................................... 60
Hình 4.30: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin)..................................................... 61
Hình 4.31: Dạng dịng điện 3 pha của lưới (160 pin) ........................................................ 61
Hình 4.32: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, G = 0,5) ................ 62
Hình 4.33: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, G = 0,5) ................................................. 62
Hình 4.34: Dạng dịng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, G = 0,5) ...................................... 62
Hình 4.35: Dạng dịng điện 3 pha của lưới (160 pin, G = 0,5).......................................... 63
Hình 4.36: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc Ia (160 pin, R = 20Ω) ............... 63
Hình 4.37: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, R = 20Ω) ............................................... 63

Hình 4.38: Dạng dịng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, R = 20Ω)..................................... 64
Hình 4.39: Dạng dịng điện 3 pha của lưới (160 pin, R = 20Ω) ........................................ 64

PHỤ LỤC BẢNG
Bảng 3.1: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu một pha..................................... 24
Bảng 3.2: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC một pha .............................. 29
Bảng 3.3: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu 3 pha ......................................... 33
Bảng 3.4: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC 3 pha .................................. 34
Bảng 4.1: Thông số pin Mặt Trời SX3200 của BP Solar .................................................. 45

IX


Chương 1: NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI

1.1.

Nguồn năng lượng Mặt Trời:
Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo dồi dào được con người khai

thác, sử dụng từ rất sớm. Trái đất nhận được 174 petawatts (1PW = 1015 W)[10] của bức
xạ Mặt Trời đến. Khoảng 30% được phản xạ trở lại không gian trong khi phần còn lại
được hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và đất.

Hình 1.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua
lớp khí quyển của Trái Đất
Sự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng hóa thạch và các vấn đề về môi trường hiện
nay thúc đẩy mạnh mẽ sự phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đó
năng lượng mặt trời là một nhánh được phát triển mạnh mẽ.

Việt Nam với lợi thế là một trong những nước nằm trong dãy phân bổ ánh nắng
mặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dải bờ biển
dài, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lưới
đến được. Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để

1


thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cư
này là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng.
Hệ thống điện mặt trời là hệ thống chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng: có
02 hình thức thực hiện:
-

Trực tiếp: chuyển quang năng thành điện năng bằng cách sử dụng các tấm

pin mặt trời (pin quang điện).

Hình 1.2: Hệ thống pin mặt trời.
-

Gián tiếp: tập trung nhiệt năng mặt trời bằng cách sử dụng hệ thống CSP

(Concentrating Solar Power) gồm các tấm gương phản chiếu tập trung ánh sáng để
chuyển thành nhiệt, hệ thống thu nhận và truyển tải nhiệt, các hệ thống theo dõi. Nhiệt
năng tập trung được chuyển thành điện năng qua các turbin hơi giống như các nhà máy
nhiệt điện truyền thống.

Hình 1.3: Hệ thống CSP (Concentrating Solar Power).
2

1.2.

Hệ thống pin mặt trời:
Khoảng 10 năm trở lại đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu,

pin mặt trời ngày càng được cải thiện về mặt hiệu suất và giảm bớt giá thành. Điều này
làm cho điện mặt trời trở thành giải pháp năng lượng khả thi và thu hút hơn.
Sự phát triển của pin mặt trời từ năm 1992 đến năm 2012 ở hình 1.4 bên dưới cho
thấy sự tăng vọt công suất lắp đặt hệ thống pin mặt trời trong vài năm gần đây: 36GWp
năm 2010, 64GWp năm 2011 và 95GWp năm 2012.

Hình 1.4: Phân bố công suất pin mặt trời theo vùng từ năm 1992 đến
năm 2012 theo báo cáo của IEA-PVPS [4]
Chi phí hiện tại cho một hệ thống pin mặt trời còn đắt so với các nguồn năng
lượng truyền thống do giá thành sản xuất pin mặt trời khá cao. Tuy nhiên, các ưu điểm
như nguồn năng lượng mặt trời là vô tận và dễ dàng lấy được ở mọi nơi, hệ thống pin mặt
trời khơng có bộ phận chuyển động, tuổi thọ cao nên khơng cần bảo trì nhiều, … làm cho
các ứng dụng pin mặt trời thật sự hấp dẫn.

3


1.3.

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới:
Hiện nay, ngoài các ứng dụng trong vũ trụ và trong dân dụng, phần lớn công suất

lắp đặt của pin mặt trời được kết nối với hệ thống lưới điện cung cấp nguồn năng lượng

sạch cho tương lai (Hình 1.5).

Hình 1.5: Cơng suất pin mặt trời kết nối lưới từ năm 1992 đến
năm 2011 theo báo cáo của IEA-PVPS [4].
Mặc dù ở nước ta hiện tại chưa được phép kết nối pin mặt trời với hệ thống lưới
điện, nhưng đây là xu thế tất yếu để phát triển nguồn năng lượng sạch của tương lai mà
nhiều nước phát triển đã và đang thực hiện.
Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới thường được xét một số đặc điểm như:
-

Chi phí.

-

Kích thước và khối lượng.

-

Hiệu suất.

-

An toàn.

4


1.3.1. Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới trực tiếp:
Phụ thuộc vào sự cách ly về điện giữa các tấm pin mặt trời và hệ thống lưới điện
mà hệ thống pin mặt trời được chia thành kết lưới trực tiếp hoặc cách ly về điện. Sự cách

ly này do máy biến áp tạo ra. Tuy nhiên, máy biến áp là phần tử gây tổn hao lớn đến hiệu
suất chuyển đổi DC/AC của hệ thống pin mặt trời kết lưới.

Hình 1.5: Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới cách ly về điện: dùng
máy biến áp tần số thấp (LF transformer) phía lưới (a), hoặc dùng máy
biến áp tần số cao (HF transformer) (b).

Hình 1.6: Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp: khơng
có bộ boost (a), có bộ boost điện áp (b).
Ưu điểm lớn nhất của hệ thống kết lưới trực tiếp là làm tăng hiệu suất của toàn hệ
thống tăng lên khoảng 2% nhờ bỏ qua tổn hao khi có máy biến áp.
Khuyết điểm của hệ thống kết lưới trực tiếp là khơng có máy biến áp tạo sự cách ly
nên dòng điện DC qua bộ inverter có thể đi vào lưới AC. Dịng điện DC này có thể gây
bão hịa từ lõi của các phần tử trong máy biến áp phân phối dẫn đến quá nhiệt và làm sai
tín hiệu bảo vệ.
5


Hình 1.7: So sánh các bộ biến đổi cơng suất.
Hình 1.7 được thực hiện từ số liệu thống kê hơn 400 bộ biến đổi công suất trên thị
trường [1]. Từ hình 1.7 có thể thấy được hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp có
kích thước và khối lượng nhỏ hơn, hiệu suất lớn hơn so với trường hợp có sự cách ly về
điện.
6


Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THỐNG
PIN MẶT TRỜI

Trong hệ thống pin mặt trời, bộ nghịch lưu làm nhiệm vụ chuyển đổi điện áp 1

chiều từ pin mặt trời thành điện áp xoay chiều điều khiển được ở ngõ ra.
Bộ nghịch lưu áp một pha thường được sử dụng với các hệ thống pin mặt trời
cá nhân có cơng suất nhỏ hơn 5kW như cầu H một pha, NPC (Neutral Point Clamped)
một pha, ….
Bộ nghịch lưu áp ba pha thường được sử dụng với các hệ thống pin mặt trời
cơng suất lớn hơn, trường hợp lưới hạ thế có thể lên đến 25kW: bộ nghịch lưu cầu 3
pha, NPC ba pha, ….
2.1.

Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp [2]:
Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độ

rộng xung (PWM – Pulse Width Modulation) và quy tắc kích đóng đối nghịch.
2.1.1. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM):
Phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog. Giản đồ kích đóng cơng tắc bộ
nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:
Sóng mang (carrirer signal) up tần số cao;
Sóng điều khiển (reference signal) ur dạng sin.

