(Luận văn thạc sĩ) thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUỐC KHANH

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

S KC 0 0 4 0 4 6

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 05 năm 2013


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUỐC KHANH

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2013

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ
PHẠM QUỐC KHANH

THIẾT KẾ BỘ CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
HÒA ĐỒNG BỘ LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA

NGÀNH: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MÁY ĐIỆN - 605250
Hướng dẫn khoa học:
TS. TRƯƠNG VIỆT ANH

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 5/2013


LÝ LỊCH KHOA HỌC

I. LÝ LỊCH SƠ LƯỢC:
Họ & tên: Phạm Quốc Khanh

Giới tính: Nam

Ngày, tháng, năm sinh: 01/01/1986

Nơi sinh: Đồng Nai

Quê quán: Tiên Phước-Quảng Nam

Dân tộc: Kinh

Địa chỉ liên lạc: 115/22 Ấp Cầu Hang, Xã Hóa An, TP Biên Hịa, Tỉnh Đồng
Nai
Điện thoại liên lạc: 0908.088.996
E-mail:
II. Q TRÌNH ĐÀO TẠO:
1. Đại học:
Hệ đào tạo: Chính qui

Thời gian đào tạo từ 09/2004 đến 06/ 2009

Nơi học (trường, thành phố): Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM
Ngành học:Kỹ thuật điện- điện tử
Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Thiết kế và thi công mạch điều
khiển không dây thiết bị điện từ xa bằng máy tính
Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp:22/2/2009
Người hướng dẫn:Th.S. Nguyễn Trường Duy
III. Q TRÌNH CƠNG TÁC CHUN MƠN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP
ĐẠI HỌC:
Thời gian

Nơi cơng tác

2009-2010

Công ty Cổ phần Viễn thông VTC

Nhân viên kỹ thuật

2010-2012

Công ty TNHH SVProbe VN

PCB Designer

2012-nay

Cơng ty sản phẩm máy tính Fujitsu

Customer Engineer

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Công việc đảm nhiệm

Page i


LỜI CAM ĐOAN
Tơi cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu của tôi.
Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai
công bố trong bất kỳ cơng trình nào khác
Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2013

Phạm Quốc Khanh

ii

LỜI CẢM ƠN
Tôi xin chân thành gửi lời cảm ơn đến thầy TS. Trương Việt Anh,
người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ tơi trong suốt q trình thực
hiện quyển luận văn này.
Tôi xin chân thành cảm ơn đến thầy PGS.TS Nguyễn Hữu Phúc
trường Đại Học Bách Khoa và thầy TS. Lê Chí Kiên trường Đại Học
Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM đã tận tình nhận xét và đóng góp nhằm
hồn thiện luận văn.

Tơi xin chân thành cảm ơn q thầy cô trong khoa Điện- Điện Tử
trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP.HCM, các cán bộ phòng
Đào Tạo đã giúp đỡ tơi rất nhiều trong suốt q trình học tập và trong
q trình hồn thành quyển luận văn này.

Tơi xin cảm ơn các bạn bè và đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và
tạo mọi điều kiện để tôi hồn thành luận văn này.

Cuối cùng tơi xin chân thành cảm ơn cha mẹ và người thân đã luôn ở
bên tơi và động viên tơi rất nhiều để tơi hồn thành khóa học này.

Phạm Quốc Khanh.

iii


MỤC LỤC
Trang tựa

TRANG

Quyết định giao đề tài
LÝ LỊCH KHOA HỌC............................................................................................. i
LỜI CAM ĐOAN.................................................................................................... ii
LỜI CẢM ƠN ........................................................................................................ iii
TÓM TẮT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ............................................................................................................. vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH ..................................................................................... ix
chương 0: GIỚI THIỆU
I. Đặt vấn đề : .......................................................................................................... 1
II. Nhiệm vụ của luận văn :...................................................................................... 1
III. Phạm vi nghiên cứu: .......................................................................................... 1
IV. Phương pháp nghiên cứu : ................................................................................. 2
V. Điểm mới của luận văn : ..................................................................................... 2
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài :................................................................................ 2
VII. Nội dung luận văn : .......................................................................................... 3
chương 1: TỔNG QUAN
1.1 Tính cần thiết. ................................................................................................... 4
1.2 Hòa đồng bộ hai máy phát. ............................................................................... 5
1.2.1 Hòa đồng bộ. .......................................................................................... 5
1.2.2. Phân tích các điều kiện hịa. .................................................................... 7
1.3 Các nghiên cứu khoa học liên quan................................................................. 10
1.3.1. Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết
nối nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [1]............................................. 11
1.3.2 Điều chỉnh chỉnh công suất phản kháng và điều khiển hệ số công
suất khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện [2]....................... 13

vi

1.4 Nhược điểm của các nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu của luận
văn. ........................................................................................................... 15
1.4.1 Nhược điểm của nghiên cứu [1]. ............................................................ 15
1.4.2. Nhược điểm của nghiên cứu [2]. ........................................................... 15
1.4.3. Hướng nghiên cứu của luận văn............................................................ 15
chương 2: PHƯƠNG TRÌNH TỐN VÀ GIẢI THUẬT
2.1 Sơ đồ kết nối................................................................................................... 16
2.2 Cơng thức tính P và Q khi bơm vào lưới điện. ................................................ 17
2.3 Cơng thức tính dịng điện I bơm vào lưới điện không đổi................................ 18
2.4 Sơ đồ khối kết nối của bộ nghịch lưu vào lưới điện phân phối. ....................... 19
2.5 Giải thuật giảm tổng méo dạng sóng hài THD cho dịng điện của bộ
nghịch lưu bơm vào lưới điện phân phối: .................................................. 26
chương 3: SƠ ĐỒ VÀ KẾT QUẢ MÔ PHỎNG BẰNG MATLAB
3.1 Các khối khi mô phỏng trên Matlab: ............................................................... 32
3.1.1 Khối công suất:..................................................................................... 32
3.1.2 Vi điều khiển và bộ trễ.......................................................................... 35
3.1.3 Khối tạo điều kiện làm việc: ................................................................. 37
3.1.4 Khối đo lường: ..................................................................................... 40
3.2 Các kết quả mô phỏng trên phần mềm Matlab: ............................................... 41
3.2.1 Mơ phỏng khi bơm dịng điện khơng đổi vào lưới điện khi các điều
kiện bên ngồi khơng thay đổi (U=220V,f=50Hz,Vdc=480V) ........................ 41
3.2.1.1 Khi muốn bơm dòng điện hiệu dụng 20A vào lưới điện: ................. 41
3.2.1.2 Khi bơm dòng điện 30A hiệu dụng vào lưới điện phân phối: ........... 48
3.2.2 Khi có sự thay đổi biên độ điện áp trên lưới điện phân phối với điện
áp pin mặt trời 480VDC và tần số lưới điện 50Hz .......................................... 55
3.2.2.1 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống còn 180V..................... 55
3.2.2.2 Khi điện áp lưới điện tăng từ 220V lên đến 260V........................... 58
3.2.3 Khi có sự thay đổi tần số điện áp trên lưới điện phân phối với điện
áp pin mặt trời 480VDC và điện áp lưới điện 220V hiệu dụng........................ 62

vii


3.2.3.1 Khi tần số lưới điện giảm từ 50 Hz xuống 48Hz. ............................ 62
3.2.3.2 Khi tần số lưới điện tăng từ 50 Hz lên 52Hz. .................................. 65
3.2.4 Khi có sự thay đổi điện áp nguồn pin mặt trời với điện áp lưới điện
220V hiệu dụng và tần số điện áp lưới 50Hz .................................................. 69
3.2.4.1 Khi dòng điện áp nguồn năng lượng mặt trời giảm từ 480Vdc
xuống còn 440V ......................................................................................... 69
3.2.4.2 Khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời tăng từ 480Vdc lên đến
520V........................................................................................................... 72
3.2.5 Khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời và lưới điện phân phối đều
thay đổi .......................................................................................................... 76
3.2.5.1 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống 180V và điện áp
nguồn điện pin mặt trời giảm từ 480V xuống 440V. ................................... 76
3.2.5.2 Khi điện áp lưới điện giảm từ 220V xuống 180V và điện áp
nguồn điện pin mặt trời tăng từ 480V lên 520V. ......................................... 79
3.2.5.3 Khi điện áp lưới điện tăng từ 180V lên 260V và điện áp nguồn
điện pin mặt trời giảm từ 520V xuống 440V. .............................................. 82
3.2.5.4 Khi điện áp lưới điện tăng từ 180V lên 260V và điện áp nguồn
điện pin mặt trời tăng từ 480V lên 520V. .................................................... 85
3.3 Nhận xét ........................................................................................................ 88
chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
4.1 Kết luận: ......................................................................................................... 89
4.2 Hướng phát triển:............................................................................................ 90
TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 92

viii

Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

I. Đặt vấn đề :
Các nguồn năng lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc năng lượng hóa thạch ln gây ơ
nhiễm môi trường, đang cạn kiệt dần và làm cho trái đất ấm dần lên. Việc tìm ra
nguồn năng lượng sạch, vô tận luôn là ưu tiên hàng đầu. Năng lượng mặt trời, năng
lượng gió đã thỏa mãn được những yêu cầu trên, nhưng có cơng suất khơng lớn và
rất khơng tập trung. Để tận dụng có hiệu quả, cần phải kết nối các nguồn năng
lượng này thông qua hệ thống lưới điện phân phối có sẵn bằng các bộ nghịch lưu có
khả năng kết nối với điện xoay chiều.
Đã có nhiều nghiên cứu về lĩnh vực này [1, 2], tuy nhiên các mục tiêu điều khiển
chủ yếu tập trung điều khiển dịng cơng suất tác dụng P và cơng suất phản kháng Q
với các điều kiện ràng buộc như tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp DC
của bộ nghịch lưu không thay đổi, tuy nhiên, trong thực tế, các giá trị này thay đổi
đáng kể.
Luận văn này tập trung xây dựng một giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu kết nối
lưới AC có khả năng tự động ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới với
công suất Q luôn ở mức rất thấp (hệ số công suất luôn từ 0.98 đến gần bằng 1) ngay
cả khi đảm bảo điện áp, tần số lưới và điện áp đặt vào bộ nghịch lưu thay đổi.
II. Nhiệm vụ của luận văn :
Luận văn “Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc
gia” có nội dung chủ yếu:
- Tầm quan trọng của luận văn.
- Phân tích sự ảnh hưởng của việc hịa hai nguồn điện.
- Xây dựng phương trình và giải thuật để tính tốn bộ chuyển đổi năng lượng.
- Dùng phần mềm Matlab 7.0 mơ phỏng khi hịa năng lượng mặt trời vào lưới
quốc gia.
- Kết quả nghiên cứu của luận văn.

III. Phạm vi nghiên cứu:
- Nghiên cứu bộ nghịch lưu cơng suất nhỏ một pha khi hịa vào lưới điện.
- Nghiên cứu phương pháp tính tốn bộ chuyển đổi nguồn DC-AC.

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 1


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

- Nghiên cứu tính tốn các thơng số khi hịa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào
lưới điện phân phối.
- Đưa ra mơ hình mơ phỏng khi hịa nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới
điện.
- Áp dụng kết quả để tính tốn thiết kế.
IV. Phương pháp nghiên cứu :
1. Thu thập tài liệu liên quan đến đề tài nghiên cứu.
2. Nghiên cứu các mơ hình hịa đồng bộ giữa hai nguồn năng lượng mặt trời và
lưới điện. Ảnh hưởng của các thơng số khi hịa. Đề nghị mơ hình tính tốn cụ
thể.
3. Xây dựng mơ hình mơ phỏng việc hịa, từ đó thiết kế và thi cơng mơ hình thực
tế.
4. Phân tích các kết quả nhận được và các kiến nghị.
5. Đánh giá tổng quát toàn bộ bản luận văn. Đề nghị hướng phát triển của đề tài.
V. Điểm mới của luận văn :
1. Tìm ra các thơng số ảnh hưởng đến việc hòa đồng bộ giữa hai nguồn năng
lượng mặt trời và lưới điện quốc gia.

2. Đưa ra giải thuật và chương trình mới để tính tốn bộ chuyển đổi nguồn năng
lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
3. Góp phần ổn định lưới điện phân phối.
4. Góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ điện cũng như cung cấp
thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng.
5. Nguồn năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới
khi giờ cao điểm.
VI. Giá trị thực tiễn của đề tài :
Từ yêu cầu cấp thiết từ thực tế, góp phần tiết kiệm năng lượng của các hộ tiêu thụ
điện cũng như cung cấp thêm cho nguồn quốc gia một phần năng lượng. Nguồn
năng lượng mặt có thể dự trữ nó góp phần giảm quá tải của nguồn lưới khi giờ cao

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 2


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

điểm. Chính vì lý do trên, đề tài: "Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa
vào lưới điện quốc gia" được hình thành.
Từ cơng việc nghiên cứu của luận văn:
Nhận được kết quả từ một mơ hình thiết kế chính xác bộ chuyển đổi năng

1.
lượng.
2.

Với kết quả nhận được có thể:

 Ứng dụng rộng rãi việc sử dụng cùng lúc hai nguồn năng lượng mặt trời và
lưới điện quốc gia cho các hộ tiêu thụ điện.
 Giúp các nhà hoạch định chiến lược về nguồn năng lượng quốc gia có thêm
một hướng mới về việc phát triển nguồn năng lượng trong tương lai.
 Sử dụng làm tài liệu giảng dạy.
 Giúp cho các nhà thiết kế các tài liệu quan trọng trong tính tốn thiết kế bộ
chuyển đổi nguồn năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện quốc gia.
VII. Nội dung luận văn :
Chương 0 : Giới thiệu
Chương 1 : Tổng quan
Chương 2 : Phương trình tốn và giải thuật điều khiển bộ nghịch lưu
Chương 3 : Sơ đồ và kết quả mô phỏng bằng matlab
Chương 4 : Kết luận và hướng phát triển

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 3


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

1.1 Tính cần thiết.
Ngày nay với xã hội phát triển địi hỏi cần nguồn năng lượng điện lớn. Vì vậy địi
hỏi phải phát triển nhiều nguồn năng lượng điện khác nhau như: nhiệt điện, thủy
điện, năng lượng hạt nhân … nhưng những nguồn năng lượng này ngày càng cạn
kiệt lại ảnh hưởng đến môi trường cũng như môi trường sinh thái. Vì vậy cần nguồn

năng lượng đảm bảo được các yếu tố trên nhưng lại là vô tận. Phong điện, năng
lượng mặt trời được khai thác triệt để nhưng lại rất tốn kém. Với ý tưởng tận dụng
những nguồn nhỏ sẵn có của các hộ gia đình cơng suất nhỏ như: năng lượng mặt
trời, năng lượng gió, máy phát Diesel, máy phát biogas.... sẽ cùng kết nối vào lưới
điện nhằm giảm tải cho lưới điện từ các hộ gia đình và tăng nguồn cung cấp cho hệ
thống điện.
Kết nối các nguồn điện sẵn có từ các hộ gia đình vào hệ thống điện nhằm đảm bảo
liên tục cung cấp điện, chí ít cho chính phụ tải hộ gia đình đang dùng cũng như hạn
chế việc quá tải trên đường dây. Việc kết nối này sẽ tận dụng công suất tối đa của
các nguồn năng lượng mà các hộ tiêu thụ có thể phát khi tải hộ gia đình nhỏ mà
nguồn năng lượng phát lớn. Đây chính là yếu tố nhằm ổn định hệ thống điện khi bị
quá tải.
Các nghiên cứu về vấn đề này đã được triển khai và tập trung nhiều về việc điều
khiển công suất tác dụng, công suất phản kháng. Một vấn đề được quan tâm ngoài
hai việc điều khiển trên là: khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời thay đổi, điện áp
nguồn lưới phân phối thay đổi, tần số nguồn lưới thay đổi nó sẽ ảnh hưởng đến hệ
thống như thế nào.
Với phạm vi nghiên cứu của luận văn là nghiên cứu bộ chuyển đổi năng lượng mặt
trời hịa vào lưới phân phối một pha có công suất nhỏ là việc rất cần thiết khi các
thông số nguồn thay đổi vì nó ảnh hưởng rất lớn đến các khóa điện tử của bộ nghịch
lưu.
Nhiệm vụ của luận văn nhằm ổn định và điều khiển dòng điện bơm vào lưới là
không đổi khi điện áp nguồn năng lượng mặt trời, điện áp và tần số của nguồn lưới
điện phân phối thay đổi, cũng như luôn giữ được Q ở mức thấp nhất nhằm nâng cao

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 4

Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

hệ số cơng suất. Việc ổn định dịng điện sẽ khơng làm hư hại các khóa điện tử của
bộ nghịch lưu cũng như các thiết bị có trong hệ thống đồng thời giảm thiểu tối đa
công suất phản kháng Q phát vào lưới.

1.2 Hòa đồng bộ hai máy phát.
1.2.1 Hòa đồng bộ.
Ta biết rằng thao tác hoà đồng bộ hai máy phát là chọn điểm đồng bộ để đóng áp to
mát của tổ máy hoà lên lưới là việc song song với tổ máy phát đang làm việc trên
lưới. Điểm hoà chính xác là điểm thỏa mãn các điều kiện sau:
-

Biên độ Sđđ máy hòa bằng điện áp lưới Eh =Ul

-

Giá trị tần số của máy hoà phải bằng tần số của lưới Fh = fl

-

Các tổ máy phát phải có cùng thứ tự pha

-

Góc lệch giữa hai véc tơ Eh,Ul bằng "khơng "

Để phân tích các điều kiện ta có thể giả thiết các máy phát đang làm việc khi thực

hiện hồ đồng bộ chính xác phải làm sao để dịng điện cân bằng chạy giữa các máy
phát điện có giá trị nhỏ nhất để máy phát không hỏng, các máy phát hoạt động song
song bình thường. Nếu các điều kiện hồ song song được thoả mãn, đặc biệt góc
lệch pha giữa các điện áp pha nằm trong giới hạn cho phép việc hồ song song xẩy
ra êm, khơng có dịng cân bằng lớn.
Điều kiện hồ song song giữa các máy phát được thỏa mãn khi:
-

Hiệu số hình học điện áp giữa điện áp pha của máy phát đang hoạt động và
máy phát được hồ phải bằng khơng.

-

Dịng cân bằng vào thời điểm hồ bằng khơng, cụ thể khơng có tăng dịng
đột biến, khơng có hiện tượng giao động điện áp trên thanh cái.

-

Nếu các điều kiện hoà đồng bộ chính xác khơng được thoả mãn từng phần
hay tồn bộ khi hịa máy phát vào mạng sẽ có dịng cân bằng và giao động
điện áp trên thanh cái với những giá trị khác nhau trên lưới được quy về một
tổ máy tương đương gọi là Fl. Máy sẽ hoà vào gọi là MF1.

Tại bất cứ thời điểm nào trước khi hồ ta cũng có

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 5

Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

u l  2U l sin(1t   1 )

eh  2 Eh sin(2t  2 )
Giả sử ban đầu lấy

1   2 = 0 ta coù :

u l  eh  u  2U cos(

1   2
  2
)t. sin( 1
)t
2
2

Dòng điện cân bằng chạy trong 2 tổ máy phát ở thời điểm hồ được tính theo cơng
thức sau:

I cb 

u
Xl  Xh

( Xl là điện kháng của máy phát tương đương làm việc trên lưới, Xh là
điện kháng của máy phát hồ)

Hình 1. 1: Cơng tác song song

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 6


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

Hình 1. 2: Sơ đồ biểu thị vecto khi hòa

1.2.2. Phân tích các điều kiện hịa.
a. Điều kiện về điện áp.
Về trị số độ lớn của điện áp lưới và Sđđ máy hồ khơng thoả mãn trong khi đó các
Điều kiện kia thoả mãn:
Lúc đó I cb 

u
> 0 ; độ lớn tuỳ thuộc độ chênh lệch
Xl  Xh

Biểu thị véc tơ chứng minh Điều kiện hồ thứ nhất
khơng thỏa mãn chứng tổ dòng cân bằng còn tồn tại,
dòng cân bằng này có giá trị từ 0 –Inm.

Hình 1. 3: Sơ đồ vecto khi điện áp không thỏa mãn mà các điều kiện khác thảo mãn

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 7


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

b. Điều kiện tần số không thoả mãn.
Gỉa sử điện áp các máy phát bằng nhau, tần số khác nhau: Ul= Eh= U, fl  fh
Trong trường hợp đó các vecto điện áp của máy đang hoạt động và máy được hồ sẽ
lệch nhau một góc  , Vì tốc độ góc của 2 máy phát 1 , 2 khơng bằng nhau nên
góc  thay đổi từ 0-1800, hiệu số hình học các điện áp nằm trong giới hạn từ 0-2U.
Vào thời điểm hoà máy phát điện 1 vào mạng sẽ xuất hiện dịng cân bằng, giá trị
của nó phụ thuộc hiệu hình học điện áp U . Vì điện trở tác dụng của cuộn dây
stator nhỏ so với điện trở kháng nên vecto dòng cân bằng I cb lệch pha với vếc tơ
điện áp U một góc 900. Dịng cân bằng có giá trị đủ lớn gây ra va đập cơ học trên
trục các máy phát làm hư hỏng nặng.
Gía trị biên độ dịng cân bằng vào thời điểm hồ đối với máy phát có cuộn ổn
định khi E ''d1  E ''d 2  E ''d được xác định bằng biểu thức sau:

i

''
yp



2k y .2E ''d

x ''d1  x c  x ''d 2

sin


2

E ''d1 , E ''d 2 - Sức điện động của máy phát 1 và máy phát 2 có điện trở kháng siêu dẫn

dọc trục.

x ''d1 , x ''d 2 - Điện trở kháng siêu dẫn dọc trục của máy phát 1 và máy phát 2.
xc Điện trở kháng, qua điện trở đó máy phát 1 được hoà với máy phát 2.
ky Hệ số va đập, có tính đến thành phần khơng chu kỳ của dịng điện.
2 Hệ số xác định biên độ thành phần có chu kỳ dòng điện.

Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi   180 0
''
i yp


2k y 2 E d''
x d'' 1  xc  x d'' 2

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 8


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

Dòng cân bằng tăng đột ngột rất lớn, có thể đạt giá trị bằng từ 10 đến 15 lần dòng
định mức tạo ra lực điện động rất lớn trong cuộn dây stator làm hỏng các cuộn dây
đó.
Hồ song song máy phát khi góc lệch pha  lớn cũng giống như ngắn mạch trên
thanh cái trạm phát điện. Trong trường hợp đómáy phát được hồ khơng thể được
kéo vào đồng bộ, các máy phát khác bị ngắt khỏi mạng nhờ thiết bị bảo vệ và rời
khỏi đồng bộ.
Dòng cân bằng đạt giá trị cực đại khi   180 0 , U  2U (2Eh)
Nếu hệ thống điện năng có 2 máy phát giống nhau nên x ''d1  x ''d 2 , x c  0 , trong
trường hợp xấu nhất   1800 khi hồ song song, dịng cân bằng đạt giá trị cực đại
bằng dòng va đập ngắn mạch 3 pha trên thanh cái của hệ thống: iyp =

Ed''
2k y ''
xd 1

Giá trị hiệu dụng chênh lệch điện áp U sẽ biến đổi từ 0 khi góc ( = 00) đến 2U
khi ( =180 0) và vì vậy dịng cân bằng I cb 

u
= thay đổi trong khoảng từ 0
Xl  Xh

( = 0) đến Inm khi = 1800) với tần số là

f s  ( fl  fh )

Trong kỹ thuật hồ chính xác người ta thường lấy góc cp = 7,5 - 10 độ điện
c. Điều kiện về thứ tự pha.
Thứ tự pha là điều kiện người vận hành thực tế khơng cần quan tâm đến vì khi lắp
đặt hay sửa chữa, các nhà máy phải xác định cho đúng trước khi thử cho làm việc
song song. Tuy nhiên về bản chất thực sự của thứ tự pha biểu thị chiều quy của véc
tơ điện áp trong không gian.
Theo quy ước nếu thứ tự pha thuận sao điện áp sẽ quay ngược chiều kim đồng hộ,
trong trường hợp ngược lại là ngược thứ tự pha (biểu diễn trên hình 1.4)

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 9


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

Hình 1. 4: Sơ đồ hệ thống ba pha quét tơ quay

Để kiểm tra thứ tự pha người ta có các đồng hồ Phazomet, hoặc thử đơn giản bằng
một động cơ điện xuay chiều. Thứ tự thuận theo ngược chiều kim đồng hồ là Pha A,
Pha B, Pha C
d. Điều kiện về góc lệch pha.
Điểm đồng bộ là điểm có góc lệch  giữa (Ul , Eh) = 0. Trong trường hợp đó Icb = 0.
Ở các góc khác   0 thì Icb  0;
Chú ý : Thơng thường thì việc chọn điểm đóng áp tomát của máy phát hồ sẽ được
thực hiện khi góc  < 10 độ điện về phía trước khi góc  giảm tới "0" (điểm đồng
bộ) do sự chậm trễ của quan sát, động tác và hệ truyền động cơ khí, trước khi goc 
giảm tới "0" vì như vậy máy hồ vào sẽ nhận ngay một phần nhỏ tải của máy đang

làm việc, trường hợp ngược lại máy hoà sẽ trở thành chế độ công suất ngược làm
cho tải của máy đang làm việc trên lưới tăng lên.
1.3 Các nghiên cứu khoa học liên quan.
Có nhiều các nghiên cứu về việc kết nối nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện đã
được công bố đơn cử như: Grid-connected photovoltaic syntems” [1], Digital power
factor control and reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter
[2], Active and Reactive power controller for single-phase [3], Application of Zsource converter in photovoltaic grid-connected transformer-less inverter [4], A
software application for energy flow simulation of a grid connected photovoltaic
system [5]…… tất cả các nghiên cứu trên đều nhắm đến điều khiển công suất tác
dụng P, công suất phản kháng Q và điều khiển dòng điện bơm vào lưới điện.

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 10


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

1.3.1. Điều khiển công suất tác dụng P và công suất phản kháng Q khi kết nối
nguồn năng lương mặt trời vào lưới điện [1].
Phân tích phương trình khi kết nối.

E sin( )  X s I cos( )
P  UI cos( ) 

Q  UI sin( ) 

EU

sin( )
Xs

EU
U2 U
cos( ) 

( E cos( )  U )
Xs
Xs Xs

Trong đó E là điện áp nguồn năng lượng mặt trời, U là điện áp của lưới,  là góc
lệch giữa E và U,  là góc lệch giửa U và I.
Điện áp của nguồn lưới được tính.

u  U m sin(t )  U m sin( m )
Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu.

e  Em sin( m   )
Trong đó:

E m  U m  E

Vậy với nghiên cứu trên để điều khiển công suất tác dụng P bơm vào lưới thì điều
khiển góc lệch  và muốn điều khiển công suất phản kháng Q bơm vào lưới thì
điều khiển E . Sơ đồ điều khiển được biểu diễn hình 1.5.
Kết quả mơ phỏng của phương pháp trên được mơ tả tại hình 1.6. Kết quả mơ
phỏng cho thấy các khoảng thời gian giữa [P,Q]: [0%, 0%], [100%, 0%], [50%,
0%], [50%, 100%], [100%, 0%].
Phương pháp này dùng bộ điều khiển PI so sánh giữa Pref, Qref với P và Q đạt được.

Nghiên cứu này đã đạt được mục tiêu đề ra là điều khiển công suất tác dụng P và
công suất phản kháng Q bơm vào lưới.

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 11


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

Hình 1. 5: Sơ đồ điều khiển của [1]

Hình 1. 6: Kết quả mô phỏng P, Q, S, I. của [1]

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 12


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

1.3.2 Điều chỉnh chỉnh công suất phản kháng và điều khiển hệ số công suất
khi kết nối hệ thống năng lượng mặt trời với lưới điện [2].
Phân tích phương trình

P  UI cos( ) 

Q  UI sin( ) 

VinvVgrid

L

Vgrid

L

sin( )

( Einv cos( )  Vgrid )

Trong đó Vinv là điện áp của bộ năng lượng mặt trời (inverter), Vgrid là điện áp của
lưới điện,  là góc lệch giữa Vinv và Vgrid,  là góc lệch giữa Vgrid và Iout.
Dịng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu được tính
I out Cos 

Vinv Sin
L

Điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu được tính

Vinv  maVdc trong đó ma là chỉ số điều chế.
Thế Vinv ta có

I out Cos 

maVdc

Sin
L

Góc lệch  phụ thuộc độ lớn của Vinv so với Vgrid giá trị Vinv được điều khiển bởi hệ
số ma.
Giải thuật điều khiển được hiển thị trên hình 1.7.
Kết quả đạt được của nghiên cứu [2] tại hình 1.8, phân tích kết quả nghiên cứu cho
thấy việc điều khiển điện áp ngõ ra của bộ nghịch lưu để đạt hệ số công suất cao khi
bơm dòng điện vào lưới. Khi dòng điện ở mức trung bình, hệ số cơng suất đạt khá
cao từ 0.9 – 0.98, tuy nhiên, khi dòng điện bơm vào lưới ở mức thấp và cao, hệ số
công suất giảm đáng kể.

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 13


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

Hình 1. 7: Giải thuật điều khiển của [2]

Hình 1. 8: Kết quả nghiên cứu của [2]

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 14

Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

1.4 Nhược điểm của các nghiên cứu liên quan và hướng nghiên cứu của luận
văn.
1.4.1 Nhược điểm của nghiên cứu [1].
Nghiên cứu [1] đã đạt được mục đích điều khiển cơng suất tác dụng P và công suất
phản kháng Q thông qua điều khiển góc lệch  để điều khiển P và E để điều khiển
Q.
Việc điều khiển P và Q là rất cần thiết khi hòa vào lưới điện. Các thông số liên quan
đến  và E là điện áp của bộ năng lượng mặt trời Vdc, điện áp lưới điện U và tần
số f của lưới điện. Các thông số này trong thực tế thì ln biến động. Vì vậy việc
bơm công suất P và Q vào lưới cần xét đến Vdc, U, f thay đổi là rất cần thiết.
1.4.2. Nhược điểm của nghiên cứu [2].
Nghiên cứu [2] đã đạt được mục đích điều khiển dịng điện bơm vào lưới đạt giá trị
cao nhất bằng việc giữ công suất phản kháng Q bơm vào lưới là bé nhất nhằm nâng
cao hệ số công suất bằng việc điều khiển chỉ số ma nhằm điều khiển Vinv.
Mục đích của việc nghiên cứu này là rất cần thiết, nhưng điện áp Vinv thì ảnh hưởng
đến điện áp của bộ năng lượng mặt trời Vdc và điện áp U và f của lưới điện U. Các
thơng số này trong thực tế thì thay đổi. Vì vậy việc điều khiển bơm dịng điện vào
lưới là rất cần thiết nhưng phải chú ý các thông số liên qua luôn thay đổi.
1.4.3. Hướng nghiên cứu của luận văn.
-

Điều khiển dịng điện bơm vào lưới ln đảm bảo công suất phản kháng Q
để luôn giữ được hệ số công suất ở mức cao nhất khi Vdc thay đổi.

-

Điều khiển dịng điện bơm vào lưới ln đảm bảo công suất phản kháng Q
để luôn giữ được hệ số công suất ở mức cao nhất khi U thay đổi.

-

Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi U thay đổi.

-

Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi Vdc thay đổi.

-

Điều khiển dòng điện bơm vào lưới là hằng số khi khi f thay đổi.

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 15


Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ lưới điện quốc gia

GVHD: TS. Trương Việt Anh

2.1 Sơ đồ kết nối.
Nguồn năng lượng mặt trời có điện áp Vdc = 480V cung cấp nguồn DC cho bộ
nghịch lưu được thiết kế theo mạch cầu H. Điện áp DC qua bộ nghịch lưu biến đổi
thành nguồn AC. Điện áp AC của bộ nghịch lưu được gọi là E. Nguồn E được kết
nối với lưới điện phân phối qua cuộn dây L.

Hình 2. 1: Sơ đồ kết nối nguồn năng lượng mặt trời kết nối vào lưới điện phân phối
một pha
Từ sơ đồ kết nối hình 2.1 ta có sơ đồ kết nối tương đương như hình 2.2.

Hình 2. 2: Sơ đồ tương đương khi kết nối

HVTH:Phạm Quốc Khanh

Page 16