Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

PHAN ĐÌNH KHẢI

NGHIÊN CỨU
ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƢU BA BẬC NPC
CHO BIẾN ĐỔI NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 60 52 02 02

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018


Cơng trình được hồn thành tại: Trƣờng Đại học Bách Khoa –ĐHQG –HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học :.................................................................................
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 :………………………………………………………..
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 :…………………………………………………… ….
(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 . . . . . tháng . . . . năm . . . . .
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. ………………………………………..
2. ………………………………………..
3. ………………………………………..
4. ………………………………………..

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

TRƢỞNG KHOA…………


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƢỜNG 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: Phan Đình Khải .............................................. MSHV:1670347..............
Ngày, tháng, năm sinh: 20/02/1991 ........................................... Nơi sinh: Lâm Đồng .......
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện .................................................. Mã số : 60520202 ........
I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lƣu ba bậc NPC cho biến đổi
năng lƣợng mặt trời .......................................................................................................
.............................................................................................................................................
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ..
NPC cho năng lượng mặt trời nối lưới và thực hiện mô phỏng trên Matlab ......................
.............................................................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : (Ghi theo trong QĐ giao đề tài) 15/01/2018 ..............
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:(Ghi theo trong QĐ giao đề tài)17/06/2018
V. CÁN BỘ HƢỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): .......................................
PGS. TS. Nguyễn Văn Nhờ ................................................................................................

Tp. HCM, ngày . . . . tháng .. . . năm 20....

CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

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

TRƢỞNG KHOA….………
(Họ tên và chữ ký)


LỜI CẢM ƠN
Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện với đề tài “Nghiên cứu điều khiển bộ
nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời” là kết quả của q trình cố
gắng khơng ngừng của bản thân và được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thầy,
bạn bè và người thân.
Qua trang viết này tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời
gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.
Tơi xin tỏ lịng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn
Nhờ, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa
học cần thiết cho luận văn này.
Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí
Minh, khoa Điện – Điện tử đã tạo điều kiện cho tơi hồn thành tốt cơng việc nghiên
cứu khoa học của mình.
Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn bạn bè và gia đình đã ln ủng hộ, giúp đỡ tơi
trong suốt quá trình thực hiện.
TÁC GIẢ

Phan Đình Khải

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Luận văn này đã thực hiện thiết kế và mô phỏng hệ thống điện tử công suất dùng
cho năng lượng mặt trời nối lưới. Trong đó đưa ra các lý thuyết cơ bản về năng lượng
mặt trời, các bộ biến đổi cũng như các tiêu chuẩn nối lưới để nghiên cứu và khảo sát.
Từ thông số kỹ thuật của tấm pin mặt trời trong thực tế, phần mềm Simulink đã
giúp mô phỏng lại tấm pin mặt trời. Thông qua hệ thống gồm hai giai đoạn, năng lượng
từ pin mặt trời được biến đổi. Đầu tiên là bộ biến đổi Boost giúp khuếch đại điện áp từ
pin mặt trời và dị tìm điểm cơng suất cực đại với thuật tốn Perturb and Observe. Sau
đó cơng suất được biến độ DC-AC bằng bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiển trong hệ
quy chiếu đồng bộ. Vịng khóa pha thực hiện đồng bộ pha với lưới. Ngõ ra của bộ
nghịch lưu được lọc thông qua bộ lọc LCL và sau đó nối lên lưới. Lưới điện có điện áp
pha 400V hiệu dụng.
Luận văn này còn thực hiện khảo sát hệ thống khi xảy ra điện áp không cân bằng
trên lưới. Đồng thời khảo sát bộ điều khiển phân tầng đồng bộ kép giúp hệ thống hoạt
động tốt kể cả khi lưới không cân bằng.
Cuối cùng, kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm và phân tích. Từ đó đưa ra nhận
xét và kết luận.