Hình 2.1: Phương pháp Sin PWM.

7


Tần số sóng mang càng cao lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều nhưng
phát sinh tổn hao do tăng số lần đóng ngắt khóa. Ngồi ra, các linh kiện địi hỏi phải
có thời gian đóng, cắt nhất định. Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng
mang.
Sóng điều khiển mang thơng tin về độ lớn và tần số của hài cơ bản ngõ ra,
trong đó:

mf - tỉ số điều chế tần số:

mf=

f carrier
f reference

(2.1)

ma - tỉ số điều chế biên độ:

ma =

U m − reference
U m −carrier

(2.2)

Nếu ma ≤ 1 (biên độ sóng sin nhỏ hơn biên độ sóng mang) thì quan hệ giữa
thành phần hài cơ bản của áp ra và áp điều khiển là tuyến tính.
Đối với bộ nghịch lưu áp 1 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
U t (1) m = m aU

(2.3)

Đối với bộ nghịch lưu áp 3 pha, biên độ áp pha hài cơ bản:
U t (1) m= ma

U
2

(2.4)

Phương pháp Sin PWM tạo ra điện áp gần với dạng sin nhưng chỉ có thể đảm
bảo phạm vi điểu khiển tuyến tính thành phần điện áp cơ bản của tải ba pha đến biên
độ Vd/2
2.1.2. Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM):
Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục được nhược điểm của
phương pháp Sin PWM. Phương pháp SVPWM tạo ra sự di chuyển liên tục trên quỹ
đạo đường trịn của vector khơng gian tương đương của vector điện áp yêu cầu.
Vector tương đương ở đây là vector điện áp trung bình trong thời gian một chu kỳ lấy
mẫu (Ts).

8


Hình 2.2: Phương pháp SV PWM.

r
V
Phương pháp thực hiện bằng cách điều chế vector ref có độ lớn V bằng với
biên độ điện áp pha của sóng cần điều chế và góc lệch α có giá trị từ 0 đến 2π trong
một chu kỳ của điện áp điều chế (f = 50Hz) (hình 2.2). Xét góc phần sáu thứ nhất của
hình lục giác tạo bởi 3 vector V0, V1, V2. Giả sử rằng trong thời gian chu kỳ lấy mẫu

r
V
Ts để tạo ra vector ref ta tạo ra vector V1 trong khoảng thời gian T1, vector V2 trong
khoảng thời gian T2 và vector V0 trong khoảng thời gian còn lại (Ts – T1 – T2), ta có:

τ1 =

T1
Ts

τ2 =

T2
Ts

τ 0 = 1 −τ1 −τ 2

9


Khi đó, ở mỗi chu kỳ lấy mẫu ta có thể tính

τ1 =

τ2 =

3

3

τ 0 , τ 1 , τ 2 như sau:

V
sin( π / 3 − γ )
Vd

(2.5)

V
sin( γ )
Vd

(2.6)

τ 0 = 1 −τ1 −τ 2

(2.7)

Tương tự, ở các góc phần sáu cịn lại vector được điều chế từ vector khơng và
hai vector của góc phần sáu tương ứng.
2.2.

Tổn hao trên linh kiện:
Hiệu suất đạt được của một cấu hình nghịch lưu là rất quan trong, việc mơ

phỏng đánh giá hiệu suất sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về cấu hình đó, dể dàng so sánh
các cấu hình nghịch lưu ở các điều kiện hoạt động khác nhau mà khơng cần phải thực
hiện mạch thực tế.
Việc tính tốn tổn hao trên linh kiện bán dẫn sẽ giúp việc chọn lựa linh kiện
cho các mạch công suất một cách dễ dàng, dự đoán được nhiệt độ tiếp xúc tối đa của
linh kiện và hiệu suất của mạch công suất.
2.2.1. Tổn hao công suất trên IGBT và Diode [7] [8] [9] [10]:
Khi một linh kiện bán dẫn hoạt động có bốn tổn hao xảy ra: tổn hao dẫn
(conducting loss), tổn hao trạng thái tắt (off state losses), tổn hao đóng cắt (switching
losses) và tổn hao trong quá trình hoạt động (driving losses). So sánh với tổn hao quá

trình dẫn và đóng cắt thì off-state and driving losses rất nhỏ và có thể bỏ qua.
Tổn hao đóng cắt (switching losses) phụ thuộc vào năng lượng đóng cắt( EON
và EOFF) và tần số đóng cắt (fsw).
Tổn hao dẫn phụ thuộc vào điện áp ngưỡng (UCE0) và điện trở (rC) của linh
kiện và giá trị dòng điện qua linh kiện bán dẫn.

10


Các thông số trên được nhà sản xuất cung cấp trên datasheet của linh kiện, tùy
theo điều kiện hoạt động, chế độ làm việc mà ta sẽ lựa chọn cho thích hợp.
Từ datasheet của IGBT ta có thể xác định được các giá trị UCE0 và rC:
-

Cách xác định các giá trị uCE0 và rC, uD và rD dựa vào đặc tuyến IC

và VCE của IGBT như sau:

Hình 2.3. Cách xác định giá trị UCE0, RC dựa
vào đặc tuyến VCE và IC.
Tất cả datasheet linh kiện nhà sản suất đều cung cấp đặc tuyến trên [9], việc
xác định UCE0, RC được chính xác địi hỏi ta phải xác định được dòng điện qua linh
kiện, điện áp mà linh kiện phải chịu khi hoạt động, nhiệt độ linh kiện trong suốt q
trình vận hành của mạch để có thể chọn được đường cong thích hợp với điều kiện thực
tế, giảm sai số so với thực nghiệm.

11


Tương tự ta dựa vào đặc tuyến VF và IF của Diode để xác định UD và rD:

Hình 2.4. Cách xác định giá trị UD, RD dựa vào đặc tuyến VF và IF.
UD0 : (on-state voltage) điện áp dẫn Diode
RD: (on-state resistance) điện trở trạng thái dẫn diode
2.2.1.1 Tổn hao dẫn ( conduction losses):
Tổn hao dẫn là tổn hao xảy ra trong q trình linh kiện cơng suất ở trạng thái dẫn
và đang dẫn dịng điện qua nó. Do đó, cơng suất trên IGBT được tính như sau:
P= ic* vce(sat)

(2.8)

Với ic: dòng điện tải và von là điện áp trạng thái bão hồ. Điện áp von được tính xấp
xỉ như sau:
VCE(sat) = VCEO + RC* iC

(2.9)

VCEO:điện áp dẫn trạng thái tĩnh
RC: điện trở dẫn của linh kiện công suất.
12


Phương trình giá trị tức thời uCE0 và uD theo dòng tức thời iC (qua IGBT) và iD
(qua Diode):
uCE(iC) = uCEO + rC . iC

(2.10)

uD(iD) = uDO + rD . iD

(2.11)

Công suất tổn hao tức thời tại một thời điểm trên IGBT:
(2.12)
Cơng suất trung bình tính trong một chu kỳ:

(2.13)
Với Icav : dịng điên trung bình qua IGBT trong lúc dẫn.
Icrms: trị hiệu dụng dịng qua IGBT trong lúc dẫn.
Cơng suất tổn hao tức thời của Diode:
(2.14)
Cơng suất trung bình trong một chu kỳ dóng cắt:

(2.15)
Với IDav : dịng trung bình qua Diode trong lúc dẫn.
IDrms: trị hiệu dụng dịng qua Diode trong lúc dẫn.
Để tính tổn hao do diode kẹp ta dùng công thức trên với Tsw là thời gian On của
diode kẹp.
2.2.1.2 Tổn hao q trình đóng cắt (hard-switching losses )
Tổn thất trong q trình đóng cắt (hard-switching losses) bao gốm hai thành phần
là tổn hao trong quá trình mở (turn-on energy) và q trính tắt (turn-off energy). Cũng
như tổn hao dẫn, tổn hao trong q trình đóng cắt được đặc trưng bằng đặc tuyến và
13