Ổn định dòng điện cho bộ phát năng lượng mặt trời vào lưới điện

Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010

Trang 74 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
ỔN ĐỊNH DÒNG ĐIỆN CHO BỘ PHÁT NĂNG LƯỢNG
MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN
Trương Việt Anh
(1)
, Nguyễn Bá Thuận
(2)

(1) Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TpHCM
(2) Trường Đại Học Lạc Hồng
(Bài nhận ngày 28 tháng 11 năm 2009, hoàn chỉnh sửa chữa ngày 15 tháng 11 năm 2010
)
TÓM TẮT: Bài báo này trình bày một mô hình kết nối nguồn năng lượng mặt trời, cũng như các
nguồn năng lượng phân tán khác tại các hộ gia ñình, hòa ñồng bộ vào lưới ñiện phân phối. Việc hòa
này dùng phương pháp ñiều khiển bám sát tần số, ñiện áp của nguồn lưới cũng như nguồn năng lượng
mặt trời. Kết quả khảo sát trên mô hình của phương pháp cho thấy: Khả năng ổn ñịnh dòng ñiện bơm
vào lưới bất chấp sự thay ñổi của ñiện áp và tần số lưới ñiện hoặc ñiện áp nguồn một chiều của hệ
thống inverter bị suy giảm hay tăng cao. Ngoài ra mô hình còn có khả năng giảm thiểu lượng công suất
kháng truyền vào lưới ñể tận dụng tối ña khả năng các khoá ñiện tử của bộ inverter trong việc truyền
dòng công suất tác dụng.
Từ khóa: mô hình, kết nối nguồn năng lượng mặt trời, lưới ñiện.
1.GIỚI THIỆU
Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có
nguồn gốc hóa thạch luôn gây ô nhiễm môi
trường, ñang cạn kiệt dần và làm cho trái ñất
ấm dần lên. Việc tìm ra nguồn năng lượng
sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng ñầu. Năng
lượng mặt trời, năng lượng gió ñáp ứng ñược
những yêu cầu này, nhưng có công suất không

lớn và rất phân tán, ñể tận dụng có hiệu quả,
cần phải kết nối các nguồn năng lượng này
thông qua hệ thống lưới ñiện phân phối có sẵn
bằng các bộ nghịch lưu có khả năng kết nối với
ñiện xoay chiều.
Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này
[1..4], nhưng các mục tiêu chủ yếu tập trung
ñiều khiển dòng công suất tác dụng P và công
suất phản kháng Q với các ñiều kiện ràng buộc
như tần số, ñiện áp lưới không thay ñổi hay
ñiện áp DC của bộ nghịch lưu không thay ñổi,
tuy nhiên, thực tế, các giá trị này thay ñổi ñáng
kể.
Bài báo này tập trung xây dựng một giải
thuật ñiều khiển bộ nghịch lưu kết nối lưới AC
có khả năng tự ñộng ổn ñịnh dòng ñiện bơm
vào lưới với hệ số công suất ở mức cao khi
ñiện áp, tần số lưới và ñiện áp DC ñặt vào bộ
nghịch lưu thay ñổi.
2.PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN
Sơ ñồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời
vào lưới ñiện phân phối hạ thế và sơ ñồ tương
ñương ñược biểu diễn lần lượt tại hình 1 và 2.
Công suất truyền qua cuộn kháng L bơm vào
lưới ñược mô tả tại các biểu thức:
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010

Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 75
s
EU

P sin
X
= δ
(1)
2
s s
EU U
Q cos
X X
= δ −
(2)
Trong ñó: δ là góc lệch giữa
E
r
(ñiện áp
ñầu ra của Inverter) và
U
r
(ñiện áp lưới).

Hình 1. Sơ ñồ kết nối nguồn NLMT với lưới

Hình 2. Sơ ñồ kết nối tương ñương
Từ biểu thức (1) và (2) dễ dàng nhận thấy,
việc ñiều khiển công suất P phụ thuộc nhiều
vào góc lệch δ và ñiều khiển Q bằng cách thay
ñổi ñiện áp E. Để tận dụng tối ña khả năng
mang tải của các khoá ñiện tử, biến áp xung,
cuộn kháng L, bộ nghịch lưu luôn phải làm
việc ở chế ñộ :

- Giữ công suất phản kháng Q truyền vào
lưới gần bằng 0 hay hệ số công suất PF = 1
- Giữ dòng ñiện bơm vào lưới không ñổi
ngay khi ñiện áp V
dc
, ñiện áp lưới, tần số lưới
thay ñổi.