ABTRACT
In this thesis, the designing of a grid-connected photovoltaic system for the power
electronic simulation has been carried out. The relevant topics and literature regarding
the elements in a photovoltaic system and grid connection standards have been studied
and reviewed.
A system, with the capacity and ratings of solar modules currently available in the
laboratory, has been designed in Simulink. The designed system in a multistage
system. Perturb and Observe algorithm is used for maximum power point tracking.
Boost converter is used to amplify the photovoltaic array voltage. The inverter used is a
three-phase two-level inverter. The control structure for inverter is designed in
synchronous reference frame. PLL extracts the necessary information of grid voltage

phase. The grid has a Line to Line voltage of 400Vrms. An LCL filter is used to
interconnect inverter output to the grid.
A study on unbalanced grid voltage has been implemented. A proposed controller is
DDSRF has been used to resolve the grid fault and keep power constant.
After that the results of the designed simulation are discussed. In the end,
discussion about this thesis, conclusion and recommendations for future work are
presented.


LỜI CAM ĐOAN
Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Các
số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng
quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách
trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa
từng được công bố trong bất kỳ nghiên cứu nào khác.


DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1. Sản lượng điện từ pin mặt trời tăng trưởng nhanh chóng........................... 2
Hình 2.2. Dưới tác dụng của photon, tại lớp tiếp xúc p-n tạo ra một cặp electron và
lỗ trống ............................................................................................................................. 3
Hình 2.3. Mạch tương đương tế bào quang điện ........................................................ 3
Hình 2.4. Hai thơng số quan trọng của tế bào quang điện: Dòng điện ngắn mạch
(ISC) và Điện áp hở mạch (VOC) ....................................................................................... 3
Hình 2.5. Đặc tuyến lý tưởng dòng-áp của tế bào quang điện ................................... 4
Hình 2.6. Đặc tuyến dịng áp có xét tới tổn hao RS và RP .......................................... 4
Hình 2.7. Mạch tương đương chính xác của pin mặt trời với điện trở ký sinh nối
tiếp và song song .............................................................................................................. 5
Hình 2.8. Đặc tính I-V và cơng suất ngõ ra của tế bào quang điện ............................ 6
Hình 2.9. Đặc tuyến dịng-áp theo cường độ bức xạ và nhiệt độ của một tấm pin mặt

trời .................................................................................................................................... 7
Hình 2.10. Cấu trúc hệ thống pin mặt trời .................................................................. 8
Hình 2.11. Hệ thống PV sử dụng bộ chuyển DC-DC............................................... 10
Hình 2.12. Hệ thống đơn giai đoạn........................................................................... 11
Hình 2.13. Hệ thống hai giai đoạn ............................................................................ 12
Hình 2.14. Vị trí đặt tụ phân tầng cho hệ thống đơn giai đoạn ................................ 12
Hình 2.15. Vị trí đặt tụ phân tầng cho hệ thống hai gian đoạn ................................. 13
Hình 2.16. Sơ đồ giải thuật P&Oa ............................................................................ 14
Hình 2.17. Sơ đồ giải thuật IC .................................................................................. 15
Hình 2.18. Sợ đồ mạch bộ nghịch lưu 3 pha NPC ................................................... 18
Hình 2.19. Điều chế Sin PWM với hai sóng mang đồng pha................................... 19
Hình 2.20. Tín hiệu xung kích cho các khóa trên một nhánh của bộ nghịch lưu ..... 19
Hình 2.21. Mối quan hệ giữa αβ và dq ..................................................................... 21
Hình 3.1. Sơ đồ khối hệ thống .................................................................................. 27


Hình 3.2. Cấu trúc điều khiển trong miền abc .......................................................... 28
Hình 3.3. Hệ thống điều khiển trong miền αβ .......................................................... 29
Hình 3.4. Hệ thống điều khiển trong miền dq0 ........................................................ 29
Hình 3.5. Điều khiển dịng điện lặp vịng phối hợp chéo ......................................... 31
Hình 3.6. Thiết lập thơng số mơ phỏng PV Array.................................................... 32
Hình 3.7. Đặc tuyến I-V và P-V khi cơng suất thay đổi ở 1kW và 0.25kW ............ 32
Hình 3.8. Đặc tuyến I-V và P-V khi nhiệt độ tấm pin thay đổi ................................ 33
Hình 3.9. Sơ đồ nguyên lý vịng khóa pha PLL ....................................................... 34
Hình 3.10. Cấu trúc bên trong vịng khóa pha .......................................................... 34
Hình 3.11. Góc pha và điện áp dq: (a) trường hợp sụt áp đều trên cả ba pha, (b)
trường hợp sụt áp không sin, (c) trường hợp ba pha khơng cân bằng. .......................... 35
Hình 3.12. Kết nối vịng khóa pha vào hệ thống ...................................................... 36
Hình 3.13. Sơ đồ khối DDSRF ................................................................................. 38
Hình 3.14. Sơ đồ ngun lý bộ biến đổi Boost......................................................... 40

Hình 3.15. Mơ phỏng bộ điều khiển dịng điện ........................................................ 44
Hình 3.16. Dịng điện dq đo được dưới tác động phối hợp chéo ............................. 45
Hình 3.17. Vịng lặp điều khiển dịng đồng bộ kép .................................................. 46
Hình 3.18. Sơ đồ vịng lặp dịng DDSRF ................................................................. 47
Hình 3.19. Mơ phỏng lưới điện ................................................................................ 47
Hình 3.20. Giản đồ hàm truyền hệ thống ................................................................. 49
Hình 3.21. Sơ đồ hàm truyền vịng lặp điện áp ........................................................ 50
Hình 4.1. Đồ thị mô phỏng sự thay đổi của cường độ bức xạ và nhiệt độ theo thời
gian ................................................................................................................................. 53
Hình 4.2. Cơng suất ngõ ra PV Array....................................................................... 53
Hình 4.3.Điện áp ngõ ra PV Array ........................................................................... 54
Hình 4.4. Điều chỉnh hệ số D cho bộ biến đổi DC-DC ............................................ 55
Hình 4.5. Điện áp tham chiếu và điện áp DC Link thực tế ...................................... 56
Hình 4.6. Dạng sóng điện áp và dịng điện ngõ ra bộ nghịch lưu ............................ 56


Hình 4.7. Dạng sóng điện áp và dịng điện của hệ thống hịa lưới ........................... 57
Hình 4.8. Phân tích sóng hài dịng điện phát lên lưới và THD ................................ 58
Hình 4.9. Cơng suất cấp lên lưới .............................................................................. 58
Hình 4.10. Dạng sóng các tín hiệu điều khiển Id (màu tím) và Iq (màu xanh dương)
cho bộ điều khiển dịng thơng thường SRF: (0-0.17s) lưới điện ổn định, (0.17-0.34s)
lưới điện không cân bằng ............................................................................................... 59
Hình 4.11. Loại bỏ dao động tín hiệu Id, Iq nhờ DDSRF-PLL ................................ 60
Hình 4.12. Dạng sóng các tín hiệu điều khiển cho bộ điều khiển dịng thứ tự nghịch
DDSRF: (0-0.2s) Lưới điện ổn định, (0.2-0.4s) Lưới điện khơng cân bằng.................. 61
Hình 4.13. Dịng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển thông
thường khi lưới khơng cân bằng .................................................................................... 62
Hình 4.14. Dịng điện, điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRF khi
lưới khơng cân bằng ....................................................................................................... 63
Hình 4.15. Dịng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển thông

thường khi lưới bị sụt áp ................................................................................................ 63
Hình 4.16. Dịng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRF
khi lưới bị sụt áp ............................................................................................................. 64
Hình 4.17. Cơng suất ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển thông thường khi lưới
không cân bằng .............................................................................................................. 65
Hình 4.18. Cơng suất ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRF khi lưới
không cân bằng .............................................................................................................. 65
Hình 4.19. Cơng suất tác dụng và cơng suất phản kháng thứ tự nghịch với bộ điều
khiển SRF, hài cơ bản và hài bậc hai ............................................................................. 66
Hình 4.20. Cơng suất tác dụng và công suất phản kháng thứ tự nghịch với bộ điều
khiển DDSRF, hài cơ bản và hài bậc hai ....................................................................... 66
Hình 4.21. Thời gian quá đọ (ms) với bộ điều khiển SRF và DDSRF ..................... 68
Hình 4.22. Đồ thị đánh giá THD .............................................................................. 70



DANH SÁCH BẢNG
Bảng 2.1. Ví dụ tiêu chuẩn kết nối lưới cho hệ thống PV .......................................... 9
Bảng 2.2. Vị trí 12 vector tương ứng 12 vùng .......................................................... 16
Bảng 2.3. Bảng trạng thái đóng ngắt bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC ................. 17
Bảng 2.4. Điện áp pha tương ứng mỗi trạng thái ..................................................... 17
Bảng 2.5. Bảng giá trị hắng số co dãn ...................................................................... 21
Bảng 3.1. Thông số cơ bản của hệ thống .................................................................. 48
Bảng 3.2. Thông số hệ thống trong hệ đơn vị tương đối .......................................... 48
Bảng 4.1. Thông số bộ biến đổi Boost ..................................................................... 52
Bảng 4.2. Thông số bộ lọc và bộ điều khiển ............................................................ 52
Bảng 4.3. Độ vọt lố tín hiệu dịng điện ..................................................................... 67
Bảng 4.4. Đối chiếu sóng hài dịng điện với tiêu chuẩn IEC61727 ......................... 69
Bảng 4.5. So sánh THD của các bộ điều khiển theo công suất ................................ 69

MỤC LỤC
1.

2.

MỞ ĐẦU ............................................................................................................ 1
1.1.

Giới thiệu ..................................................................................................... 1

1.2.

Mục đích và phạm vi nghiên cứu: ............................................................... 1

TỔNG QUAN..................................................................................................... 2
2.1.

Tổng quan điện mặt trời............................................................................... 2

2.1.1. Giới thiệu .................................................................................................. 2
2.1.2. Tế bào quang điện..................................................................................... 3
2.1.3. Khảo sát đặc tuyến I-V và điểm công suất cực đại .................................. 5
2.1.4. Cấu trúc hệ thống pin mặt trời .................................................................. 7
2.2.

Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống PV kết nối lưới .................................... 8

2.3.

Các bộ biến đổi cơng suất ............................................................................ 9

2.4.

Các giai đoạn trong q trình biến đổi công suất ...................................... 11

2.4.1. Hệ thống đơn giai đoạn........................................................................... 11
2.4.2. Hệ thống hai giai đoạn ............................................................................ 12
2.5.

Phân tầng công suất ................................................................................... 12

2.5.1. Các giải thuật dị tìm điểm cơng suất cực đại (MPPT) cho PV .............. 13
2.5.2. Phương pháp Perturb and Observe (P&O) ............................................. 13
2.5.3. Phương pháp Incremental Conductance (IC) ......................................... 14
2.6.

Kỹ thuật điều khiển PWM cho các bộ biến đổi công suất NPC ................ 15

2.7.

Các phép biến đổi tọa độ............................................................................ 19

2.7.1. Mạch tương đương hai pha dùng phép biến đổi αβ (Clarke) ................. 20


2.7.2. Biến đổi tọa độ đồng bộ dq (Park) .......................................................... 21
2.8.

Phân tích các thành phần thứ tự ................................................................. 22

2.8.1. Phân tích các thành phần thứ tự trong miền tần số ................................. 22
2.8.2. Phân tích các thành phần thứ tự trong miền thời gian ............................ 23
2.8.3. Phân tích điện áp ba pha khơng cân bằng............................................... 24
3.

MƠ PHỎNG HỆ THỐNG PV VỚI SIMULINK ............................................. 27
3.1.

Tổng quan hệ thống PV dùng bộ nghịch lưu nối lưới ............................... 27

3.1.1. Điều khiển trong miền abc: .................................................................... 28
3.1.2. Điều khiển trong miền αβ: ...................................................................... 29
3.1.3. Điều khiển trong miền dq0: .................................................................... 29
3.2.

PV Array .................................................................................................... 31

3.3.

Vịng khóa pha (PLL) ................................................................................ 33

3.3.1. Vịng khóa pha cho lưới cân bằng .......................................................... 33
3.3.2. Vịng khóa pha hỗ trợ lưới khơng cân bằng ........................................... 36
3.4.

Tính tốn thiết kế mạch lọc ....................................................................... 38

3.5.

Biến đổi DC-DC và tìm điểm cơng suất cực đại ....................................... 40

3.5.1. Tính tốn thiết kế mạch tăng áp Boost ................................................... 41
3.5.2. Chu kỳ làm việc của bộ biến đổi Boost .................................................. 41
3.6.

Điều khiển lặp vòng ................................................................................... 42

3.6.1. Vòng lặp áp ............................................................................................. 42
3.6.2. Vòng lặp dòng điện................................................................................. 43
3.6.3. Tạo xung điều khiển PWM ..................................................................... 44
3.6.4. Điều khiển dòng điện cho lưới không cân bằng ..................................... 44


3.7.

Lưới điện .................................................................................................... 47

3.8.

Tính tốn các thơng số bộ điều chỉnh ........................................................ 48

3.8.1. Vòng lặp điều khiển dòng điện ............................................................... 48
3.8.2. Vịng lặp điều khiển áp ........................................................................... 50
4.

KẾT QUẢ MƠ PHỎNG................................................................................... 52
4.1.

Thông số hệ thống...................................................................................... 52

4.2.

Khảo sát ảnh hưởng của công suất PV với hệ thống khi lưới điện hoạt

động bình thường ....................................................................................................... 52
4.2.1. PV Array ................................................................................................. 52
4.2.2. Bộ biến đổi DC-DC ................................................................................ 54
4.2.3. Điện áp DC Link ..................................................................................... 55
4.2.4. Biến đổi DC-AC ..................................................................................... 56
4.2.5. Dạng sóng ba pha ngõ ra của hệ thống ................................................... 57
4.2.1. Công suất ngõ ra ..................................................................................... 57
4.3.

Khảo sát hệ thống làm việc với lưới không cân bằng................................ 59

4.3.1. Tín hiệu điều khiển ................................................................................. 59
4.3.2. Dạng sóng dịng điện ngõ ra dùng bộ điều khiển thơng thường và bộ
điều khiển DDSRF ................................................................................................. 62
4.3.3. Công suất tác dụng dùng bộ điều khiển SRF và DDSRF ....................... 64
4.3.4. Dao động công suất do thành phần thứ tự nghịch .................................. 65
4.4.

Đánh giá chất lượng hệ thống .................................................................... 67

4.4.1. Độ vọt lố ................................................................................................. 67
4.4.2. Thời gian quá độ ..................................................................................... 67


4.4.3. Độ méo dạng do sóng hài (THD) ........................................................... 68

5.

6.

KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN............................................. 71
5.1.

Kết luận ...................................................................................................... 71

5.2.

Định hướng phát triển ................................................................................ 72

TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................ 74


1

1. MỞ ĐẦU
1.1. Giới thiệu
Cách mạng Công nghiệp Thứ Tư đang nảy nở từ cuộc cách mạng lần ba, nó kết hợp
các công nghệ lại với nhau, làm mờ ranh giới giữa vật lý, kỹ thuật số và sinh học. Cùng
với đó là nhu cầu năng lượng ngày càng tăng nhanh tạo ra áp lực lớn lên các nguồn
cung cấp. Hệ thống lưới điện bị quá tải dẫn đến nhiều vấn đề như mất điện cục bộ, mất
ổn định lưới, giảm chất lượng điện năng, an ninh năng lượng… Để cân bằng cung cầu
địi hỏi phải có nguồn năng lượng mới, đặc biệt là năng lượng tái tạo được chú trọng
phát triển. Trong đó nguồn năng lượng mặt trời, năng lượng gió, năng lượng sinh học
là các giải pháp tốt nhất hiện nay.
Với các ưu điểm là nguồn cung cấp ln có sẵn, phong phú và khơng gây hại cho
mơi trường, năng lượng mặt trời đang rất được ưa chuộng sử dụng. Nhưng do tính chất

điện áp phát ra bởi pin mặt trời là một chiều (DC), chúng ta cần phải chuyển đổi thành
nguồn xoay chiều (AC) trước khi đấu nối vào lưới điện bằng bộ nghịch lưu. Điện áp và
tần số ngõ ra của bộ nghịch lưu cần phải giống với điện áp và tần số lưới điện. Phương
pháp điều khiển bộ nghịch lưu thường gặp nhất trong các hệ thống Photovoltaic (PV) là
phương pháp điều rộng xung (PWM).
Từ các nhu cầu kể trên địi hỏi phải có các nghiên cứu để khảo sát phương pháp
điều khiển bộ nghịch lưu dùng cho hệ thống pin mặt trời tối ưu nhất, đáp ứng yêu cầu
của lưới điện.
1.2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu:
Đề tài tập trung vào thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu cho hệ thống năng lượng
mặt trời nối lưới trên nền Matlab Simulink nhằm:
 Phân tích các kỹ thuật điều khiển PWM cho bộ biến đổi công suất NPC
 Nghiên cứu hệ thống PV dùng bộ nghịch lưu ba bậc NPC nối lưới để đáp ứng
các yêu cầu kỹ thuật hiện nay
 Nghiên cứu tính ổn định của hệ thống, đánh giá đáp ứng quá độ và xác lập


2

2. TỔNG QUAN
2.1. Tổng quan điện mặt trời
2.1.1. Giới thiệu
Vật liệu hoặc thiết bị có khả năng chuyển đổi năng lượng trong photon của ánh
sáng thành điện áp và dòng điện được gọi là tế bào quang điện (PV). Một photon với
bước sóng đủ ngắn mang năng lượng đủ lớn có thể kích thích một electron trong vật
liệu quang điện tách ra khỏi hạt và chuyển động tự do. Khi đó nếu có một điện trường
ngồi tác động, những electron này chuyển động có hướng và tạo thành dịng điện.
Pin quang điện được phát minh bởi Edmund Becquerel và sau đó được cải tiến dần
cho đến ngày nay. Thời kỳ đầu điện mặt trời chỉ được dùng cho vệ tinh nhân tạo hay
phi thuyền nhưng ngày nay cơng dụng chính của nó là để cấp điện vào lưới điện chung

nhờ bộ chuyển đổi từ dòng điện một chiều trong pin sang điện xoay chiều. Còn một
phần nhỏ dùng cấp điện cho các ngôi nhà, trạm điện thoại, bộ điều khiển từ xa…

Hình 2.1. Sản lượng điện từ pin mặt trời tăng trưởng nhanh chóng


3

2.1.2. Tế bào quang điện
Xét mối nối p-n dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, khi một photon bị hấp thu sẽ
tạo ra một cặp electron-lỗ trống. Dưới tác dụng của điện trường, lỗ trống bị đẩy về phía
p trong khi đó electron bị đẩy về phía n như trong Hình 2.2, từ đó tạo ra hiệu điện thế
tại chỗ tiếp xúc p-n và tạo ra dòng điện đến tải.

Hình 2.2. Dưới tác dụng của photon, tại lớp tiếp xúc p-n tạo ra một cặp electron và lỗ
trống

Hình 2.3. Mạch tương đương tế bào quang điện

Hình 2.4. Hai thơng số quan trọng của tế bào quang điện: Dòng điện ngắn mạch
(ISC) và Điện áp hở mạch (VOC)


4

Mạch tương đương của một tế bào quang điện bao gồm một diode nối song song
với nguồn dòng lý tưởng như trong Hình 2.3.
Để khảo sát đặc điểm của tế bào quang điện, người ta thực hiện thí nghiệm hở mạch
và ngắn mạch như sơ đồ trong Hình 2.4. Khi nối tắt hai đầu tế bào quang điện, ta đo
được dòng ngắn mạch, và để hở hai đầu tế bào quang điện ta đo được điện áp hở mạch.

Từ đó ta tính được dịng điện qua tải theo cơng thức:
(

) ( 2.1 )

Từ đó ta vẽ được đặc tuyến lý tưởng dịng-áp của tế bào quang điện như Hình 2.5.

Hình 2.5. Đặc tuyến lý tưởng dòng-áp của tế bào quang điện

Hình 2.6. Đặc tuyến dịng áp có xét tới tổn hao RS và RP


5

Tuy nhiên trong thực tế, ta cần xét tổn hao trên tế bào quang điện. Do đó, ta cần vẽ
lại mạch tương đương chính xác của tế bào quang điện với điện trở RP mắc song song
và điện trở RS nối tiếp (Hình 2.7).
Khi đó điện áp và dịng điện của pin mặt trời được viết lại theo công thức:
,

*

(

)

+

-

(

(

)

)

( 2.2 )

Đặc tuyến dịng-áp cũng thay đổi theo như Hình 2.6.

Hình 2.7. Mạch tương đương chính xác của pin mặt trời với điện trở ký sinh nối
tiếp và song song
2.1.3. Khảo sát đặc tuyến I-V và điểm công suất cực đại
Xét một tế bào quang điện được dùng để cấp điện cho tải nào đó hoặc ắc quy.
Trước khi nối với tải, tế bào quang điện sẽ tạo ra điện áp hở mạch VOC, nhưng khơng
có dịng điện. Nếu nối tắt hai đầu tế bào quang điện này, ta được dịng điện ngắn mạch
ISC nhưng khi đó điện áp ngõ ra bằng 0. Trong cả hai trường hợp này công suất đều
không được truyền đến tải. Khi đấu tải vào, công suất được truyền đi và ta cần phải
xem xét mối quan hệ I-V sao cho công suất truyền đi là lớn nhất.
Từ Hình 2.8 cho thấy đặc tính I-V của tế bào quang điện phụ thuộc vào nhiều thông
số trong đó có dịng điện hở mạch và điện áp ngắn mạch. Hơn nữa ta thấy được công


6

suất truyền đi phụ thuộc vào điểm làm việc của tế bào quang điện. Như vậy ta cần phải
tìm điểm cơng suất cực đại (MPP) để tối ưu hóa hiệu suất của tế bào quang điện.
Trong quá trình làm việc của pin mặt trời, cường độ bức xạ cũng như nhiệt độ luôn

thay đổi dẫn tới công suất ra của tấm pin mặt trời cũng bị thay đổi theo (Hình 2.9).
Dòng điện phát ra nhờ năng lượng mặt trời tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ, vì vậy
cường độ bức xạ tăng cũng làm dòng điện phát ra từ pin mặt trời tăng theo. Trong khi
đó, điện áp ngõ ra của pin mặt trời cũng tỷ lệ thuận với cường độ bức xạ nhưng thay
đổi này rất nhỏ nên người ta thường bỏ qua khi khảo sát pin mặt trời.
Mặt khác, nhiệt độ của tấm pin mặt trời lại ảnh hưởng chủ yếu đến điện áp của pin.
Điện áp hở mạch của pin mặt trời tỷ lệ gần tuyến tính với nhiệt độ như cơng thức:
( )

(

) ( 2.3 )

Khi đó điểm làm việc mà tại đó cơng suất pin đạt cực đại cũng thay đổi theo và cần
phải thiết kế sao cho hệ thống luôn làm việc tại đó. Các thuật tốn để dị tìm điểm cơng
suất cực đại sẽ được mơ tả trong phần sau.

Hình 2.8. Đặc tính I-V và cơng suất ngõ ra của tế bào quang điện


7

Hình 2.9. Đặc tuyến dịng-áp theo cường độ bức xạ và nhiệt độ của một tấm pin
mặt trời
2.1.4. Cấu trúc hệ thống pin mặt trời
Dựa trên cấu trúc và sự thiết kế lắp đặt, người ta chia hệ thống pin mặt trời thành
bốn loại như Hình 2.10.
-

Cấu trúc tập trung: với hệ thống có câu trúc này, các tấm pin mặt trời được mắc

nối tiếp thành một chuỗi để tăng điện áp nguồn, sau đó các chuỗi này được nối
song song với nhau để đạt được dòng điện ngõ ra lớn hơn. Do đó tồn bộ hệ
thống được tập trung lại và sử dụng một bộ nghịch lưu duy nhất. Vì vậy cấu trúc
này giúp giảm chi phí bộ nghịch lưu. Tuy nhiên cách làm như vậy gây tổn hao
lớn trên các chuỗi diode đồng thời khó khăn trong dị tìm điểm cơng suất cực
đại, địi hỏi dùng dây cáp DC cao áp.

-

Cấu trúc chuỗi: thực tế là dạng thu nhỏ của cấu trúc tập trung với việc dùng 1
inverter cho 1 chuỗi pin mặt trời. Cấu trúc này không cần dùng diode bảo vệ cho
từng chuỗi do đó giảm được tổn hao trên diode. Đồng thời việc dị tìm điểm
công suất cực đại cũng dễ dàng hơn, giảm ảnh hưởng của bóng che lên mỗi
chuỗi.


8

-

Cấu trúc đa chuỗi: là cấu trúc cải tiến của cấu trúc chuỗi và thường được dùng
cho hệ thống công suất lớn. Mỗi chuỗi sẽ có bộ MPPT và bộ biến đổi DC-DC
riêng tuy nhiên chỉ dùng một bộ nghịch lưu giúp tăng hiệu suất, giảm chi phí.

-

Module AC: mỗi tấm pin được tích hợp sẵn bộ nghịch lưu cũng như bộ khuếch
đại, MPPT. Như vậy mỗi tấm pin có thể hoạt động độc lập, tăng cao hiệu suất
tuy nhiên giá thành rất cao.

Hình 2.10. Cấu trúc hệ thống pin mặt trời
2.2. Các yêu cầu kỹ thuật cho hệ thống PV kết nối lƣới
Để có thể kết nối một hệ thống PV với bộ nghịch lưu lên lưới, công suất nguồn phát
ra phải đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật do nhà cung cấp đặt ra. Một số tiêu chuẩn thường
được sử dụng như IEEE1547, IEC61727, ENC61000-3-2, IEEE929-2000 đặt ra các
yêu cầu về chất lượng công suất, tiêu chuẩn đấu nối, THD… Ngồi ra nó cịn giới hạn


9

dòng điện đấu nối tối đa lên lưới, giới hạn này thưởng rất nhỏ từ 0.5% đến 1% dòng ra
định mức và rất khó để đo đạc.
-

IEC 61727 tập trung vào các tiêu chuẩn cho hệ thống năng lượng mặt trời nối
lưới và sử dụng các bộ biến đổi năng lượng bằng bán dẫn. Nó chung cấp một số
khuyến nghị cho hệ thống có cơng suất định mức dưới 10 kVA dùng cho khu
dân cư nhỏ, có thể là một pha hoặc ba pha. Tóm lại, tiêu chuẩn này áp dụng cho
lưới phân phối hạ áp.

-

IEE 1547 cung cấp các hướng dẫn để đấu nối các nguồn cấp vào lưới điện. Nó
cung cấp các yêu cầu kỹ thuật cần thiết cho việc xây dựng, vận hành, kiểm tra,
đánh giá độ an tồn và bảo trì khi đấu nối.

-

IEEE 929-2000 bao gồm các khuyến cáo trong vận hành thực tế cho các thiết bị
và dụng cụ để đảm bảo vận hành hệ thống điện mặt trời. Nó bao gồm các chỉ số

về an toàn, thiết bị bảo hộ, chất lượng điện năng và vận hành lưới điện.

Bảng 2.1 là một ví dụ về tiêu chuẩn cho hệ thống 10kW và 30kW đấu nối vào lưới.
Vấn đề
Cơng suất

IEC61727
10kW
Bậc sóng hài

Giới hạn sóng hài
dịng điện

3-9
11-15
17-21
23-33

THD
4%
2%
1.5%
0.6%

IEEE1547
30kW
Bậc sóng hài
3-9
11-15
17-21

23-33
(>)35
5.0%

THD
4%
2%
1.5%
0.6%
0.3%

Dịng tối đa THD
5.0%
Tầm điện áp hoạt
85-110% (196-253V)
động ổn định
Khoảng tần số
50 ± 1 Hz
hoạt động ổn định
Bảng 2.1. Ví dụ tiêu chuẩn kết nối lưới cho hệ thống PV
2.3. Các bộ biến đổi công suất

Điện năng sản xuất ra từ năng lượng mặt trời có thể lưu trữ bằng ắc quy hoặc bán
trực tiếp lên lưới điện. Tùy vào từng ứng dụng mà hệ thống năng lượng mặt trời có thể
chia thành 4 loại khác nhau: