ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN







LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT
NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ  !"#$#%&'()'
Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái
Nguyên.
Cán bộ HDKH : *+*+,-./,0
Chủ tịch :*+*+12 3/#
Phản biện 1 : *+*+ !4#56#
Phản biện 2 : *+ !4# 7#
Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng
cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên.
Vào 8 giờ 00 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013.
Có thể tìm hiểu 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
89:
Năng lượng mặt trời có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an
toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần
thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường. Vì thế, đây

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 trái
đất.
)+)+)+V KLW//X?&JKKLM
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.
)+)+'+%#H5I#&JKKLM
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.
Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân.
)+)+Y+Z[\/]-&JKKLM
Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trường trong
không gian. Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các
hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt quả đất bị thay

1
5,90
Tia nhìn thấy
0,40 ÷ 0,52 µm
2,240.10
2
16,39
0,52 ÷ 0,62 µm
1,827.10
2
13,36
0,62 ÷ 0,78 µm
2,280.10
2
16,68
Tia hồng ngoại
0,78 ÷ 1,40 µm
4,125.10
2
30,18
1,40 ÷ 3,00 µm
1,836.10
2
13,43
3,00 ÷ 100,00 µm
2,637.10
1
1,93
Sóng vô tuyến điện
0,10 ÷ 10,0 cm

>?G?>?G? M5PR) !*#%!*) /0),)1),234),56##78!?
>?G?>?U? !"#CX-YR$ W/Z),)1),234),56##78!
>?G?>?@?["J)Y'/Z),)1),234),56##78!
5
>?G?>?\ !"#CX= 3),=Y#)3;=/Z),
>?G?>?]K),=^-#!72!),= FRC_),)1),234),56##78!
>?G?>?` !"#CX%'))3;=)a),C_),)1),234),56##78!
>?G?>?b? !"#CX2M52F) LM%!&' 9:$ W),$ Q/Z),
)+'+'+5d##"#/\ /e<f/QRST#%#H5I#&JKKLM
Năng lượng mặt trời (NLMT) – nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài
người thực sự đặc biệt quan tâm. Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng NLMT
và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự.
Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nước quan tâm. Mặc
d‰ tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tŠ trọng năng lượng được sản xuất từ NLMT trong tổng năng
lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn ít. Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và
công nghệ sử dụng NLMT trong tổng năng lượng mặt trời là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa
được giải quyết:
- 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 (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.
)+Y+bKH g#/5=#)
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,

lng ln cỏc iot P-N, dui s hin din ca ỏnh sỏng mt tri cú kh nng to ra dũng in s
dng c. S chuyn i ny gi l hiu ng quang in. Cỏc pin nng lng mt tri cú nhiu
ng dng. Chỳng c bit thớch hp cho cỏc vng m in nng trong mng li cha vn
ti, cỏc v tinh quay xung quanh qu o trỏi t, mỏy tớnh cm tay, cỏc mỏy in thoi cm tay
t xa, thit b bm nc Pin nng lng mt tri (to thnh cỏc module hay cỏc tm nng
lng mt tri) xut hin trờn núc cỏc tũa nh ni chỳng cú th kt ni vi b chuyn i ca
mng li in.
S in tng ng ca Pin mt tri:
7
Dn PMT B iu khin
c quy
Ti DC
Ti AC
AC
DC
K
Bộ đóng cắt
mềm PS
~
=
Boost
Converter
ắc quy
controller
các tín hiệu phản
hồi dòng, áp, tốc độ
các giá trị đặt
Bộ đóng cắt
mềm l ới
Máy cắt

'+'+Y+1h[b#_Zk?![h1eeQKe#<lLKlL
Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) có tác dụng biến đổi điện áp một chiều ở đầu vào thành
điện áp đầu ra cao hơn, thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của các thiết bị biến đổi
điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt
trời ).
Mạch Boost Converter có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản.
Cũng d‰ng một nguồn đóng cắt, d‰ng cuộn cảm và tụ điện. Điện
áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung và giá trị cuộn
cảm L.
Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển:
c
DC
PV
DC-DC Boost Converter
MPPT
I
PV
U
PV
U
PV
I
PV
U
d
PI P
WM
U
PV
m

b
u
c
S
1
S
3
S
5
S
4
S
6
S
2
L R
U
PV
m

m

U
DC
L D
M
C
S
4
, S

= +


= + −



= + +


(2.17)
Trong đó: U
m
, ω, ψ là: Biên độ, tần số góc và góc pha đầu của điện áp ra bộ nghịch lưu sau khi đã
qua bộ lọc phía lưới LR.
'+'+n+1hH;/Oo?H5dE
Bộ lọc phía lưới có tác dụng lọc bớt các sóng hài bậc cao gây
ra bởi bộ nghịch lưu. Sơ đồ thay thế như hình vẽ:
Từ sơ đồ thay thế, viết phương trình theo luật Kirholf 2 ta có phương trình:
.
f
g f f f f
di
E i R L u
dt
= + −
(2.18)
Trong đó:
E
g

PV
DC-AC
Controller
L
f
R
f
L¦íI §IÖN
I
G
U
G
c
DC
PV
DC-DC Boost Converter
MPPT
Controller
I
PV
U
PV
7N),%aj
- MPPT Controller : Bộ điều khiển công suất cực đại từ dàn Pin mặt trời. Bộ này có tác dụng điều
khiển cho năng lượng từ dàn pin mặt trời luôn MAX trong mọi điều kiện không ổn định về thời tiết, khí hậu,
thời gian sáng tối, cường độ bức xạ… Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển MPPT trực tiếp điều khiển đóng mở
van của bộ DC – DC.
- U
PV
, I

Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngay
khi thiết kế. Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên tổng trở ngắn mạch
của máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân
bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa 2 đầu máy cắt có thể khác 0. Nhưng thường là ít thay đổi trong
thời gian ngắn. Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng gì lớn, ngoại trừ một
vài điểm nào đó có khả năng quá tải. Đối với một số v‰ng liên kết với hệ thống lưới bằng 1 đường duy
nhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại, góc pha sẽ không còn 0 nữa.
Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì 2 tần số lúc ấy sẽ không còn bằng nhau. Đóng máy cắt lúc đó
phải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện. Và thường rất khó, khó hơn hòa
đồng bộ máy phát. Vì muốn thay đổi tần số của một trong 2 hệ thì không thể tác động tại chỗ được, mà
phải liên hệ từ xa. Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơ le
hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai.
'+^+bKH g#/5=#'
Trong chương 2 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện năng NLMT:
- Nêu đặc điểm, sơ đồ nguyên lý, ưu nhược điểm của 2 hệ thống điện năng lượng mặt trời cơ bản
là hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới.
- Nghiên cứu hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới:
+ Đưa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ biến đổi DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC.
+ Đưa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống.
 Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới.
5=#YEbKPb_G P6#fK3#_f##%#H5I#&JKKLM#3H5d
Y+)+CN#rK<G[h#c/H5 O[?O?#3H5d
Bộ nghịch lưu áp ba pha có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang
dạng năng lượng điện xoay chiều ba pha để cung cấp cho Tải. Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu
có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp. Linh kiện trong
bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa d‰ng để đóng, ngắt dòng điện qua nó. Để đóng cắt xung với
tần số cao ta sẽ lựa chọn linh kiện bán dẫn cho bộ nghịch lưu là MOSFET, IGBT… Nghịch lưu áp nối
lưới được thiết kế sao cho điện áp đầu ra của nghịch lưu áp nối lưới cần phải thỏa mãn một số điều
kiện để chúng có thể hòa lưới và chuyển năng lượng vào lưới. Phương pháp điều chế véc tơ không gian
có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra

s s
i t i c t
i t i c t
i t i c t
ω
ω
ω

=


= +


= +


Nếu ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây pha u ta có thể xây dựng véc
tơ không gian sau:
0 0
120 240
sw
2
( ) ( ) ( ) ( )
3
j j j
s su sv s
i t i t i t e i t e i e
γ
 

s s s
i i ji
α β
= +
Như vậy ta vừa thay thế hệ tọa độ ba pha (u, v, w) thành hệ tọa độ cố định hai pha (α, β).
Y+'+'+ !6#fK;?_htu$vwQ?#fK;?_htS$`w/e<r/K=Ps#?#
Ta hình dung thêm một hệ tọa độ thứ hai với các trục dq, có chung điểm gốc và nằm lệch đi một
góc θ so với hệ αβ.
Gọi:
s
s
i
là véc tơ dòng i
s
quan sát trên hệ tọa độ αβ.

f
s
i
là véc tơ dòng i
s
quan sát trên hệ tọa độ dq.
12
i
s
α
β
i
sv
i

i
s
α
β
θ
ω
Ta có:
s
s s s
f
s sd sq
i i ji
i i ji
α β

= +


= +


Và:
. .
f s j s f j
s s s s
i i e i i e
θ θ
−
= ↔ =
Y+'+Y+L-#K/X?<?#<N//<r/K=["#/ x#

t




















−
−
−
=


























−−
−−
−−
=







Véctơ điện
áp
Véctơ chuyển mạch Điện áp pha Điện áp dây
a b c V
an
V
bn
V
cn
V
ab
V
bc
V
ca
V
0
0 0 0 0 0 0 0 0 0
V
1
1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1
V
2
1 1 0 1/3
1/3 -2/3
0 1 -1
V
3
0 1 0
-1/3 2/3 -1/3

+ u
t
Trong đó u
p
, u
t
là hai véc tơ phải và trái, nằm lần lượt dọc theo hai véc tơ biên chuẩn u
1
và u
2
.
Độ dài véc tơ phải, trái được tính như sau:
14
θ
θ
π
sin
3
2
)
3
sin(
3
2
uu
uu
t
p
=
−=

Ta có công thức tính toán giá trị thời gian điều chế:
θθ
π
sin
3
2
);
3
sin(
3
2
00
i
st
i
sp
U
U
Tt
U
U
Tt
=−=
Đặt
i
U
U
q
0
=

7
ứng với trạng thái điện áp ra bằng 0. Mặt khác, để điện áp ra ít bị méo thì T
0/7
được chia làm đôi và
đặt vào đầu và cuối của T
s
.
Ta có thể tóm tắt thuật toán điều chế véc tơ không gian gồm các bước sau:
- Lượng đặt là điện áp mong muốn đạt được (điện áp lưới).
- Xác định véc tơ u đang thuộc góc phần sáu nào.
- Lựa chọn hai véc tơ biên chuẩn ứng với góc phần sáu đó và véc tơ không theo bảng sau để đảm
bảo số lần chuyển mạch xảy ra giữa các van là ít nhất:
Véc tơ
Góc phần sáu
I II III IV V VI
u
p
u
1
u
2
u
3
u
4
u
5
u
6
u

Ngày nay nhờ sử dụng các bộ vi xử lý, vi điều khiển nên phương pháp điều chế SVM có thể áp đặt
chính xác các véc tơ biên phải, trái từ đó tính được t
p
, t
t
trong mỗi chu kỳ cắt mẫu T
s
.
Y+Y+bKPb[h_G P6#/efK3#
Y+Y+)+8sKaN##8JKKLM
Ta có sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Matlab như sau:
Chọn dàn Pin Mặt trời:
- Loại Modul: SunPower SPR – 305 – WHT
- Số lượng: 330 modul
- Dàn Pin Mặt trời gồm 66 dãy pin đặt song song với nhau, mỗi dãy Pin đặt 5 modul nối tiếp nhau.
Công suất dàn pin là: 66.5.305,2 = 100,7 kW.
Thông số:
- Điện áp hở mạch: U
oc
= 64,2 V ; Dòng điện đoản mạch I
sc
= 5,96 A
- Dòng và áp tại điểm công suất dàn pin cực đại là:
U
mp
= 54,7 V; I
mp
= 5,58 A
16
Đặc tính dòng áp của dàn Pin

v
+
-
Tin hieu dong bo
+
L1
g
C
E
IGBT1
Vdc
V_PV
I_PV
Enable
MPPT
Diode1
V_PV
I_PV
Enable
Pulses
Dieu khien DC-DC (MPPT)
+
+ +
g
A
B
C
+
N
-

dòng điện có thuận lợi là kém nhạy với điện áp dịch pha và biến dạng điện áp lưới, do đó dòng sóng hài
được giảm tới mức nhỏ nhất. Trong khi đó điện áp điều khiển là kết quả của sự tăng quá mức điện áp
nghịch lưu và dòng sóng hài lớn có thể xuất hiện nếu điện áp lưới bị méo hay biến dạng. Nếu hệ thống điện
mặt trời làm việc ở chế độ độc lập với lưới thì điện áp điều khiển có thể chọn một cách tự nhiên. Nhưng khi
hệ thống làm việc ở chế độ nối lưới thì điều khiển dòng là cách thức điều khiển ưu thế nhất. Bởi vậy chỉ
phương pháp điều khiển dòng mới được đi sâu tìm hiểu trong phạm vi đề tài.
Hệ thống điều khiển nghịch lưu sử dụng hai mạch vòng điều khiển. Thứ nhất là mạch vòng điều
khiển phía ngoài để điều chỉnh ổn định điện áp mạch DC link ở mức điện áp 250V. Thứ hai là mạch vòng
điều khiển bên trong để điều khiển dòng điện phản hồi từ lưới I
d
và I
q
.
Dòng điện I
d ref
là đầu ra của bộ điều khiển điện áp một chiều phía ngoài. Để duy trì hệ số công suất
hệ thống lấy tham chiếu I
q ref
= 0.
Điện áp U
d
và Uq thu được ở đầu ra bộ điều khiển dòng. Hai điện áp này được tính toán để đưa ra
tín hiệu điện áp đặt U
ref_abc
hợp lý cho bộ phát xung điều khiển sử dụng phương pháp điều chế SVM ở bộ
nghịch lưu DC/AC.
18
0 0.5 1 1.5 2 2.5 3
0
100

Vab_VSC
Iabc_B1
Vabc_B1
Vdc
Vabc_prim
Iabc_prim
Vdc_mes
Pulses
Dieu khien nghich luu
+ +
g
A
B
C
+
N
-
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-2.5
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.5
1
1.5
2
2.5
x 10

P_B1
P (kW)
P (kW)
Luoi
+
L1
a
b
c
A
B
C
L
Irradiance
(W/m^2)
Ir
Irradiance
(W/m2)
g
C
E
IGBT1
Vdc
m_PV
Vab_VSC
Iabc_B1
Vabc_luoi1
m
Vabc_luoi2
D

b
c
B3
A
B
C
a
b
c
B2
A
B
C
a
b
c
B1
g
A
B
C
+
N
-
A
B
C
a
b
c

Luận văn đã nghiên cứu và giải quyết được những nội dung sau:
1. Tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng.
2. Tìm hiểu về hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời, gồm:
- Hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời độc lập
- Hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới
Cụ thể là đưa ra sơ đồ nguyên lý hệ thống; cấu tạo, nguyên lý làm việc và sơ đồ thay thế của
từng bộ phận trong hệ thống điện.
Chỉ ra ưu thế của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới và đi sâu vào nghiên cứu.
3. Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới.
4. Tìm hiểu và đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới.
5. Tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink và đã đưa ra kết quả mô phỏng. Các
kết quả mô phỏng thể hiện một cách trung thực, khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng thuật
toán điều khiển.
6. Cần nghiên cứu để tìm cách khắc phục sai lệch mô hình sao cho kết quả nghiên cứu giữa
mô hình toán học và mô hình thực tế khác nhau không nhiều để các kết quả nghiên cứu với mô hình
toán học có thể áp dụng trực tiếp cho mô hình thực tế.
20
z,8{|
[1]  !4#e0#5d/(2002) Lý thuyết điều khiển tuyến tính. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[2]  !4#2# ?#(1998) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha (tái bản
lần thứ 1). Nhà xuất bản giáo dục.
[3]  !4#2# ?#(2004) MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động. Nhà
xuất bản Khoa học và Kỹ thuật.
[4]  !4#2# ?#$#SLl?QKKL/ (2002) Truyền động điện thông minh. Nhà xuất bản
Khoa học và Kỹ thuật.
[5] +e}~+~le#}~+&}*+•e#}+?LP+}*+&, “Active Synchronizing Control of a
Microgrid” IEEE Transactions on Power Electronics, issue 99, pp., 2011.
[6] +,+*L#<?Q??e}+e<#S??e}1+? #?K, “Power Flow Studies Of The Regional
Grid With Inter State Tie-Line Constraints” IEEE Conference on Power Quality, pp. 165-171, 2002.
[7] ++€&&lL&?#}+•+8 LHHe*#/l‚}+~+e&?Q, “MATPOWER's Extensible Optimal