Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới điện

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ CHÍ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Thái Nguyên, Năm 2020


ii

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

VŨ CHÍ CƯỜNG

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHO HỆ
THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN
NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN
MÃ SỐ: 8.52.02.01

LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT ĐIỆN

Người hướng dẫn khoa học

PGS.TS. Nguyễn Hữu Công

Thái Nguyên, Năm 2020


iii

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan luận văn là công trình nghiên cứu của riêng cá nhân, do tơi
tự nghiên cứu, thực hiện và tỏng hợp dựa trên sự hướng dẫn của PGS. TS Nguyễn
Hữu Công- PGĐ Đại học Thái Nguyên.
Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo đã trích dẫn trong phần
tài liệu tham khảo. Các số liệu, chương trình phần mềm và những kết quả nghiên
cứu trong luận văn là trung thực và chưa được cơng bố trong bất kì nghiên cứu nào
khác.
Tơi xin khẳng định về sự trung thực của lời cam đoan trên./.
Thái Nguyên, ngày 18 tháng 09 năm 2020
Học viên

Vũ Chí Cường


iv

LỜI CẢM ƠN
Qua thời gian học tập, nghiên cứu chương trình cao học kỹ thuật điện của
trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, đã giúp tác giả nhận thức sâu sắc về cách
thức nghiên cứu, phương pháp tiếp cận các đối tượng nghiên cứu và lựa chọn đề tài

luận văn tốt nghiệp cao học; đồng thời góp phần nâng cao kiến thức chuyên môn
vững vàng, nâng cao năng lực thực hành, khả năng thích ứng cao trước sự phát triển
của khoa học, kĩ thuật và kinh tế; có khả năng phát hiện, giải quyết độc lập những
vấn đề thuộc chuyên ngành được đào tạo và phục vụ cho công tác được tốt hơn.
Việc thực hiện nhiều bài tập nhóm trong thời gian học đã giúp tác giả sớm tiếp cận
được cách làm, phương pháp nghiên cứu, tạo tiền đề cho việc độc lập trong nghiên
cứu và hoàn thành luận văn này.
Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:
PGS. TS Nguyễn Hữu Công đã giúp đỡ, hướng dẫn hết sức chu đáo, nhiệt tình
trong quá trình thực hiện để tác giả hoàn thành luận văn thạc sĩ này;
Các CBCNV trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tác giả trong quá trình tiến hành thực nghiệm đề tài và bảo vệ luận văn thạc sĩ;
Gia đình, bạn bè của tác giả đã giúp đỡ, tạo điều kiện về thời gian, động viên
tác giả trong q trình thực hiện và hồn thành luận văn này;
Tác giả mong muốn tiếp tục nhận được sự chia sẻ, hỗ trợ và tạo điều kiện
của Hội đồng Chấm luận văn thạc sĩ, để bản luận văn này hoàn thiện hơn.
Xin trân trọng cám ơn!
Lạng Sơn, ngày 16 tháng 07 năm 2020
Tác giả luận văn

Vũ Chí Cường


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ........................................................................................................................i
MỤC LỤC .................................................................................................................................iv
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT .................................................................... vii
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG ................................................................................ix

MỞ ĐẦU .................................................................................................................................... 1
1. Tính cấp thiết của đề tài .......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................................................... 2
3. Phương pháp nghiên cứu ........................................................................................................ 2
4. Những kết quả đạt được .......................................................................................................... 2
5. Cấu trúc của luận văn.............................................................................................................. 3

Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGỒI
NƯỚC ............................................................................................................................ 6
1.1. Phương pháp khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng sạch ................................. 6
1.1.1. Tổng quan về các nguồn năng lượng sạch ................................................. 6
1.1.2. Lợi ích của năng lượng sạch ...................................................................... 8
1.1.3. Các giải pháp về năng lượng của loài người .............................................. 8
1.2. Tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời ......................................................... 9
1.2.1. Tổng quan .................................................................................................. 9
1.2.2. Một số nghiên cứu ngoài nước ................................................................. 14
1.2.3. Một số nghiên cứu trong nước ................................................................. 16
1.3. Kết luận chương 1 .................................................................................................. 20
Chương 2. HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN
QUỐC GIA .................................................................................................................. 21
2.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới .......................................................... 21
2.1.1. Pin mặt trời ............................................................................................... 21
2.1.2. Bộ đóng cắt mềm ..................................................................................... 23
2.1.3. Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter........................................... 23
2.1.4. Bộ nghịch lưu DC/AC.............................................................................. 27
2.1.5. Bộ lọc phía lưới ........................................................................................ 29


vi

2.1.6. Thiết bị điều khiển ................................................................................... 29
2.2. Lý thuyết hòa lưới điện .......................................................................................... 31
2.2.1. Các điều kiện hòa đồng bộ ....................................................................... 31
2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới ......................................................... 33
2.3. Kết luận chương 2 .................................................................................................. 33
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN MẶT TRỜI HÒA LƯỚI . 35
3.1. Lý thuyết về bộ nghịch lưu áp ba pha nối lưới ...................................................... 35
3.1.1. Định nghĩa ................................................................................................ 35
3.1.2. Phân loại ................................................................................................... 36
3.2. Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM..................................................... 38
3.2.1. Thành lập véc tơ không gian .................................................................... 38
3.2.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không gian ..... 29
3.2.3. Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn ........................................... 40
3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống ...................................................................... 45
3.3.1. Mô tả Dàn Pin Mặt trời ............................................................................ 45
3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter .................................. 47
3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC
(Voltage Source Inverter - VSI) .................................................................................... 55
3.4. Kết luận chương 3 .................................................................................................. 63
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ....................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 65


