Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha

i

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG

PHẠM THỊ THOAN

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 3 PHA

Ngành: kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
Mã số: 8520216

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA
NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

PGS.TS. LẠI KHẮC LÃI

Thái Nguyên - 2020


22

MỤC LỤC
MỤC LỤC ..........................................................................................................................i
LỜI CAM ĐOAN ..............................................................................................................v
LỜI CẢM ƠN ...................................................................................................................vi
DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ...................................................... vii
DANH MỤC CÁC BẢNG ...............................................................................................ix
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ ......................................................................x

MỞ ĐẦU ...........................................................................................................................1
1.
Tính
cấp
thiết
của
đề
tài
.................................................................................................1
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .......................................................................................2
3. Mục tiêu nghiên cứu. .....................................................................................................2
4. Đối tượng nghiên cứu. ...................................................................................................2
5. Phương pháp nghiên cứu ...............................................................................................3
6. Bố cục luận văn..............................................................................................................3
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI ......................4
1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC) ...............................................................4
1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC................................................................................4
1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li...........................................................................4
1.1.2.1.
Mạch
Buck
............................................................................................................4
1.1.2.1. Mạch Boost ...........................................................................................................5
1.1.2.3. Mạch Buck – Boost...............................................................................................6
1.1.2.4. Mạch Cuk..............................................................................................................7
1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly ...............................................................................9
1.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC .............................................................................10
1.1.4.1. Mạch vòng điều khiển điện áp............................................................................10
1.1.4.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện........................................................................11
1.2. BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter) ......................11

1.2.1. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha .........................................11
1.2.2. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha............................................12
1.3. Các phép chuyển đổi.................................................................................................14
1.3.1. Các hệ trục tọa độ ..................................................................................................14
1.3.1.1. Hệ trục tọa độ tự nhiên .......................................................................................14
1.3.1.2. Hệ trục tọa độ cố định αβ....................................................................................16
1.3.1.3.
Hệ
trục
tọa
độ
quay
dq
........................................................................................17
1.3.2. Các phép chuyển đổi..............................................................................................17


33

1.3.2.1. Biến đổi hệ thống ba pha sang 2 pha ..................................................................17
1.3.2.2. Chuyển đổi hệ thống một pha sang hai pha ........................................................19
1.4. Điều chế độ rộng xung (PWM - Pulse Width Modulation)......................................21
1.4.1. Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang (CB-PWM) ......................................21
1.4.2. Điều chế véc tơ không gian (SVM) ......................................................................22
1.5. Điều khiển bộ chuyển đổi DC-AC............................................................................23
1.5.1. Bộ điều khiển PI ....................................................................................................24
1.5.2. Bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ (PR - Proportional Resonant)..............................24
1.5.3. Bộ điều khiển phản hồi trạng thái..........................................................................25
1.6. Vấn đề hòa nguồn điện với lưới................................................................................26
1.6.1. Các điều kiện hòa đồng bộ.....................................................................................26

1.6.1.1. Điều kiện về tần số..............................................................................................26
1.6.1.2. Điều kiện về điện áp ...........................................................................................26
1.6.1.3. Điều kiện về pha .................................................................................................27
1.6.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới ......................................................................27
1.7. Kết luận chương 1.....................................................................................................28
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ................................................................29
2.1. Năng lượng mặt trời..................................................................................................29
2.1.1. Cấu trúc của mặt trời..............................................................................................29
2.1.2. Năng lượng mặt trời...............................................................................................30
2.1.3. Phổ bức xạ mặt trời................................................................................................31
2.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt trái đất.................................................33
2.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời.............................................................................................33
2.1.4.2. Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng qua
lớp khí quyển (air mass). .................................................................................................36
2.1.4.3. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian ..............................................37
2.1.4.4. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian ..........................................37
2.2. Khai thác, sử dụng trực tiếp năng lượng mặt trời .....................................................38
2.2.1. Thiết bị sấy khô dùng NLMT ................................................................................39
2.2.2. Thiết bị chưng cất nước sử dụng NLMT ...............................................................39
2.2.3. Động cơ stirling chạy bằng NLMT........................................................................40
2.2.4. Bếp nấu dùng NLMT .............................................................................................40
2.2.5. Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời ................................................41
2.2.6. Thiết bị làm lạnh và điều hịa khơng khí dùng NLMT ..........................................42
2.2.7. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời .................................................43


44

2.3. PIN mặt trời ..............................................................................................................43
2.3.1. Khái niệm...............................................................................................................43

2.3.2. Mơ hình tốn và đặc tính làm việc của pin mặt trời ..............................................44
2.4. Hệ thống điện mặt trời ..............................................................................................46
2.4.1. Ý nghĩa hệ thống điện mặt trời ..............................................................................46
2.4.2. Hệ thống điện mặt trời làm việc độc lập................................................................48
2.4.3. Hệ thống điện mặt trời nối lưới .............................................................................49
2.4.3.1. Sơ đồ khối hệ thống ............................................................................................49
2.4.3.2. Điều khiển trong hệ thống điện mặt trời nối lưới ...............................................49
2.5. Kết luận chương 2.....................................................................................................50
CHƯƠNG 3. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
3 PHA ..............................................................................................................................51
3.1. Giới thiệu ..................................................................................................................51
3.2. Cấu trúc hệ thống điện mặt trời 3 pha nối lưới.........................................................51
3.2.1 Sơ đồ khối ...............................................................................................................51
3.2.2. Xây dựng mơ hình tốn học các khối chức năng...................................................52
3.2.2.1. Mơ hình tốn máy phát quang điện (Photovoltaic Generator - PVG) ................52
3.2.2.2. Mơ hình tốn học bộ chuyển đổi DC/DC ...........................................................53
3.2.2.3. Mơ hình tốn Bus một chiều (DC Bus) ..............................................................54
3.2.2.4. Mơ hình nghịch lưu nối lưới 3 pha (Inverter).....................................................54
3.2.2.5. Mơ hình lưới (Grid) ............................................................................................55
3.3. Điều khiển theo dõi điểm làm việc có cơng suất cực đại .........................................55
3.4. Điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng cho biến tần 3 pha nối lưới57
3.4.1. Nguyên tắc điều khiển công suất ...........................................................................57
3.4.2. Công suất 3 pha trên các hệ qui chiếu khác nhau ..................................................58
3.4.3. Sơ đồ điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng.............................59
3.5. Mô phỏng hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha ......................................................61
3.5.1. Sơ đồ số liệu và kịch bản mô phỏng ......................................................................61
3.5.2. Kết quả mô phỏng..................................................................................................62
3.5.3. Nhận xét .................................................................................................................66
3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 .........................................................................................67
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .........................................................................................68

1. Kết luận:.......................................................................................................................68
2. Kiến nghị: ....................................................................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................69


55

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Phạm Thị Thoan
Sinh ngày 01 tháng 09 năm 1984
Học viên lớp cao học CĐK17A - Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái Nguyên
Hiện đang công tác tại Khoa Điện tử, Tin học- Trường Cao đẳng Cơ điện và Xây
dựng Bắc Ninh.
Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ thống điện
mặt trời nối lưới 3 pha” do PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của
riêng tơi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết
quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ cơng trình
nào khác. Nếu sai tơi xin chịu hồn toàn trách nhiệm.

Bắc Ninh, Ngày tháng năm 2020
Tác giả luận văn

Phạm Thị Thoan


66

LỜI CẢM ƠN
Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của

thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Nghiên cứu điều khiển công suất hệ
thống điện mặt trời nối lưới 3 pha” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc
đến:
Thầy giáo hướng dẫn PGS. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hồn
thành luận văn này.
Phịng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Kỹ thuật điều khiển
và tự động hóa- Trường Đại học Công nghệ thông tin và Truyền thông - Đại học Thái
Nguyên
đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài.
Tồn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp
đỡ tác giả trong suốt q trình học tập và hồn thành luận văn.
Bắc Ninh, Ngày tháng năm 2020
Tác giả luận văn

Phạm Thị Thoan


77

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT
STT

Ký hiệu

Chú thích

1

NLMT

2

PMT

Pin mặt trời

3

BĐK

Bộ điều khiển

4

BBĐ

Bộ biến đổi

5

DC-DC

Bộ biến đổi một chiều- một chiểu

6

DC-AC

Bộ biến đổi một chiều- xoay chiều

7

PV

8

MPPT

Maximum Power Point Tracking

9

PWM

Pules- With- Modulation

10

CB- PWM

Carrier Based Pulse With

11

ZSS

Zero sequence signal

12

SVM

Space vector Modulation

13

CC

Current Control

14

VC

Voltage Control

15

VSI

Voltage Source Inverter

16

IN

Cường độ bức xạ mặt trời (w/m2)

17

UPV, IPV

18

Igc

19

I0

Dịng bão hịa (A)

20

q

Điện tích của điện tử; q= 1,6.10-19 (C)

21

K

Hằng số Boltzman (J/K)

22

TC

Nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện (0K)

23

ID, UD

24

ISC

25

UOC

26

G

Năng lượng mặt trời

Tế bào quang điện

Điện áp và dòng điện của dàn pin mặt trời
Dòng quang điện (A)

Dòng điện (A), điện áp trên diode (V)
(Short circuit current): Dòng điện ngắn mạch của
PV
Điện áp hở mạch của Pin mặt trời
2

Bức xạ mặt trời (Kw/m )

viii

27

D

28

Ton

29

T

30

fDC

31

IL1, IL2

32

UC1, UC2

33

tK

34

PLL

Hệ số làm việc
Thời gian khóa K mở
Chu kỳ làm việc của khóa
Tần số đóng cắt
Dịng điện của cuộn cảm L1, L2
Điện áp trên tụ C1, C2
Thời điểm lấy mẫu
Vịng khóa pha


9x

DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng

Tên bảng

Bảng 2.1

Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng

Bảng 2.2

Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời

Trang


10
x

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1. 1: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck ......................................................................5
Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost .....................................................................6
Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost .........................................................6
Hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk.....................................................................................7
Hình 1. 5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thơng dịng.....................................8
Hình 1. 6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng .....................................................8
Hình 1. 7: Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly...........................................................10
Hình 1. 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển điện áp .........................................11
Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển dịng điện .....................................11
Hình 1. 10: Sơ đồ mạch nghịch lưu áp cầu 1 pha và đồ thị ......................................12
Hình 1. 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha.................................................................13
Hình 1. 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha.........................14
Hình 1. 13: Chuyển đổi từ hệ tọa độ abc sang hệ tọa độ αβ .....................................18
Hình 1. 14: Chuyển đổi từ hệ qui chiếu αβ sang hệ qui chiếu dq .............................19
Hình 1. 15: Cấu trúc của SOGI .................................................................................20
Hình 1. 16: Điều chế độ rộng xung dựa trên sóng mang hình sin ............................22
Hình 1. 17: Biểu diễn véc tơ khơng gian của điện áp ra ...........................................22
Hình 2. 1: Cấu trúc của mặt trời................................................................................30
Hình 2. 2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời...................................................31
Hình 2. 3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) .........................................33
Hình 2. 4: Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển ...........................34

Hình 2. 5: Định nghĩa và cách xác định air mass......................................................37
Hình 2. 6: Thiết bị sấy thực phẩm dùng NLMT .......................................................39
Hình 2. 7: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT ......................................................39
Hình 2. 8: Động cơ stirling chạy bằng NLMT..........................................................40
Hình 2. 9: Bếp nấu dùng NLMT ...............................................................................41
Hình 2. 10: Bình nước nóng Thái Dương Năng........................................................41
Hình 2. 11: Thiết bị làm lạnh và điều hịa khơng khí dùng NLMT ..........................42
Hình 2. 12: Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời..................................................43


11
x

Hình 2. 13: Mạch tương đương của modul PV .........................................................44
Hình 2. 14: Quan hệ I(U) và P(U) của PV ................................................................45
Hình 2. 15: Họ đặc tính của PV ................................................................................46
Hình 2. 16: Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện một chiều........................49
Hình 2. 17: Sơ đồ khối hệ thống điện mặt trời nối lưới ............................................49
Hình 3. 1: Sơ đồ khối hệ thống PV nối lưới điện 3 pha …………………………….52
Hình 3. 2: Mạch điện tương đương của modul PV ...................................................53
Hình 3. 3: Quan hệ I-V của PV ứng với cường độ bức xạ ánh sáng khác nhau .......53
Hình 3. 4: Quan hệ I-V của PV ứng với nhiệt độ làm việc khác nhau .....................53
Hình 3. 5: Sơ đồ nghịch lưu 3 pha ............................................................................54
Hình 3. 6: Sơ đồ tương đương thevenin của lưới 3 pha ............................................55
Hình 3. 7: Lưu đồ thuật tốn nhiễu loạn và quan sát (P&O) ....................................56
Hình 3. 10: Vịng điều khiển dịng điện ....................................................................59
Hình 3. 11: Bộ điều khiển cơng suất .........................................................................60
Hình 3. 12: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điều khiển công suất biến tần 3 pha nối lưới ..60
Hình 3. 13: Sơ đồ mơ phỏng điều khiển cơng suất hệ thống ĐMT nối lưới.............62
Hình 3. 14: Điện áp và dịng điện PV ......................................................................63

Hình 3. 15: Điện áp DC link .....................................................................................64
Hình 3. 16. Sự thay đổi các sector theo góc pha .......................................................64
Hình 3. 17: Điện áp và dịng điện pha A ở đầu ra Inveter ........................................64
Hình 3. 18: Điện áp và dịng điện 3 pha đầu ra inveter.............................................65
Hình 3. 19: hệ thống điện mặt trời bơm vào lưới điện..............................................65
Hình 3. 20: Điện áp pha của lưới và góc pha của PLL .............................................66


1

MỞ ĐẦU
1.
Tính cấp thiết của đề tài
Hiện nay, các nguồn năng lượng trên trái đất như dầu mỏ, than đá… đang dần cạn
kiệt, khơng cịn để khai thác được nữa. Ngồi ra, những nguồn năng lượng này là ngun
nhân chính gây ra sự ơ nhiễm khơng khí làm ảnh hưởng đến đời sống con người.
Trong khi đó, nguồn năng lượng tái tạo khá dồi dào, có khả năng thay thế nguồn
năng lượng hóa thạch, giảm thiểu tác động tới mơi trường. Vì vậy, tập trung nghiên cứu
ứng dụng năng lượng tái tạo đang là hướng đi mới trong năng lượng công nghiệp, nhất là
trong thời đại ngày nay vấn đề tiết kiệm năng lượng đang đặt lên hàng đầu. Việc khai thác
năng lượng tái tạo có ý nghĩa quan trọng cả về kinh tế, xã hội, an ninh năng lượng và phát
triển bền vững.
Năng lượng mặt trời là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà
thiên nhiên ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời, nó cũng là nguồn gốc của các
nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các
dịng sơng,…Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị
và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay các cơng trình
ngồi khơi, …). Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn
năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề
mặt quả đất.

Ở Việt Nam, năng lượng mặt trời có tiềm năng rất lớn, với lượng bức xạ trung
bình 5kw/m²/ngày với khoảng 2000 giờ nắng/năm. Một số liệu của Trung tâm Thông tin
Khoa học Công nghệ Quốc gia cho biết năm 2008 ở Việt Nam mới chỉ có khoảng 60 hệ
thống đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời cho tập thể và hơn 5.000 hệ thống cho gia
đình. Trên tổng thể, điện mặt trời chiếm 0,009% tổng lượng điện toàn quốc. Mặc dù, đã có
những chính sách khuyến khích, nhưng vì nhiều lý do, việc phát triển năng lượng mặt trời,
vốn đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn hơn các dạng năng lượng truyền thống nên việc sử dụng
vẫn còn hạn chế.
Trong những năm gần đây đã có nhiều nghiên cứu, ứng dụng nhằm sản xuất và tích
trữ năng lượng mặt trời, tuy nhiên, việc sử dụng nguồn năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ
dừng lại ở mức cục bộ (tức là khai thác và sử dụng tại chỗ), năng lượng dư thừa chưa hòa


2

được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho lưới điện thơng qua đồng hồ đo để giảm thiểu
hóa đơn tiền điện).
Vì vậy, việc Nghiên cứu điều khiển cơng suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha đang
là một vấn đề cấp thiết.
2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
Ý nghĩa khoa học
Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC), Nguồn năng lượng một
chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều (AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều
khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các
thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua
đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện.
Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lưới điện
thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và sử dụng
hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử

dụng nguồn năng lượng mặt trời.
Q trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và
giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công tác.
3. Mục tiêu nghiên cứu.
Đề tài này đặt mục tiêu chính là “Nghiên cứu điều khiển cơng suất hệ thống
điện mặt trời nối lưới 3 pha’’ Các mục tiêu cụ thể:
- Tổng quan về các bộ biến đổi;
- Vấn đề hòa nguồn điện với lưới;
- Hệ thống điện mặt trời;
- Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới:
+ Mơ hình tốn học
+ Điều khiển theo dõi điểm làm việc có cơng suất cực đại
+ Điều khiển cơng suất tác dụng và công suất phản kháng
- Mô phỏng thực nghiệm
4. Đối tượng nghiên cứu.


Hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha
5. Phương pháp nghiên cứu
- Nghiên cứu lý thuyết để xây dựng các thuật tốn điều khiển;
- Mơ hình hóa, mơ phỏng để kiểm nghiệm và đánh giá các thuật toán đề xuất.
6. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:
Chương 1: Tổng quan lý thuyết sử dung trong đề tài
Chương 2: Hệ thống điện mặt trời
Chương 3: Điều khiển công suất hệ thống điện mặt trời nối lưới 3 pha.
Kết luận và kiến nghị
Tài liệu tham khảo

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN LÝ THUYẾT SỬ DỤNG TRONG ĐỀ TÀI
1.1. Bộ biến đổi một chiều- một chiều(DC-DC)
1.1.1. Chức năng bộ biến đổi DC-DC
Bộ biến đổi 1 chiều 1 chiều (Boot converter) có nhiệm vụ biến đổi điện áp một
chiều về trị số phù hợp với điện áp một chiều đặt vào bộ nghịch lưu (thường 400V).
Đồng thời thông qua bộ Boost converter này để thực hiện điều khiển bám điểm công
suất cực đại cho hệ thống.
Các bộ biến đổi DC/DC được chia làm 2 loại: Có cách ly và loại không cách ly.
Loại cách ly sử dụng máy biến áp cao tần, chúng cách ly nguồn điện một chiều đầu vào
với nguồn một chiều ra và tăng hay giảm áp bằng cách điều chỉnh hệ số biến áp. Loại
này thường được sử dụng cho các nguồn cấp một chiều sử dụng khoá điện tử và cho hệ
thống lai. Loại DC/DC không cách ly không sử dụng máy biến áp cách ly. Chúng luôn
được dùng trong các bộ điều khiển động cơ một chiều.
Các loại bộ biến đổi DC/DC thường dùng trong hệ PV gồm:
Bộ giảm áp (buck)
Bộ tăng áp (boost)
Bộ biến đổi tăng - giảm áp Cuk

Bộ giảm áp buck có thể định được điểm làm việc có cơng suất tối ưu mỗi khi điện
áp vào vượt quá điện áp ra của bộ biến đổi, trường hợp này ít thực hiện được khi cường
độ bức xạ của ánh sáng xuống thấp.
Bộ tăng áp boost có thể định điểm làm việc tối ưu ngay cả với cường độ ánh sáng
yếu. Hệ thống làm việc với lưới dùng bộ Boost để tăng điện áp ra cấp cho tải trước khi
đưa vào bộ biến đổi DC/AC.
1.1.2. Bộ biến đổi DC-DC không cách li
1.1.2.1. Mạch Buck
Sơ đồ nguyên lý mạch buck được chỉ ra trên hình 1.1. Khóa K trong mạch là
những khóa điện tử BJT, MOSFET, hay IGBT. Mạch Buck có chức năng giảm điện áp
đầu vào xuống thành điện áp nạp ắc quy. Khóa transitor được đóng mở với tần số cao.

Hệ số làm việc D của khóa được xác định theo công thức sau:


=

(1.1)

Trong đó Ton là thời gian khóa K mở, T là chu kỳ làm việc của khóa, fDC tần số đóng
cắt.

Hình 1. 1: Sơ đồ ngun lý mạch Buck
Trong thời gian mở, khóa K thơng cho dịng đi qua, điện áp một chiều được nạp
vào tụ C2 và cấp năng lượng cho tải qua cuộn kháng L. Trong thời gian đóng, khóa K
đóng lại khơng cho dịng qua nữa, năng lượng 1 chiều từ đầu vào bằng 0. Tuy nhiên tải
vẫn được cung cấp đầy đủ điện nhờ năng lượng lưu trên cuộn kháng và tụ điện do Diode
khép kín mạch. Như vậy cuộn kháng và tụ điện có tác dụng lưu giữ năng lượng trong
thời gian ngắn để duy trì mạch khi khóa K đóng.
(1.2)
Cơng thức (1.2) cho thấy điện áp ra có thể điều khiển được bằng cách điều khiển
hệ số làm việc. Hệ số làm việc được điều khiển bằng cách phương pháp điều chỉnh độ
rộng xung thời gian mở ton. Do đó, bộ biến đổi này còn được biết đến như là bộ điều chế
xung PWM.
Bộ Buck có cấu trúc đơn giản nhất, dễ hiểu và dễ thiết kế nhất. Bộ Buck cũng
thường được dùng để nạp ắc quy nhưng nó có nhược điểm là dịng vào khơng liên tục vì
khóa điện tử được bố trí ở vị trí đầu vào, vì vậy cần phải có bộ lọc tốt.
Mạch Buck thích hợp sử dụng khi điện áp pin cao hơn điện áp ắc quy. Dịng cơng
suất được điều khiển bằng cách điều chỉnh chu kỳ đóng mở của khóa điện tử. Bộ Buck
có thể làm việc tại điểm MPP trong hầu hết điều kiện nhiệt độ, cường độ bức xạ. Nhưng
bộ này sẽ không làm việc chính xác khi điểm MPP xuống thấp hơn ngưỡng điện áp nạp
ắc quy dưới điều kiện nhiệt độ cao và cường độ bức xạ xuống thấp. Vì vậy để nâng cao

hiệu quả làm việc, có thể kết hợp bộ Buck với thành phần tăng áp.
1.1.2.1. Mạch Boost
Sơ đồ nguyên lý mạch Boost như hình 1.2


Hình 1. 2: Sơ đồ nguyên lý mạch Boost
Giống như bộ Buck, hoạt động của bộ Boost được thực hiện qua cuộn kháng L.
Chuyển mạch K đóng mở theo chu kỳ. Khi K mở cho dòng qua (ton) cuộn kháng tích
năng lượng, khi K đóng (toff) cuộn kháng giải phóng năng lượng qua Điốt tới tải.
(1.3)
Mạch này tăng điện áp võng khi phóng của ắc quy lên để đáp ứng điện áp ra. Khi
khóa K mở, cuộn cảm được nối với nguồn 1 chiều. Khóa K đóng, dịng điện cảm ứng
chạy vào tải qua Điốt. Với hệ số làm việc D của khóa K, điện áp ra được tính theo:

Với phương pháp này cũng có thể điều chỉnh Ton trong chế độ dẫn liên tục để điều
chỉnh điện áp vào V1 ở điểm công suất cực đại theo thế của tải Vo.
1.1.2.3. Mạch Buck – Boost
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.3

Hình 1. 3: Sơ đồ nguyên lý mạch Buck – Boost
Từ công thức (1.4): Do D < 1 nên điện áp ra ln lớn hơn điện áp vào. Vì vậy
mạch Boost chỉ có thể tăng áp trong khi mạch Buck đã trình bày ở trên thì chỉ có thể
giảm điện áp vào. Kết hợp cả hai mạch này với nhau tạo thành mạch Buck – Boost vừa
có thể tăng và giảm điện áp vào.
Khi khóa đóng, điện áp vào đặt lên điện cảm, làm dòng điện trong điện cảm tăng dần theo
thời gian. Khi khóa ngắt điện cảm có khuynh hướng duy trì dịng điện qua nó sẽ tạo điện
áp cảm ứng đủ để Điôt phân cực thuận. Tùy vào tỷ lệ giữa thời gian đóng khóa và mở


khóa mà giá trị điện áp ra có thể nhỏ hơn, bằng hay lớn hơn giá trị điện áp vào. Trong mọi

trường hợp thì dấu của điện áp ra là ngược với dấu của điện áp vào, do đó dịng điện đi qua
điện cảm sẽ giảm dần theo thời gian.
Ta có cơng thức:

Cơng thức (1.5) cho thấy điện áp ra có thể lớn hơn hay nhỏ hơn điện áp vào tùy
thuộc vào hệ số làm việc D:
Khi D = 0.5 thì Uin = Uout;
Khi D < 0.5 thì Uin > Uout;
Khi D > 0.5 thì Uin < Uout
1.1.2.4. Mạch Cuk
Sơ đồ nguyên lý như hình 1.4

Hình 1. 4: Sơ đồ biến đổi Cuk
Bộ Cuk vừa có thể tăng, vừa có thể giảm áp. Cuk dùng một tụ điện để lưu giữ
năng lượng vì vậy dịng điện vào sẽ liên tục. Mạch Cuk ít gây tổn hao trên khố điện tử
hơn và cho hiệu quả cao. Nhược điểm của Cuk là điện áp ra có cực tính ngược với điện
áp vào nhưng bộ Cuk cho đặc tính dịng ra tốt hơn do có cuộn cảm đặt ở tầng ra. Chính
từ ưu điểm chính này của Cuk (tức là có đặc tính dòng vào và dòng ra tốt)
Nguyên lý hoạt động của Cuk là chế độ dẫn liên tục. Ở trạng thái ổn định, điện áp
trung bình rơi trên cuộn cảm bằng 0, theo định luật điện áp Kiếchơp ở vịng mạch ngồi
cùng hình vẽ 1.4 ta có:
VC1 = VS + V0
Giả sử tụ C1 có dung lượng đủ lớn và điện áp trên tụ khơng gợn sóng mặc dù nó
lưu giữ và chuyển một lượng năng lượng lớn từ đầu vào đến đầu ra.


Điều kiện ban đầu là khi điện áp vào được cấp và khố SW khố khơng cho dịng
chảy qua. Điốt D phân cực thuận, tụ C1 được nạp. Hoạt động của mạch được chia thành
2 chế độ.
Chế độ 1: Khi khố SW mở thơng dịng, mạch như ở hình vẽ 1.5

Hình 1. 5: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW mở thơng dịng
Điện áp trên tụ C1 làm điơt D phân cực ngược và Điốt khố. Tụ C1 phóng sang tải
qua đường SW, C2, Rtải, và L2. Cuộn cảm đủ lớn nên giả thiết rằng dòng điện trên cuộn
cảm khơng gợn sóng. Vì vậy ta có mỗi quan hệ sau:
(1.6)
Chế độ 2: Khi SW khố ngăn khơng cho dịng chảy qua, mạch có dạng như hình
vẽ 1.6

Hình 1. 6: Sơ đồ mạch bộ Cuk khi khóa SW đóng
Tụ C1 được nạp từ nguồn vào VS qua cuộn cảm L1. Năng lượng lưu trên cuộn cảm
L2 được chuyển sang tải qua đường D, C2, và R tải. Vì vậy ta có:
=

(1.7)

Để hoạt động theo chu kỳ, dịng điện trung bình của tụ là 0. Ta có:
(1.8)
(1.9)

(1.10)


Trong đó: D là tỉ lệ làm việc của khố SW (0 < D < 1) và T là chu kỳ đóng cắt. Giả
sử rằng đây là bộ biến đổi lý tưởng, cơng suất trung bình do nguồn cung cấp phải bằng
với cơng suất trung bình tải hấp thụ được.
Pin= Pout

(1.11)

Vs.IL1= V0.IL2

(1.12)
(1.13)

Kết hợp công thức (1.10) và (1.13) vào ta có:
(1.14)
Từ cơng thức (1.14):
Nếu 0 < D < 0.5: Đầu ra nhỏ hơn đầu vào.
Nếu D = 0.5: Đầu ra bằng đầu vào.
Nếu 0.5 < D < 1: Đầu ra lớn hơn đầu vào.

Từ công thức (1.14) ta thấy rằng có thể điều khiển điện áp ra khỏi bộ biến đổi DC/DC
bằng cách điều chỉnh tỉ lệ làm việc D của khoá SW.
Như vậy nguyên tắc điều khiển điện áp ra của các bộ biến đổi trên đều bằng cách
điều chỉnh tần số đóng mở khóa K. Việc sử dụng bộ biến đổi nào trong hệ là tùy thuộc
vào nhu cầu và mục đích sử dụng.
Để điều khiển tần số đóng mở của khóa K để hệ đạt được điểm làm việc tối ưu
nhất, ta phải dùng đến thuật toán xác định điểm làm việc có cơng suất lớn nhất (MPPT)
sẽ được trình bày chi tiết ở chương tiếp sau.
1.1.3. Bộ biến đổi DC- DC có cách ly
Bộ chuyển đổi DC-DC được mơ tả trong hình 1.7. Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ
lọc đầu vào C1, 6 chuyển mạch dùng MOSFET (M1-M6), sáu điôt xoay tự do, hai điôt
chỉnh lưu, D1 và D2, một biến áp cao tần với hệ số biến áp bằng K và một tụ hóa C2.


Hình 1. 7: Bộ chuyển đổi DC- DC có cách ly
Máy biến áp cung cấp điện áp cách ly giữa bảng mạch PV và lưới, nâng cao độ an
toàn cho tồn hệ thống. Điện cảm rị (Lk) được sử dụng như 1 phần tử chuyển đổi nguồn,
loại bỏ những vấn đề quá áp thiết bị và cần thiết cho sự chống rung các bảng mạch. Sự

điều khiển chuyển đổi pha thích hợp giữa những chân cầu vào (M1- M4) và những chân
kích hoạt chỉnh lưu (M5-M6) cho phép định hướng dịng điện của biến áp, vì vậy đạt
được chuyển đổi với điện áp và dòng điện bằng 0 (Zero current Zero Voltage Switching
- ZCZVS).
1.1.4. Điều khiển bộ biến đổi DC-DC
Để điều khiển bộ biến đổi DC-DC, có thể sử dụng mạch vòng điều khiển điện áp
hoặc mạch vòng điều khiển dòng điện.
1.1.4.1. Mạch vòng điều khiển điện áp
Sơ đồ cấu trúc Bộ điều khiển điện áp (RU) như hình 1.8. Điện áp ra ở đầu cực của
pin được sử dụng như một biến điều khiển cho hệ. Nó duy trì điểm làm việc của cả hệ
sát với điểm làm việc có cơng suất lớn nhất bằng cách điều chỉnh điện áp của pin phù
hợp với điện áp theo yêu cầu.
Phương pháp này cũng có những nhược điểm sau:
Bỏ qua hiệu suất của bức xạ và nhiệt độ của dãy pin mặt trời.
Không được áp dụng rộng rãi cho hệ thống lưu giữ điện năng.

Vì vậy, phương pháp điều khiển này chỉ thích hợp dưới điều kiện độ bức xạ ổn
định, chẳng hạn như hệ thống vệ tinh, vì nó khơng thể tự động xác định điểm làm việc
tối ưu khi điều kiện ánh sáng và nhiệt độ thay đổi.


Hình 1. 8: Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều khiển điện áp
1.1.4.2. Mạch vòng điều khiển dòng điện
Mạch vòng điều khiển dịng điện được chỉ ra trên hình 1.9. Phương pháp này chỉ áp
dụng với những thuật toán MPPT cho đại lượng điều khiển là dịng điện.

Hình 1. 9: Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều khiển dòng điện
1.2. BIẾN ĐỔI MỘT CHIỀU SANG XOAY CHIỀU DC-AC (Inverter)
1.2.1. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều một pha
Để có điện áp xoay chiều 1 pha cần sử dụng cầu nghịch lưu 1 pha. Sơ đồ gồm 4 van

động lực chủ yếu là: T1, T2, T3, T4 và các điôt D1, D2, D3, D4 dùng để trả công suất phản
kháng của tải về lưới và như vậy tránh được hiện tượng quá áp ở đầu nguồn.
Tụ C được mắc song song với nguồn để đảm bảo cho đầu vào là nguồn hai chiều
(nguồn một chiều thường được cấp bởi chỉnh lưu chỉ cho phép dòng đi theo một chiều).
Như vậy tụ C thực hiện việc tiếp nhận công suất phản kháng của tải, đồng thời tụ C còn
đảm bảo cho nguồn đầu vào là nguòon áp (giá trị C càng lớn nội trở của nguồn càng nhỏ,
điện áp đầu vào được san phẳng).


+

it
id

E

T1

D1

C

T4
T
D

D4
-

it

3

2
2

Ut
it

E
1
2

0

3



4

i T1,2
b)

D3

Zt

a)

Ut

T



0
i D1,2

i D3,4

i D1,
2

i





0

Hình 1. 10: Sơ đồ mạch nghịch lưu áp cầu 1 pha và đồ thị
1.2.2. Biến đổi một chiều sang hệ thống xoay chiều ba pha
Sơ đồ nghịch lưu 3 pha được ghép từ ba sơ đồ một pha có điểm trung tính.
Các điơt: D1, D2, D3, D4, D5, D6 làm chức năng trả năng lượng về nguồn. Tụ C đảm
bảo nguồn là nguồn áp và để tiếp nhận năng lượng phản kháng từ tải.


T3

T1

+

D1
E
-

T5

D5

D3

C

T4

T6
D6

D4

D2

T2

Za

Zb

Zc

Hình 1. 11: Sơ đồ mạch nghịch lưu 3 pha
Để đảm bảo cho điện áp ra ba pha đối xứng luật dẫn điện của các van phải tuân
theo đồ thị như hình 1.12.
0

Như vậy: T1 và T4 dẫn điện lệch nhau 180 và tạo ra pha A;
T3 và T6 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha B;
T2 và T5 dẫn điện lệch nhau 1800 và tạo ra pha .
Các pha lệch nhau 1200.
Dạng điện áp trên tải được xây dựng như sau:
 Trong khoảng 0  t1: T1, T6, T5 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4a. Từ
sơ đồ thay thế ta thấy UZA = E/3.
 Trong khoảng t1  t2: T1, T2, T6 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4b: UZA
=
2E/3.
 Trong khoảng t2  t3: T1, T2, T3 dẫn, sơ đồ thay thế có dạng như ở hình 4.4c: UZA
=
2E/3.
Suy ra dạng điện áp rên các pha: UZA, UZB, UZC sẽ có dạng như trên hình 1.12d, e, f.
Giá trị hiệu dụng của điện áp pha là:
2
2
U
U
ph
a

Suy ra:



1

2



2

()d

E

pha

(1.15)

3

0

U (t) 
sint
A
U (t) 
sin(t

B

2

E

(1.16)

3
2
3

E

120
)

0

(1.17)


2
U C (t)  E sin(t 
0
120 )
3


a)

T1

t3

0
t1

t2

(1.18)

t

T1
t

4

T4

T
b)

0

c)

T6

T3

t
T6

0

T5
U

T3

t

T5
T2

ZA

T2

2E/3
E/3

d)

0

t

0

t

-E/3
-2E/3

U ZB
2E/3
E/3

e)
-E/3
-2E/3

U ZC
2E/3
E/3

f)

0

t

-E/3
-2E/3

Hình 1. 12: Sơ đồ dẫn của các transistor và điện áp ra trên các pha
1.3. Các phép chuyển đổi
1.3.1. Các hệ trục tọa độ
1.3.1.1. Hệ trục tọa độ tự nhiên

Hệ trục tọa độ tự nhiên: Gồm 3 trục a, b, c đặt lệch nhau 1200. Véc tơ V trong hệ trục tọa
độ này có thể chia thành 3 véc tơ va, vb, vc chúng là các đại lượng biến thiên theo thời gian.