2.1. Xác ñịnh ñiện áp E ñể hệ số công suất cao
Nếu bỏ qua các loại tổn thất công suất trên
máy biến áp nâng áp, từ biểu thức (2) ñể hệ số
công suất PF ñạt mức cao hay công suất phản
kháng bơm vào lưới Q = 0 thì:
Ecosδ = U hay E(t)cosδ = U(t) (3)
Để E(t)cosδ = U(t), tín hiệu sóng sin của
lưới ñiện ñược hồi tiếp làm sóng sin ñiều khiển.
Điều này cho phép E luôn bám sát theo U lưới
tỷ lệ không ñổi là cosδ. Khi ñó, dòng ñiện
Inverter I
U
bơm vào lưới ñược ñiều chỉnh tăng
hay giảm hoặc V
dc
thay ñổi và ngay cả khi tần
số lưới biến ñộng thì PF vẫn ở mức cao.
2.2. Xác ñịnh góc lệch δ
δδ
δ ñể I = const
Từ biểu thức (1) và (3), khi Q = 0, dòng
ñiện I ñược tính theo biểu thức (4)

2 2
s
P Q
S P E
I sin
U U U X
+
= = = = δ
(4)
(3), (4) ⇒
s s
U U
I sin tg
X cos X
= δ = δ
δ
(5)
Nhận xét: Theo biểu thức (3) và (5) cho
thấy:
 Điện áp ñầu cuộn kháng luôn phải duy
trì ñiều kiện E(t)cosδ = U(t) ñể ñảm bảo cho
ñiều kiện Q=0 hay hệ số công suất PF ở mức
cao
 Để dòng ñiện I = const, khi U tăng k
lần, thì tgδ phải giảm ñi k lần và ngược lại.
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010

Trang 76 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM
 Khi tần số thay ñổi và ñiện áp không
ñổi, nếu giữ nguyên góc lệch δ thì I = const

2.3. Điều khiển góc lệch δ
δδ
δ theo yêu cầu
Để ñiều khiển dòng ñiện bơm vào lưới
theo (5) và dùng tín hiệu sóng sin của ñiện áp
lưới làm sóng ñiều khiển như ñã nêu tại II.1,
cần phải làm trễ tín hiệu sóng sin này một
khoảng thời gian t ñược tính theo (6)
o
o o o
.T 360
t T T 1
360 360 360 f
δ δ − δ
 
= − = − =
 
 

(6)
Việc làm trễ tín hiệu sóng sin một khoảng
thời gian t như (6) mà không làm biến dạng
sóng là một vấn ñề khó khăn, vì vậy, tín hiệu
sóng sin ñược ñưa ngay vào bộ ñiều chế ñể
thành các xung vuông, sau ñó các xung vuông
này ñược làm trễ một thời gian t (hình 5), bằng
cách này mạch ñiện ñiều khiển sẽ trở nên ñơn
giản hơn.

2.4. Inverter làm việc ổn ñịnh khi V
dc
thay
ñổi
Các thông số như ñiện áp ngõ ra của
inverter E hay góc lệch δ luôn ñược ñiều chỉnh
mỗi khi có sự thay ñổi của lưới ñiện ñể ñảm
bảo ñiều kiện I=const và Q=0. Tuy nhiên, khi
V
dc
của bộ pin mặt trời thay ñổi, việc thay ñổi
các thông số trên không còn phù hợp.
Phương pháp ñiều khiển bộ nghịch lưu
SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation)
[5] dùng bộ tạo sóng sin làm sóng ñiều khiển
và ñược trộn với sóng mang tam giác tần số
cao, cho ra các ñộ rộng xung thay ñổi ñể ñiều
khiển thời gian ñóng ngắt các khóa của bộ
nghịch lưu. Công thức ñược tính như sau.
a 1 dc
E m K V=
(7)
Trong ñó:
E : ñiện áp ngõ ra inverter ñặt vào cuộn
kháng L.
V
dc
: ñiện áp DC của bộ nghịch lưu.
K
1

: tỷ số máy biến áp ñộng lực nâng áp.
m
a
: chỉ số ñiều chế.
s
a
t
V
m
V
=
(8)
Với V
s
là ñiện áp ñỉnh của sóng sin ñiều
khiển và V
t
là ñiện áp ñỉnh của sóng mang tam
giác.
Do lấy tín hiệu ñiện áp lưới U(t) làm sóng
ñiều khiển nên V
s
(t) = K
2
U(t), với K
2
: tỷ số
máy biến áp lấy tín hiệu hồi tiếp. Nên biểu thức
(7) ñược viết lại như sau:
2

1 dc
t
K U(t)
E(t) K V
V
=
(9)
(3) và (9) ⇒
t dc
V V cos= δ
(10)
Trong ñó K
2
ñược chọn ñể K
1
K
2
= 1.
Vậy khi duy trì (10), E(t) sẽ có giá trị biên
ñộ ñỉnh không ñổi bất chấp khi nguồn V
dc
thay
ñổi.
2.5. Sơ ñồ khối của bộ ñiều khiển
Sơ ñồ ñiều khiển và kết nối ñược diễn giải
trên hình 3.
TẠP CHÍ PHÁT TRIỂN KH&CN, TẬP 13, SỐ K5 - 2010

Bản quyền thuộc ĐHQG-HCM Trang 77
Nguồn NL mặt trời

Vdc
bộ nghịch
lưu SPWM
Khoá hoà
ñồng bộ
Nguồn
lưới
U(t)
Biến áp hồi tiếp
tỷ số K2
U(t)=Usin t
Bộ phát
xung tam giác
V
t
= V
dc
cos
δ
Bộ
trễ
Bộ ñiều chế
Biến áp nâng áp
tỷ số K1
Cuộn
kháng L
tần số lưới
tần số lưới
E
U

Hình 3. Sơ ñồ nguyên lý kết nối ñiều khiển
2.6. Sơ ñồ mô phỏng trong MatLab
Sử dụng MatLab là công cụ mô phỏng
phương pháp hòa ñồng bộ nguồn năng lượng
mặt trời cũng như khảo sát các chế ñộ làm việc
của Inverter như: dòng ñiện bơm vào lưới khi
nguồn năng lượng mặt trời, U và tần số lưới
thay ñổi.

Hình 4. Sơ ñồ kết nối trên MatLab
Sơ ñồ kết nối trên hình 4 quan trọng nhất là bộ ñiều khiển xung kích cho bộ nghịch lưu. Hình 5
diễn giải bộ ñiều khiển xung kích.
Science & Technology Development, Vol 13, No.K5- 2010

Trang 78 Bản quyền thuộc ĐHQG.HCM

Hình 5. Sơ ñồ bộ xung kích
Tín hiệu V
dc
ñược ñưa vào bộ ñiều khiển
ñể ñiều chỉnh giá trị ñỉnh của xung tam giác V
t

theo biểu thức (10). Tín hiệu sóng sin ñược lấy
từ biến áp hồi tiếp của lưới ñiện ñược dùng làm
sóng ñiều khiển ñể ñảm bảo biểu thức (3) nên
ñiện áp ñầu ra E(t) luôn bám sát U và ñảm bảo
ñúng tần số f của lưới ñiện. Các bộ trễ nhằm
ñiều khiển góc lệch δ theo biểu thức (6) sao

cho dòng ñiện I inverter bơm vào lưới không
ñổi theo biểu thức (5).
3.KẾT QUẢ MÔ PHỎNG
Mô hình bộ inverter hòa lưới ñiện có công
suất 7000VA, hòa vào lưới ñiện 1 pha 220V
cho hộ gia ñình, mô hình ñược mô phỏng trên
MatLab. Tiến hành khảo sát các nội dung như
sau:
3.1. Khảo sát quan hệ PF và dòng inverter
I
U

Thay ñổi góc lệch δ ñể ñiều khiển dòng
ñiện inverter I
U
bơm vào lưới, xác ñịnh giá trị
hệ số công suất PF bằng cách kiểm tra tỷ số
giữa dòng công suất tác dụng P và Q do
inverter bơm vào lưới. Kết quả khảo sát ñược
trình bày tại bảng 1.
Bảng 1. Khảo sát I
U
và PF của inverter
δ
Độ trễ
Cosδ
I
U
(A)
P(W) Q(Var)

PF
1
0
0.019944 0.9998
1.41
200 10
0.998
3
0
0.019833 0.9986
2.96
650 -20
0.999
15
0
0.019167 0.9659
8.48
1950 -270
0.990
30
0
0.018333 0.8660
18.38
4200 -750
0.984
45
0
0.0175 0.7071
31.11
7065 -1460

0.979
Kết quả tại bảng 1 cho thấy khi dòng tăng
từ 1.41A ñến 31.11 A (giá trị hiệu dụng), hệ số
công suất PF ≈ 1, thể hiện qua giá trị công suất
phảng kháng Q của inverter rất nhỏ so với công