vii

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
Ký hiệu:
IΦ: dòng quang điện (A/m2);
ID: dịng qua điot (A/m2);
IS: dịng bão hồ (A/m2);

n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hồn thiện
cơng nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1;
RS: điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời (/m2);
Rsh: điện trở sơn (điện trở dò) (/m2)
q: điện tích của điện tử (C).
UDC: Điện áp một chiều
Q: hàm đo chất lượng của mạch
UPV, IPV: là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời
UL, IL: là dòng điện ba pha của Lưới điện.
CDC: điện dung của bộ DC link
isu, isv, isw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha
u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới

i

s
s

là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ αβ

i

f
s

là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ dq

isα và isβ là các thành phần dịng thuộc hệ trục tọa độ αβ
θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ
isd và isq là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq

Ts là chu kỳ cắt mẫu
tp, tt là thời gian điều chế
SVM : Phương pháp điều chế vectơ không gian
PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung
Uoc là điện áp hở mạch của Pin mặt trời
Isc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời


viii

DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ
Boost Converter)
DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu)
Chữ viết tắt:
Chữ viết tắt

Biểu diễn

NLMT

Năng lượng mặt trời

PMT

Pin mặt trời

BĐK

Bộ điều khiển

BBĐ

Bộ biến đổi

NL

Nghịch lưu

MPPT

Dị tìm điểm cơng suất cực đại

Ghi chú tiếng anh

Maximum Power Point
Tracking

PWM

Modul điều chế độ rộng xung

Pulse - Width –
Modulation

INC

Tăng độ dẫn

Incremental Conductance

VSI

Nghịch lưu nguồn áp

Voltage Source Inverter

SVM

Điều chế véc tơ không gian

Space Vector Modulation


ix

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ BẢNG
Hình 1.1. Năng lượng sạch không tạo ra những chất thải độc hại ---------------------------------- 5
Hình 1.2. Những tấm pin giúp thu năng lượng từ mặt trời ------------------------------------------ 5
Hình 1.3. Tuabin gió trong hệ thống Năng lượng gió ----------------------------------------------- 6
Hình 1.4. Mơ hình một nhà máy năng lượng địa nhiệt ----------------------------------------------- 7
Hình 1.5. Sơ đồ nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời --------------------------------------------- 10
Hình 1.6. Tấm pin năng lượng mặt trời --------------------------------------------------------------- 11
Hình 1.7. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trờ ----------------------------------------------------- 11
Hình 1.8. Bộ chuyển đổi dịng điện (inverter) ------------------------------------------------------- 12
Hình 1.9. Bộ chuyển nguồn tự động ATS ------------------------------------------------------------ 13
Hình 1.10. Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời -------------------------------------------------- 14

Hình 2.1. Hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới ------------------------------------ 21
Hình 2.2. Sơ đồ tương đương của Pin mặt trời --------------------------------------------------- 22
Hình 2.3. Bộ đóng cắt mềm ------------------------------------------------------------------- 23

Hình 2.4. Bộ Boost Converter đóng cắt bằng MOSFET ---------------------------------- 24
Hình 2.5. Lý tưởng đóng cắt cho mạch tăng áp -------------------------------------------- 24
Hình 2.6. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost Converter ------------------- 27
Hình 2.7. Sơ đồ mạch động lực bộ nghịch lưu DC/AC------------------------------------ 28
Hình 2.8. Bộ lọc phía lưới -------------------------------------------------------------------- 29
Hình 2.9. Sơ đồ nguyên lý điều khiển --------------------------------------------------------------- 31
Hình 3.1. Biểu diễn dịng điện is dưới dạng véc tơ không gian với các phần tử isα và isβ
thuộc hệ tọa độ αβ ---------------------------------------------------------------------------------------- 39

Hình 3.2: Biểu diễn véc tơ khơng gian trên hệ tọa độ dq --------------------------------------- 40
Hình 3.3. Bộ nghịch lưu ba pha nối lưới -------------------------------------------------------------- 41

Hình 3.4. Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch lưu--------------------- 42
Bảng 3.1: Giá trị các điện áp pha và dây của lưới ----------------------------------------------- 42
Hình 3.5. Các véc tơ biên chuẩn và các góc phần sáu----------------------------------------------- 43

Bảng 3.2. Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không ---------------------------------- 45
Hinh 3.6. Sơ đồ điện thay thế tương đương của PIN năng lượng mặt trời------------------- 45
Hình 3.7. Mô phỏng Pin Mặt trời trên Matlab Simulink --------------------------------------- 46
Hình 3.8. Đặc tính dịng áp của dàn Pin ---------------------------------------------------------- 46
Hình 3.9. Đặc tính P-V của dàn pin --------------------------------------------------------------- 47


x

Hình 3.10. Đặc tính dịng áp của dàn Pin mặt trời qua mơ phỏng trên Matlab - Simulink 47
Hình 3.11. Sơ đồ mô phỏng bộ Boost Converter trên Matlab ---------------------------- 48
Hình 3.12. Thơng số mạch Boost Converter ------------------------------------------------ 49
Hình 3.13. Mơ tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT) ------------------------------------------ 49
Hình 3.14. Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển MPPT -------------------------------------- 50

Hình 3.15. Các mạch cung cấp tín hiệu tỷ lệ với công suất đầu vào của máy phát:
(a)- Bằng bộ nhân analog, (b)- Bằng sơn ------------------------------------------------------------- 50
Hình 3.16. Điều chế và giải mã cho q trình duy trì điểm cơng suất cực đại
(MPPT) ------------------------------------------------------------------------------------------- 51
Hình 3.17. Sơ đồ mạch MPPT vi phân ---------------------------------------------------------------- 51

Hình 3.18. Sơ đồ mạch điều chế xung rộng (PWM) --------------------------------------- 52
Hình 3.19. Lưu đồ thuật tốn xác định điểm cơng suất cực đại ------------------------------- 53
Hình 3.20. Sơ đồ mơ tả khối MPPT trên Matlab ------------------------------------------------ 53
Hình 3.21. Đồ thị điện áp đầu vào bộ Boost Converter ----------------------------------------- 54
Hình 3.22. Đồ thị điện áp ra bộ Boost Converter ----------------------------------------------- 54
Hình 3.23. Sơ đồ mơ phỏng điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC ------------------------------ 56
Hình 3.24. Thơng số của mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC--------------------------- 56
Hình 3.25. Sơ đồ mơ tả bộ điều khiển nghịch lưu ----------------------------------------------- 57
Hình 3.26. Khối tính tốn Id ref---------------------------------------------------------------------- 57
Hình 3.27. Khâu điều chỉnh dịng ----------------------------------------------------------------- 57
Hình 3.28. Khối tính tốn Uabc_ref ------------------------------------------------------------------ 58
Hinh 3.29. Mơ tả mạch vịng khóa pha PLL và các khối đo lường ------------------------------- 58

Hình 3.30. Mơ tả bộ chuyển hệ tọa độ ------------------------------------------------------------ 58
Hình 3.31. Mơ tả bộ Phase Lock Loop PLL ------------------------------------------------------ 60
Hình 3.32. Mạch điều khiển tồn hệ thống ------------------------------------------------------- 61
Hình 3.33. Điện áp đầu ra hệ thống có dạng sin chuẩn khi nối lưới -------------------------- 62
Hình 3.34. Dòng điện Id và Iq----------------------------------------------------------------- 62


1

MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo rất lớn, có tiềm năng không
những ở Việt Nam mà cả trên thế giới, đang dần dần thay thế cho năng lượng hóa
thạch dần cạn kiệt. Do đó trong những năm gần đây các kết quả nghiên cứ về hệ
thống điện năng lượng mặt trời đã và đang được đưa vào ứng dụng.
Ở các nước phát triền, việc khai thác sử dụng nguồn năng lượng mặt trời là
rất phổ biến, cơ chế mua bán giữa các hộ sử dụng điện với các cơ quan bán điện
cũng có quy định rất rõ dàng. Cơng nghệ và thiết bị của hệ thống hòa lưới điện cũng
rất hiện đại, tuy nhiên giá thành khá cao.
Ở Việt Nam, điện năng lượng mặt trời cũng được khai thác và sử dụng, tuy
nhiên phần lớn vẫn chỉ dừng lại ở mức sử dụng cục bộ, việc hòa lưới còn nhiều hạn
chế, tuy nhiên Quyết định Số: 11/2017/QĐ-TTg ngày 11/04/ 2017 của Thủ tướng
chính phủ về cơ chế khuyến khích phát triển các dự án điện mặt trời tại việt nam và
Thông tư số 16/2017/TT-BCT ngày 12/09/2017 Quy định về phát triển dự án và
hợp đồng mua bán điện mẫu áp dụng cho các dự án điện mặt trời đã mở ra cho
chúng ta một cơ hội khai thác, sử dụng và bán điện năng lượng mặt trời, đồng thời
khuyến khích phát triển các dự án điện năng lượng mặt trời.
Tuy nhiên, qua phân tích các đề tài, dự án năng lượng mặt trời nối lưới hiện
tại đang ứng dụng ở Việt Nam cho thấy đa số các hệ thống năng lượng mặt trời ở
Việt Nam chủ yếu vẫn là hệ thống khai thác cục bộ, sử dụng và tiêu tốn một hệ
thống Acquy khá lớn để tích trữ năng lượng, ít có những hệ thống hịa lưới điện
Quốc gia. Các thiết bị chủ yếu được nhập ngoại và lắp đặt tại Việt Nam nên giá
thành khá cao, phụ thuộc hoàn toàn vào đối tác nước ngoài khi cần bảo dưỡng, thay
thế, sửa chữa. Chính vì thế vấn đề cần thiết đặt ra là cần tạo ra một hệ thống điện
mặt trời hòa lưới điện Quốc gia mang thương hiệu Việt Nam, trên cơ sở kế thừa và
phát triển các sản phẩm của nước ngoài với một số đặc điểm nổi bật sau:
+ Không sử dụng Acquy để lưu trữ năng lượng nên giảm giá thành đầu tư
Acquy


2

+ Có khả năng bán năng lượng lên lưới, trong trường hợp không sử dụng hết
nguồn năng lượng mặt trời, và ngược lại lấy năng lượng từ lưới khi nguồn năng
lượng mặt trời không đủ cung cấp cho phụ tải.
Bộ Inverter hịa lưới cần được xây dựng thuật tốn để có chế độ thơng minh,
tự dị tìm và đồng bộ pha nhằm kết nối giữa điện năng tạo ra từ hệ pin mặt trời và
điện lưới. Chế độ làm việc thông minh của bộ inverter với việc ưu tiên sử dụng
lượng điện năng từ hệ pin mặt trời để cung cấp trực tiếp cho tải sử dụng sẽ giúp tối
ưu hóa năng lượng từ hệ pin mặt trời.
2. Mục tiêu nghiên cứu
- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện
nay.
- Nghiên cứu lý thuyết về các hệ thống điều khiển thông minh.
- Xây dựng thành cơng mơ hình mơ phỏng hệ thống năng lượng mặt trời nối
lưới bằng phần mềm Matlab Simulink
3. Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết tổng quan về đối tượng điều khiển, các bộ điều khiển
và xây dựng thành cơng thuật tốn điều khiển cho đối tượng là hệ thống năng lượng
mặt trời hòa lưới.
4. Những kết quả đạt được
Luận văn đã đạt được một số yêu cầu như sau:
- Tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời
- Phân tích, đánh giá một số nghiên cứu ngồi nước
- Phân tích, đánh giá một số nghiên cứu trong nước
- Thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới
- Mô phỏng hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới trên phần mềm Matlab Simulink
- Kết quả của luận văn là nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng
dạy trong nhà trường; Làm tài liệu tham khảo cho các chuyên gia và cán bộ kỹ thuật
ngành Điện lực.

3

5. Cấu trúc của luận văn
Tính cấp thiết của đề tài được trình bày ở phần mở đầu của luận văn. Chương I
của luận văn trình bày tổng quan về hệ thống điện năng lượng mặt trời, các thành
phần cơ bản của chúng, đánh giá một số nghiên cứu trong và ngồi nước. Chương II
xây dựng mơ hình thiết kế hệ thống điện năng lượng mặt trời, tính chọn mạch động
lực. Chương III thiết kế hệ thống điều khiển cho điện năng lượng mặt trời nối lưới,
đồng thời mơ hình hóa và mơ phỏng trên phần mềm Matlab Simulink. Các kết luận
và kiến nghị được mô tả ở cuối chương 3.


4

Chương 1. TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU TRONG
VÀ NGỒI NƯỚC
1.1. Phương pháp khai thác, sử dụng các nguồn năng lượng sạch
1.1.1. Tổng quan về các nguồn năng lượng sạch
Hiện nay xu hướng tồn cầu hóa đang tập trung hướng tới mục tiêu bảo vệ mơi
trường. Chính vì thế năng lượng sạch đang không ngừng được chú trọng và sử dụng
rộng rãi. Đặc biệt, Việt Nam là một trong các khu vực địa lý có điều kiện tự nhiên
thuận lợi nhất để phát triển mạnh các nguồn năng lượng sạch. Vậy năng lượng sạch
là gì? Các dạng năng lượng sạch là gì?
Khi mà tình trạng sử dụng các nguồn nguyên liệu từ than đá, dầu mỏ, khí
đốt,… Đang gây ra những ảnh hưởng vô cùng nghiêm trọng tới môi trường. Đặc
biệt là những hiện tượng hiệu ứng nhà kính, mưa axit, ơ nhiễm khơng khí, ơ
nhiễm nước, đất,… Đã và đang tác động trực tiếp đến đời sống sức khỏe của
người dân. Theo đó, một dang năng lượng mới được phát hiện ra. Đó chính là,
năng lượng sạch.

Năng lượng sạch là dạng năng lượng mà trong q trình sinh cơng bản thân nó
khơng tạo ra những chất thải độc hại gây ảnh hưởng cho môi trường xung quanh.
Thông thường, các nguồn năng lượng sạch đều có sẵn từ thiên nhiên hoặc là chế
phẩm của các sản phẩm tự nhiên nên khơng gây ơ nhiễm, ít bị cạn kiệt. Điển hình
như năng lượng nước, năng lượng gió, năng lượng mặt trời,…Các nguồn năng
lượng phải dựa trên cơ sở sử dụng công nghệ chuyển hóa năng lượng sạch. Đảm
bảo thân thiệt đối với mơi trường trong suốt q trình sản xuất. Đồng thời, các nơi
sản xuất năng lượng sạch cũng phải đảm bảo quy trình thực hiện đúng với quy định
bảo vệ môi trường.
Hiện nay trên thế giới, ngành công nghiệp năng lượng sạch vơ cùng phát triển.
Ngày càng có nhiều loại năng lượng sạch được phát hiện và thử nghiệm. Điển hình
như: Pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời, gió, nước, dầu thực vật phế thải, năng
lượng tuyết, năng lượng lên men, năng lượng địa nhiệt, khí Metan Hydrate,…


5

Hình 1.1. Năng lượng sạch khơng tạo ra những chất thải độc hại
Năng lượng mặt trời
Năng lượng lượng mặt trời sử dụng những tấm pin bán dẫn để thu lại bức xạ
ánh sáng và nhiệt từ Mặt trời. Sau đó sử dụng để cung cấp cho thiết bị khác như
bóng đèn, bình nước nóng, các thiết bị điện,… Các nước Nhật Bản, Mỹ và một số
quốc gia Tây Âu là những nơi đi đầu trong việc sử dụng nguồn năng lượng mặt trời
(từ những năm 50 ở thế kỷ trước). Tại nước ta, công nghệ này được sử dụng nhiều ở
khu vực các tỉnh Tây Nguyên và Nam Trung Bộ.

Hình 1.2. Những tấm pin giúp thu năng lượng từ mặt trời


6

Năng lượng nước
Việc sử dụng nước từ sơng suối chính là một nguồn năng lượng sạch được ứng
dụng nhiều nhất ở nước ta. Thủy điện dựa vào sức nước ở các con sông lớn để làm
quay tua bin sinh ra điện. Ngoài ra, nguồn năng lượng từ đại dương cũng vơ cùng
phong phú. Sóng và thủy triều được sử dụng để quay các turbin phát điện. Nguồn
điện sản xuất ra có thể dùng trực tiếp cho các thiết bị đang vận hành trên biển. Như
hải đăng, phao, cầu cảng, hệ thống hoa tiêu dẫn đường,…
Năng lượng gió
Năng lượng gió được coi là nguồn năng lượng xanh dồi dào và phong phú
nhất hiện nay, nó có mặt ở mọi nơi. Người ta sử dụng sức gió để quay các tua bin
phát điện để sử dụng trong cuộc sống. Hiện nay tại Việt Nam, với điều kiện địa lý
thuận lợi bờ biển dài, lượng gió nhiều và phân bổ đều quanh năm. Đây sẽ là một
dạng năng lượng được chú trọng phát triển ở hiện tại và tương lai.

Hình 1.3. Tuabin gió trong hệ thống Năng lượng gió
Năng lượng từ tuyết
Hiệp hội nghiên cứu năng lượng thiên nhiên ở Bihai của Nhật đã thành công
trong việc ứng dụng tuyết để làm lạnh các kho hàng. Cũng như làm điều hịa
khơng khí ở những tịa nhà khi thời tiết nóng bức. Theo dự án này, tuyết được
chứa trong các nhà kho để giữ nhiệt độ kho từ 0 oC đến 4oC. Đây là mức nhiệt độ
lý tưởng dùng để bảo quản nông sản vì vậy mà giảm được chi phí sản xuất và
giảm giá thành sản phẩm.


7

Năng lượng địa nhiệt
Đây là nguồn năng lượng nằm sâu dưới lòng những hòn đảo, núi lửa. Nguồn
năng lượng này có thể thu được bằng cách hút nước nóng từ hàng nghìn mét sâu

dưới lịng đất để chạy turbin điện. Tại nước ta, việc nghiên cứu nguồn năng lượng
địa nhiệt được bắt đầu từ những năm 80,90 của thế kỷ 20. Qua quá trình điều tra,
đánh giá sơ bộ tiềm năng của các nguồn địa nhiệt trên cả nước. Tuy nhiên đến nay,
nguồn năng lượng này vẫn chưa được khai thác.

Hình 1.4. Mơ hình một nhà máy năng lượng địa nhiệt
Pin nhiên liệu
Pin nhiên liệu là kỹ thuật có thể cung cấp năng lượng cho con người. Mà
không phát ra khí thải CO2 hay bất kỳ loại khí độc nào khác. Pin nhiên liệu sản sinh
điện năng trực tiếp bằng phản ứng giữa hydro và oxy hay methanol và oxy. Trong
đó hydro xuất hiện ở các nguồn khí thiên nhiên và metanol lấy từ chất thải sinh. Do
không bị đốt cháy nên chúng khơng phát ra các khí thải độc hại.
Đi đầu trong lĩnh vực này là Nhật Bản. Quốc gia này sản xuất được nhiều
nguồn pin nhiên liệu khác nhau. Dùng cho xe phương tiện giao thông, ôtô, các thiết
bị dân dụng như điện thoại di động,…
Năng lượng sạch từ sự lên men sinh học
Nguồn năng lượng này được tạo bởi sự lên men sinh học các đồ phế thải sinh
hoạt. Theo đó, người ta sẽ phân loại và đưa chúng vào những bể chứa. Để cho lên


8

men nhằm tạo ra khí metan. Khí đốt này sẽ làm cho động cơ hoạt động từ đó sản
sinh ra điện năng. Sau khi q trình phân hủy hồn tất, phần cịn lại được sử dụng
để làm phân bón.
Khí Mêtan hydrate
Khí Mêtan hydrate được coi là nguồn năng lượng tiềm ẩn nằm sâu dưới lịng
đất. Có màu trắng dạng như nước đá. Đây là một chất kết tinh bao gồm phân tử
nước và metan. Nó ổn định ở điều kiện nhiệt độ thấp và áp suất cao. Phần lớn được
tìm thấy bên dưới lớp băng vĩnh cửu và những tầng địa chất sâu bên dưới lòng đại

dương. Đây là nguồn nguyên liệu thay thế cho dầu lửa và than đá rất tốt.
1.1.2. Lợi ích của năng lượng sạch
Đối với mơi trường và con người: Năng lượng sạch góp phần giảm thiểu các
tác động tiêu cực đến mơi trường. Theo đó, khi sử dụng loại năng lượng này sẽ giúp
con người giảm bớt lượng khí thải ảnh hưởng xấu đến mơi trường sống xung quanh
ta. Cũng theo đó mà đảm bảo sức khỏe của con người
Đối với đất nước: Sử dụng năng lượng sạch liên quan trực tiếp đến sự hình
thành lối sống văn minh và phát triển bền vững của một quốc gia. Ngồi ra, nó cịn
tạo tiềm năng kinh tế vùng. Và phát triển mạnh mẽ an ninh năng lượng của cả đất
nước.
Khi mà tình trạng khan hiếm nhiên liệu ngày càng gia tăng như hiện nay. Việc
sử dụng nguồn năng lượng hóa thạch đang ngày một cạn kiệt. Trái đất đang nóng
lên từng ngày vì sự biến đổi khí hậu do ơ nhiễm mơi trường. Chính vì thế năng
lượng sạch đang là một hướng đi của tương lai.
1.1.3. Các giải pháp về năng lượng của loài người
Chiến lược năng lượng thế giới
Hằng năm cả thế giới tiêu thụ nguồn nhiên liệu tương đương 8 tỷ tấn dầu
quy đổi( Theo báo cáo của LHQ), trong đó có 90% có nguồn gốc từ nhiên liệu hóa
thạch như: dầu, than đá, khí đốt tự nhiên. Khối lượng lớn nhiên liệu này bị đốt cháy
sẽ thải vào môi trường 37.051.670 tấn CO2. Chiến lược và chính sách năng lượng
thế giới đề ra một số hành động ưu tiên sau:


9

- Soạn thảo những chiến lược quốc gia về năng lượng cho thời gian 30
năm tới.
- Hạn chế sử dụng các loại nhiên liệu hóa thạch, sự lãng phí trong phân phối
năng lượng và ô nhiễm môi trường trong sản xuất năng lượng thương mại.
- Phát triển các nguồn năng lượng tái tạo được và năng lượng khơgn hóa

thạch.
- Sử dụng năng lượng có hiệu quả cao hơn nữa.
- Phát động các chiến dịch truyền thông để tiết kiệm hơn nữa.
Trong bối cảnh môi trường thế giới đang bị biến động mạnh bởi sự gia tăng
hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu tồn cầu, thì việc giảm bớt sự phát thải khí
nhà kính đang là vấn đề cần được ưu tiên của các tổ chức quốc tế và các quốc gia
thành viên.
Một số ý kiến khác cho rằng, sử dụng phương án TQM về cải tiến chất lượng.
TQM là một phương pháp tổng hợp vừa có cơ sở lý thuyết, vừa có ứng dụng hệ
thống các cơng cụ và kỹ thuật giải quyết vấn đề, và là một phương pháp khó phản
bác. Tuy nhiên, phương pháp TQM chưa đáp ứng đủ yêu cầu nếu nó chỉ được áp
dụng một cách riêng lẻ. TQM có thể đạt được chất tốt nếu biết sử dụng tốt các
nguồn lực của mình, nó là bài tốn đố có thể giúp giải quyết chống ô nhiễm.
Chiến lược năng lượng ở Việt Nam
Hiện nay, Việt Nam vẫn chưa có một chiến lược và chính sách năng lượng.
Tuy nhiên, dựa vào các văn bản liên quan đến bảo vệ mơi trường quốc gia thì có thể
phát thảo một khung chiến lược năng lượng Việt Nam, gồm các điểm sau: Chiến
lược về nguồn năng lượng; Chiến lược tiết kiệm tiêu dùng năng lượng thương mại;
Chiến lược ưu tiên phát triển và sử dụng năng lượng sạch, năng lượng tái tạo quy
mô nhỏ.

1.2. Tổng quan hệ thống điện năng lượng mặt trời
1.2.1. Tổng quan
Năm 1954, các nhà khoa học đã phát hiện ra rằng silicon, một nguyên tố được
tìm thấy trong cát, đã tạo ra một điện tích khi nó tiếp xúc với ánh sáng mặt trời.


10

Phát hiện này đã dẫn đến sự phát triển của tấm pin thu năng lượng mặt trời và biến

chúng thành điện năng. Kể từ đó, cơng nghệ đã phát triển và các hệ thống năng
lượng mặt trời ra đời, phát triển và hiện đáng được lắp đặt nhiều để cung cấp những
lợi ích về tài chính và mơi trường vơ cùng hấp dẫn cho các chủ nhà, doanh nghiệp
và phi lợi nhuận trên khắp thế giới.
Nhờ có pin mặt trời, chúng ta có quyền tiếp cận vào một nguồn năng lượng vô
tận - ánh sáng mặt trời. Trong suốt cả ngày, các tế bào trên các tấm pin của chúng ta
hấp thụ năng lượng từ ánh sáng mặt trời. Mạch trong các tế bào thu thập năng lượng
đó và biến nó thành dịng điện trực tiếp (DC). Điện DC được truyền qua một thiết bị
gọi là biến tần để chuyển đổi thành điện xoay chiều (AC) được sử dụng bởi hầu hết
các gia đình và doanh nghiệp. Chúng ta có thể sử dụng điện đó trong nhà, lưu trữ
bằng ắc quy hoặc gửi lại vào lưới điện Quốc Gia.

Hình 1.5. Sơ đồ nối lưới hệ thống năng lượng mặt trời
Những thành phần tạo nên một hệ thống điện năng lượng mặt trời:
+ Tấm pin quang điện mặt trời (solar panel) + khung giá đỡ
+ Bộ điều khiển sạc
+ Bộ chuyển đổi dòng điện (INVERTER)
+ Hệ thống chuyển nguồn tự động ATS
+ Hệ thống giám sát hiệu suất điện năng lượng mặt trời
+ Hệ thống lưu trữ điện mặt trời (Bình acquy)


11

a. Tấm năng lượng mặt trời: Các tấm pin đóng vài trò thu thập và chuyển
đổi năng lượng mặt trời (quang năng) thành điện năng. Chúng là thành phần chính
của hệ thống pin mặt trời. Các tấm phổ biến nhất hiện nay là tấm pin mặt trời đa
tinh thể hoặc đơn tinh thể.

Hình 1.6. Tấm pin năng lượng mặt trời

Sự khác biệt chính giữa các tấm đa tinh thể và đơn tinh thể là về hiệu quả và
chi phí. Thơng thường, các tấm đơn tinh thể cho hiệu quả cao hơn (và do đó đắt
hơn) so với các tấm đa tinh thể. Nhưng xét về độ phổ biến thì tấm đa tinh thể lại
chiếm ưu thế, có lẻ là do giá rẻ hơn.
b. Bộ điều khiển sạc
Đây cũng là bộ phận không kém phần quan trong trong sơ đồ hệ thống điện
năng lượng mặt trời. Nó có nhiệm vụ điều khiển việc lấy điện từ tấm pin mặt trời
sạc bình ắc quy, ổn áp cho dòng điện. Đảm bảo cho bình ắc quy khơng bao giờ bị
q tải hay xả quá sâu. Giúp bảo vệ an toàn bào tăng tuổi thọ cho bình ắc quy lưu
trữ. Ngồi ra nó giúp hệ thống pin mặt trời sử dụng hiệu quả và lâu dài hơn.

Hình 1.7. Bộ điều khiển sạc năng lượng mặt trời


12

Bộ điều khiển sạc mặt trời còn cho ta biết được tình trạng các ắc quy được sạc
điện từ tấm pin mặt trời thế nào. Vì vậy nó cho người sử dụng kiểm sốt được tình
trạng của hệ thống và các phụ tải.
Công dụng cuối cùng của bộ điều khiển sạc mặt trời đó là bảo vệ nạp khơng
vượt q điện thế cho phép. Đảm bảo nó ln dao động từ 13,8 V đến 10,5V. Mạch
của bộ điều khiển sẻ tự động ngắt điện khi bình ắc quy đã đầy hoặc điện thế không
đảm bảo mức cho phép.
c. Bộ chuyển đổi dòng điện (Inverter):
Các tế bào trong các tấm pin thu thập năng lượng mặt trời và biến nó thành
dịng điện một chiều (DC). Tuy nhiên, hầu hết các gia đình và doanh nghiệp sử
dụng dịng điện xoay chiều (AC). Bộ Bộ chuyển đổi dòng điện này sẽ thay đổi điện
một chiều từ các tấm pin thành điện xoay chiều có thể sử dụng được.

Hình 1.8. Bộ chuyển đổi dịng điện (inverter)

Có hai loại inverter:
+ Inverter dạng chuỗi (hoặc tập trung): Một Bộ chuyển đổi dòng điện duy nhất
được sử dụng để kết nối toàn bộ mảng pin mặt trời. Bộ Inverter chuỗi ít tốn kém
nhất và chi phí thấp hơn so với Inverter vi mô. Tuy nhiên, nếu một trong các tấm
PIN ngừng sản xuất điện hoặc bị bóng che mất nắng, nó có thể làm giảm hiệu suất
của toàn hệ thống.


13

+ Inverter dạng vi mô: Một bộ Bộ chuyển đổi dòng điện sẽ được lắp đặt ở mỗi
tấm pin năng lượng mặt trời, cho phép các tấm PIN phát điện độc lập. Nếu một số
tấm pin bị bóng che vào các thời điểm khác nhau trong ngày hoặc nếu chúng không
được cài đặt cùng hướng, các bộ Inverter vi mô sẽ giảm thiểu các vấn đề về hiệu
suất. Chi phí của bộ Bộ Inverter vi mơ có cao hơn chi phí của bộ Bộ chuyển đổi
dịng điện chuỗi.
d. Hệ thống chuyển đổi nguồn tự động ATS
Thiết bị này chỉ sử dụng cho sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời nối
lưới. Còn hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập thì khơng có. Nó có cơng dụng
để chuyển mạch điện mặt trời và điện lưới tùy vào tình trạng sử dụng điện khi phối
hợp cả hai nguồn điện.
Hệ thống điện mặt trời khi đã sạc đầy bình ắc quy lưu trữ thì thiết bị này sẽ
giúp tự động chuyển nguồn điện sang điện lưới. Hoặc khi hệ thống điện mặt trời
khơng đủ cung cấp điện cho tải nó sẽ tự động chuyển sang điện lưới. Nếu hệ thống
của chúng ta không sử dụng bộ chuyển đổi tự động thơng minh ATS. Chúng ta có
thể sử dụng những loại cầu dao chuyển mạch thủ cơng khác.

Hình 1.9. Bộ chuyển nguồn tự động ATS
e. Hệ thống giám sát hiệu suất điện năng lượng mặt trời
Hệ thống có thể xác định được hiệu suất các tấm pin mặt trời, cho biết lượng

điện tạo ra /1 giờ và nó có thể xác định được các thay đổi hiệu suất hoặc có điều gì
bất thường trong quá trình lắp đặt…


14

Có hai loại hệ thống giám sát:
Giám sát tại chỗ: Thiết bị giám sát được đặt trên thực tế trên tài sản của chúng
ta và ghi lại lượng điện được sản xuất.
Giám sát từ xa: Hệ thống PV năng lượng mặt trời của chúng ta truyền dữ liệu
hiệu suất của nó đến một dịch vụ giám sát mà chúng ta có thể truy cập trực tuyến
hoặc bằng thiết bị di động.

Hình 1.10. Hệ thống giám sát năng lượng mặt trời
f. Bình ắc quy lưu trữ
Bình ắc quy chỉ sử dụng cho sơ đồ hệ thống điện năng lượng mặt trời hịa lưới
có lưu trữ và điện năng lượng mặt trời độc lập. Bình ắc quy có nhiệm vụ lưu trữ
điện để sử dụng cho tải vào ban đêm hoặc những ngày khơng có nắng.
1.2.2. Một số nghiên cứu ngồi nước
Nhận thấy tầm quan trọng của hệ thống năng lượng sạch nói chung, năng
lượng mặt trời nói riêng. Trong những năm qua đã có nhiều nghiên cứu nhằm tìm ra
giải pháp tối ưu trong việc chế tạo, sản xuất các thiết bị của hệ thống điện năng
lượng mặt trời.
Một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha [1] với kỹ thuật hai
tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch
tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu
PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4
điốt

15

và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, 1/2Vdc, và - Vdc. Một thuật tốn điều khiển dịng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ
sung trong DSP TMS320F2812 để giữ dịng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính
động cao với tổng độ méo dạng sóng hài thấp. Kết quả nghiên cứu đã tạo ra dòng
điện bơm vào lưới hình sin; Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài thấp
hơn (7,5% so với 3 bậc thơng thường là 12,8%). Tác giả sử dụng thuật tốn dị tìm
điểm cơng suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc của đường cong I-V ở giá trị
cực đại. Thuật tốn đảm bảo rằng cơng suất cực đại được phân phối từ các dãy pin
mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào. Dòng và áp lưới cùng pha ở hệ số cơng
suất gần bằng 1 (0,99), Kích cỡ bộ lọc nhỏ; Nhiễu điện từ thấp. Tuy nhiên hiệu suất
đưa ra (90%) thấp hơn so với hiệu suất khi sử dụng 3 bậc thông thường (92%).
Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thơng số sai lệch cho phép; Không
đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp nguồn lưới bị sự
cố và mất điện.
Để đạt được dòng điện ngõ ra gần hình sin, nâng cao chất lượng điện năng,
và giảm tổn thất năng lượng, nghiên cứu [2] trình bày một hệ thống điều hịa cơng
suất nối lưới pin mặt trời dựa trên nguyên tắc đa bậc lai. Trong cấu trúc được đưa
ra, mỗi pha của hệ thống bao gồm hai bộ chuyển đổi cầu H, và hai bộ chuyển đổi
được nối bởi hai máy biến áp lưới để phát ra 9 mức điện áp. Một bộ bù công suất
phản kháng tính hợp, theo cách này, chất lượng lượng điện năng trong hệ thống
điện được nâng lên. Sau đó, phương pháp điều chế độ rộng xung vector không gian
được áp dụng trong bài báo này, phương pháp này có thể giải quyết sự thiếu ứng
dụng của phương pháp PWM lai. Các kết quả mơ phỏng trên phịng thí nghiệm
380V/13kW đã chứng minh: Hệ thống có thể Phát ra dạng sóng điện áp ngõ ra chất
lượng cao (lượng hài thấp 2%). Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rị của các MBA
ghép tầng. Một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng truy tìm điểm
cơng suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái cân bằng. Cách ly được
dịng DC và lưới thơng qua việc sử dụng các máy biến áp ghép tầng. Tuy nhiên,
nghiên cứu khơng thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho