1
ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

PHẠM THỊ HỒNG ANH
XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
Chuyên ngành : Tự Động Hóa
Mã số : 605260
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
THÁI NGUYÊN - 2011
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp
Thái Nguyên.
Cán bộ HDKH : PGS.TS Lại Khắc Lãi
Phản biện 1 : TS. Trần Xuân Minh
Phản biện 2 : PGS.TS Phạm Hữu Đức Dục
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao
học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 13 giờ 30 phút ngày 08 tháng 12 năm 2011.
Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên và
Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên.
2
MỞ ĐẦU
Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn.
Đó 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 dòng
sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, 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.
Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong
và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1). Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền
và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện. Còn phần bên trong của nó cũng có
thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời. Một số
thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1.
1.1.2. Năng lượng mặt trời
Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ. Mỗi giây nó
phát ra 3,865.10
26
J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10
16
tấn than đá
tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng
17,57.10
16
J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10
6
tấn than đá.
1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời
5
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động
điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ
điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với
phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau
một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng λ.
1.1.4. Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất.
1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời.
Ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:
- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt
trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển.

1.2.1.2. Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời.
1.2.1.3. Thiết bị sấy khô dùng NLMT
1.2.1.4. Bếp nấu dùng NLMT
1.2.1.5. Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT
1.2.1.6. Động cơ stirling chạy bằng NLMT
1.2.1.7. Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT
1.2.1.8. Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT
1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT
Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước
quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tỷ trọng năng lượng được
sản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn là
do còn tổn tại một số hạn chế như:
- Giá thành thiết bị còn cao.
- Hiệu suất thiết bị còn thấp.
- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế
Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới
điện thông minh. 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
7
(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.
Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời được sử dụng cho các thiết bị điện
trong nhà để thay cho điện lưới. Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điện
tiêu thụ thì lượng điện thừa sẽ được nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy). Ngược lại,
khi lượng điện tiêu thụ lớn hơn lượng điện mặt trời sinh ra (vào ban đêm, hay lúc
trời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ được lấy thêm từ lưới điện như bình thường,
hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt).
1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

dàn pin mặt trời hoặc từ Bộ ác qui thành dòng điện xoay chiều (AC).
Ăc quy
9
2.1.3. Bộ Boost converter
Nhiệm vụ: Tăng trị số điện áp một chiều phù hợp với điện áp một chiều đặt vào
bộ nghịch lưu của hệ thống năng lượng mặt trời, đồng thời thông qua bộ Boost
converter này để thực hiện điều khiển bám công suất cực đại cho hệ thống.
2.1.4. Thiết bị điều khiển
Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối công
suất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng
lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều
khiển máy phát bám lưới khi có lỗi lưới.
2.1.5. Pin mặt trời
Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bán
dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả
năng tạo ra dòng điện sử dụng được. Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện.
2.2. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lưới.
2.2.1. Các điều kiện hòa đồng bộ.
2.2.1.1. Điều kiện về tần số
2.2.1.2. Điều kiện về điện áp
2.2.1.3. Điều kiện về pha
2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới
Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt phải có lắp đặt rơ le
hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai. Rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép
khá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%.
Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản, do điện áp và
tần số khó thỏa mãn điều kiện hoà. Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp, mà hòa điện

Chuyển đổi
DC-AC
Lưới
PV
11
Bộ chuyển đổi 2 trạng thái có tác dụng kết nối lưới gồm có một bộ chuyển đổi
DC-DC để cung cấp điện áp và một bộ chuyển đổi DC-AC để điều khiển dòng điện
đặt vào lưới.
Hình 2.3. Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC
Bộ chuyển đổi DC-DC được mô tả trong hình 2.3 cùng với bộ chuyển đổi DC-
AC và bộ lọc LCL. Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, bộ chuyển mạch
gồm Tranzitor trường M1-M6, sáu đi ốt xoay tự do, hai đi ốt chỉnh lưu D1 và D2,
một biến áp cao tần cùng với hệ số đảo cân bằng 1.2 và một tụ dẫn một chiều C2.
2.3.4. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC
Dựa trên nhiệm vụ và nguyên lý của bộ chuyển đổi DC-DC, ta có thể thiết kế
bộ chuyển đổi này dựa vào các đặc điểm trong bảng 2.1
• Lựa chọn nguồn thiết bị
4 tranzitor trường (M1, M2, M3, M4) được chọn cho cầu đầu vào và 2 tranzitor
trường (M5, M6) được chọn cho kích hoạt chỉnh lưu. Những đặc điểm chính của
các Tranzitor trường này được chỉ ra trong bảng 2.2 và 2.3
Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường
Điện áp đánh thủng Điện trở Dòng điện định mức Điện dung
650V 0.06
Ω
29A 900pF
• Lựa chọn điốt chỉnh lưu:
12
Các thông số của điốt chỉnh lưu được chọn trong bảng sau:
Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu
Điện áp thuận Ngưỡng đánh thủng Dòng điện thuận Dòng điện ngược cực đại

chuyển đổi là 90%, và 0.1% cho phép của gợn sóng điện áp đỉnh nối đỉnh, giá trị
của tụ điện đầu vào là:

1,1
200.2,0.35000.2
33,3333
2
min
1
==
∆
>
inarrays
array
UUf
P
C
(mF)
3 tụ điện 330
F
µ
, 450 V được nối song song tại đầu vào của bộ chuyển đổi để
hạn chế sự ảnh hưởng của gợn sóng tần số cao được tạo ra từ tấm pin mặt trời.
• Giá trị tụ điện đầu ra:
Giá trị của tụ điện chính C2 được tính tương tự với độ gợn sóng là đường hình
sin có tần số bằng hai lần tần số lưới.

mF
UU
P

2.4. Kết luận chương 2
Chương 2 đưa ra sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời, lý thuyết về hòa đồng bộ
hệ thống điện mặt trời nối lưới, thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời nối
lưới bao gồm :
- Sơ đồ khối mạch động lực;
- Các thông số kỹ thuật của mạch động lực;
14
- Thiết kế các bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC.
CHƯƠNG 3
MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
15
3.1. Mở đầu
Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới rất phức tạp, bao gồm nhiều mạch
điều khiển khác nhau. Trong luận văn này đi sâu thiết kế bộ điều khiển biến tần để
kết nối với lưới điện.
Công suất tác dụng và công suất phản kháng chảy từ biến tần vào lưới được thể hiện
qua phương trình

3.2. Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần
Trong luận văn này đề xuất sử dụng cả mạch tương tự và mạch số. Mạch tương tự
được sử dụng để tạo ra tín hiệu cần thiết để đóng mở các Tranzitor trường IGBT
trong mạch động lực, còn mạch số là hệ vi điều khiển có vai trò như bộ não kiểm
soát hoạt động của mạch. Mạch số sẽ điều khiển để tạo ra tín hiệu theo thứ tự yêu
cầu.
Luận văn này tôi sử dụng kết hợp giữa điều chế độ rộng xung hình sin và xung
vuông. Với loại chuyển mạch kết hợp, tổn thất thông qua chuyển mạch của biến tần
sẽ giảm đáng kể giảm được tần số chuyển mạch.
Tải
Hình 3.1: Mạch động lực biến tần
+

UU
P
−=
=
16
Nguyên lý hoạt động của mạch như sau:
Sóng tham chiếu hình sin được lấy mẫu từ lưới điện bằng cách sử dụng máy biến
điện áp để giảm điện áp lưới điện 230V xuống 5V (hình 3.3)
Do sóng hình sin tham chiếu lấy trực tiếp từ lưới nên quá trình đồng bộ hóa sẽ
đơn giản hơn, bởi lẽ sóng sin này được sử dụng để phát ra tín hiệu điều chế SPWM
khi đó tần số điện áp đầu ra của biến tần sẽ luôn bằng tần số lưới điện. Sóng sin lấy
Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý mạch tạo xung điều khiển
Tới G1
Tới G3
Tới G2
Tới G4
Chỉnh
lưu
Sóng tam giác
cao tần
Sóng vuông
Hình 3.3: Sóng sin tham chiếu đã chỉnh lưu
17
mẫu từ lưới điện được đưa tới bộ chỉnh lưu nửa chu kỳ sau đó được đưa tới khâu so
sánh để so sánh với tín hiệu răng cưa tần số cao (Hình 3.4)
Đầu ra khâu so sánh cho ta tín hiệu điều chế độ rộng xung hình sin (SPWM).
Tín hiệu này được đưa tới 2 cổng logic "VÀ". Ngoài sóng điều chế độ rộng xung
SPWM, đưa tới 2 cổng "VÀ" còn có 2 sóng vuông tần số 50Hz và ngược pha nhau
(hình 3.5). Việc tạo sóng ngược pha được thực hiện bằng cách cho sóng vuông đi
qua cổng "NOT"

Phát tín hiệu tam giác tần số cao
Kết thúc
Hình 3.7. Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển
19
3.3. Mạch điều khiển công suất
Để chuyển năng lượng từ biến tần sang lưới cần thỏa mãn điều kiện góc điện áp
của biến tần vượt trước góc điện áp lưới. Để làm được điều này, ta sử dụng
mạch dịch pha lắp sau bộ lấy mẫu sóng sin từ lưới điện, sóng lấy mẫu từ lưới
điện sau khi qua bộ dịch pha sẽ tạo ra sự vượt trước để điều khiển năng lượng
phát vào lưới.
3.4. Trình độ hoạt động của hệ thống
Hoạt động của biến tần nối lưới được chia thành 2 giai đoạn, giai đoạn 1 là
đồng bộ hóa, giai đoạn 2 là gửi năng lượng vào lưới.
Trong giai đoạn đồng bộ hóa, biến tần sẽ phát ra điện áp cùng pha với điện áp lưới.
Sau khi cả 2 điện áp được nối với nhau sẽ chuyển sang giai đoạn điều khiển thứ 2.
Hình 3.8. Công suất tác dụng phát vào lưới theo góc lệch pha
δ
20
Trong giai đoạn này, bộ dịch pha trong mạch điều khiển sẽ dịch chuyển pha của
điện áp biến tần để chúng vượt trước điện áp lưới một góc δ. Với góc δ khác nhau,
biến tần sẽ cho một năng lượng tác dụng và năng lượng phản kháng khác nhau
Ngoài ra, Khi mất điện lưới , biến tần cần được cô lập với lưới để tránh có điện
chạy vào lưới điện có thể gây ra tai nạn. Để thực hiện điều này ta sử dụng bộ ngắt
điện được điều khiển bằng rơle giám sát. Khi lưới mất điện, rơle sẽ tác động và
chuyển tới bộ ngắt mạch.
3.5. Kết quả mô phỏng
Để kiểm tra hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới đã thiết kế ở trên, ta
tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink và Plecs. Như đã đề
cập ở trên, phần này chỉ tập trung mô phỏng hoạt động của bộ nghịch lưu nối lưới.
Sơ đồ mô phỏng khối tạo xung điều khiển biến tần trong Matlab Simulink Plecs

. Hệ số này được định nghĩa là tỉ số giữa biên độ sóng
hình sin tham chiếu Ur, và diên độ sóng hình tam giác U
c
(được coi như sóng mang)
M
A
được xác định như sau:
Hình 3.11. Điện áp ra của biến tần đã qua lọc
Hình 3.10. Điện áp đầu ra của biến tần chưa qua lọc
22
r
A
c
U
M
U
=
(3.3)
M
A
đóng một vai trò quan trọng trong việc xác định điện áp đầu ra của biến tần.
Về mặt lý thuyết, giá trị gia tăng M
A
, điện áp xoay chiều đầu ra của biến tần cũng
sẽ tăng lên. Đó là vì khi tăng M
A
, khoảng thời gian "ON " của tín hiệu điều chế
SPWM sẽ dài hơn, dẫn đến năng lượng trong các cổng điện tử trong trạng thái "ON
" lâu hơn. Hình 3.11 dưới đây biểu diễn sóng sin điều điều chế độ rông xung ứng
với M

ảnh hưởng đến sóng hài đầu ra. Trong khoảng M
A
< 1, điện áp đầu ra của biến tần
nhỏ, song các sóng hài bậc cao cũng nhỏ. Trong khoảng M
A
> 1 biên độ sóng hài
tăng lên đáng kể. Vì vậy, để có được mức điện áp cao có chứa hài thấp để thiết kế
bộ lọc là dễ dàng hơn, giá trị M
A
lựa chọn giữa 0,8 đến 0,9.
3.7. Kết luận chương 3
Chương 3 đề cập đến việc thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển nối lưới điện
mặt trời, bao gồm:
- Mạch lấy mẫu và chỉnh lưu;
- Mạch điều chế độ rông xunh hình sin;
- Vi điều khiển để kiểm soát trình tự hoạt động của hệ thống;
- Mạch tạo tín hiệu điều khiển biến tần;
- Điểu khiển công suất tác dụng và phản kháng;
- Ảnh hưởng của sóng điều chế độ rộng xung hình sin đến chất lượng điện áp
ra và sóng hài.
24
KẾT LUẬN CHUNG VỀ LUẬN VĂN
1. ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC CỦA LUẬN VĂN.
1. Luận văn đã nghiên cứu và giới thiệu nguồn năng lượng mặt trời: Cấu tạo,
phương pháp sản xuất, sử dụng trong thực tế.
2. Từ lý thuyết về hòa đồng bộ , luận văn đã xây dựng được sơ đồ mạch động
lực của hệ thống điện mặt trời nối lưới, chức năng, nhiệm vụ của các phần tử và tính
toán cụ thể trong sơ đồ.
3. Thiết kế bộ điều khiển biến tần để kết nối với lưới điện và mô phỏng hệ
thống sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn năng lượng mặt trời trên phần mềm