BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM TOÀN SINH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT
NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN

BẰNG BIẾN TẦN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện
Mã số ngành:60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP. HCM

---------------------------

PHẠM TOÀN SINH

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG KẾT
NỐI PIN QUANG ĐIỆN VỚI LƯỚI ĐIỆN

BẰNG BIẾN TẦN
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành : Kỹ thuật điện


Phản biện 1

3

TS.Đinh Hoàng Bách

Phản biện 2

4

PGS.TS. Ngô Chí Kiên

5

PGS.TS Trương Việt Anh

Ủy viên
Ủy viên, Thư ký

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau khi Luận văn đã được
sửa chữa (nếu có).
Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

- Đánh giá kết quả mô phỏng.
III- Ngày giao nhiệm vụ:

20/08/2015

IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 11/01/2016
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

PGS TS. Nguyễn Thanh Phương

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết
quả nêu trong Luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ
công trình nào khác.
Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện Luận văn này
đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã được chỉ rõ nguồn
gốc.
Học viên thực hiện Luận văn
(Ký và ghi rõ họ tên)


ii


đa bậc lai.
- Lập giải thuật và mô phỏng mô hình bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất bằng phần
mềm MATLAB.
- Nghiên cứu giải thuật điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai.
- Đánh giá kết quả mô phỏng.
- Kết luận.
2. Giới hạn của đề tài
Do giới hạn về thời gian và điều kiện nghiên cứu nên đề tài chỉ giới hạn các
vấn đề như sau:
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng biến tần lai thông qua
mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc
tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực.


iv

ABSTRACT
I.

The purposes, the objects and the subjects of the research study
This study is aimed at researching the control system connected to the solar

cellsby the grid usingthe hybrid inverter, namely: the solar cells and MPPT
algorithms,

thehybrid

inverter


focusses on studying the control of the system connected to PV by the grid using the
hybrid inverter through modelling and simulating by using Matlab/Simulink tools. The
calculation of the design of PV panel and the real model design are not conducted in
this study with the limitations of the above mentioned conditions.


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CÁM ƠN ............................................................................................................. ii
TÓM TẮT.................................................................................................................. iii
ABSTRACT .............................................................................................................. iv
MỤC LỤC ...................................................................................................................v
DANG MỤC VIẾT TẮT .......................................................................................... ix
DANH MỤC CÁC BẢNG..........................................................................................x
DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH ........................................ xi
Chương 1 TỔNG QUAN .............................................................................................1
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu .......................................................................1
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ...................5
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu ..................................5
CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................7
2.1 Năng lượng mặt trời. .........................................................................................7
2.2 Pin quang điện (PV). .........................................................................................8
2.2.1 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của PV. ....................................................8
2.2.2 Mạch tương đương của PV. ......................................................................10
2.2.3 Mạch PV khi có tính đến các tổn hao. ......................................................10
2.2.4 Tấm PV. ....................................................................................................12
2.2.5 Hệ thống dãy PV. ......................................................................................13
2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến PV. ........................................................................15

2.6.2.2 Pin quang điện cấp nguồn cho hệ thống chiếu sáng ..........................39
2.6.2.3 Hệ thống PV ở những khu xa dân cư .................................................40
CHƯƠNG 3 BỘ NGHỊCH LƯU ĐA BẬC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU
KHIỂN.......................................................................................................................41
3.1 Khái quát về bộ nghịch lưu áp đa bậc. ............................................................41
3.1.1 Khái niệm. .................................................................................................41
3.1.2 Phân loại. ..................................................................................................41
3.2 Các cấu trúc cơ bản của bộ nghịch lưu áp đa bậc. ..........................................42
3.2.1 Cấu trúc bộ nghịch lưu áp chứa cặp diode kẹp (Neutral Point Clamped
multilevel inverter –NPC)..................................................................................42
3.2.2 Cấu trúc tụ điện thay đổi (Flying capacitor inverter) ...............................44
3.2.3 Cấu trúc dạng ghép tầng (Cascade Inverter) ............................................45
3.2.4 Cấu trúc bộ nghịch lưu đa bậc lai (Hybrid Multilevel Inverter) ................46
3.2.5 Nhận xét ....................................................................................................47


vii

3.3 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu và các dạng sóng
mang dùng trong kỹ thuật PWM. ..........................................................................48
3.3.1 Một số chỉ tiêu đánh giá kỹ thuật PWM của bộ nghịch lưu. ....................48
3.3.2 Các dạng sóng mang dùng trong kỹ thuật PWM ......................................49
3.3.2.1 Bố trí cùng pha (PD: In phase Disposition) : .....................................49
3.3.2.2 Hai sóng mang kế tiếp nhau sẽ dịch 1800: .........................................49
3.3.2.3 Bố trí đối xứng qua trục Zero: ...........................................................50
3.4 Các phương pháp điều chế bộ nghịch lưu áp. .................................................51
3.4.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin–PWM). .............................51
3.4.2 Phương pháp điều chế độ rộng xung cải biến (SFO – PWM) ..................52
3.4.3 Phương pháp điều chế vectơ không gian ..................................................53
3.4.3.1 Khái niệm vector không gian .............................................................53

TÀI LIỆU THAM KHẢO .........................................................................................98


ix

DANG MỤC VIẾT TẮT
PV- photovoltaic
α - phase angle of reference vector
λ - power factor
φ - phase angle of current
ω - angular frequency
ψ - phase angle
ε - control phase angle
cosφ - fundamental power factor
f – frequency
R – resistance
S – apparent power
T – time period
P – active power
Q – reactive power
Z - impedance
..a, ..b, ..c - phases of three-phase system
DPC Direct Power Control
DSP Digital Signal Processor
IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
PLL Phase Locked Loop
PWM

Pulse-Width Modulation


Bảng 3.2: Nguyên tắc tổng hợp điện áp nghịch lưu lai bảy bậc hình 3.4 ................47
Bảng 3.3: Điện áp và các chỉ số điều chế của bộ nghịch lưu lai 5 bậc (V=Vd). ......62
Bảng 4.1: Các tiêu chuẩn nối lưới hệ thống PV [4]. ................................................74
Bảng 4.2: Các thông số môđun PV EC-110-G. ........................................................78
Bảng 4.3: Kết quả mô phỏng các giá trị điện áp, dòng điện và công suất tại MPP
của array gồm 5 môđun PV EC-110-G mắc nối tiếp. ...............................................83
Bảng 4.5: Các thông số chính cho việc mô phỏng mô hình đưa ra. ...........................90


xi

DANG MỤC CÁC BẢNG BIỂU, ĐỒ THỊ, HÌNH ẢNH
Hình 2.1: Phổ năng lượng mặt trờiGT [ERDA/NASA-1997] .....................................8
Hình 2.2: Cấu tạo các lớp PV. ....................................................................................9
Hình 2.3: Mạch tương đương của PV. ......................................................................10
Hình 2.4: Sơ đồ ngắn mạch và hở mạch của PV. .....................................................10
Hình 2.5: Sơ đồ mạch cell PV thực tế. ......................................................................11
Hình 2.6 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rs ...............................................................11
Hình 2.7 : Đặc tính I -V ảnh hưởng bởi Rp ...............................................................11
Hình 2.8: Đặc tính pin PV ảnh hưởng bởi cả Rs và Rp .............................................12
Hình 2.9: Hình dạng Cell, Module và Array của PV. ...............................................13
Hình 2.10: Hình thức ghép và đường đặc tính I -V của môđun PV ..........................13
Hình 2.11: Array PV nối tiếp ...................................................................................13
Hình 2.12: Đường đặc tính I -V của Array PV nối tiếp ...........................................14
Hình 2.13: Array PV nối song song .........................................................................14
Hình 2.14: Đường đặc tính I -V của Array PV nối song song .................................14
Hình 2.15: Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ..........................................15
Hình 2.16: Đường đặc tính I -V của Array PV nối kết hợp song song và nối tiếp ..15
Hình 2.17: Đặc tính I -V dịch xuống khi chiếu độ giảm ...........................................16
Hình 2.18: Hiệu suất chuyển đổi quang điện theo bức xạ, hiệu suất này ổn định khi

Hình 2.42: Hệ thống pin quang điện có bộ ắc qui ....................................................38
Hình 2.43: Hệ thống bơm nước được cấp nguồn từ hệ thống pin quang điện .........39
Hình 2.44: Hệ thống chiếu sáng được cấp nguồn từ pin quang điện .......................40
Hình 2.45: Hệ thống pin quang điện ở những khu xa dân cư. ..................................40
Hình 3.1: Bộ nghịch lưu áp dạng diode kẹp (NPC) ..................................................43
Hình 3.2: Bộ nghịch lưu áp dạng tụ điện thay đổi ....................................................44
Hình 3.3: Bộ nghịch lưu áp đa bậc dạng cascader inverter. ....................................45
Hình 3.4: Cấu trúc nghịch lưu lai một pha bảy bậc .................................................46
Hình 3.5: Sóng mang dạng PD .................................................................................49
Hình 3.6: Sóng mang dạng APOD ............................................................................50
Hình 3.7: Sóng mang dạng POD ..............................................................................50
Hình 3.8: Quan hệ giữa biên độ áp điều khiển và biên độ sóng mang. ....................53
Hình 3.9. Vector không gian .....................................................................................54
Hình 3.10. Giản đồ vector điện áp bộ nghịch lưu áp 3 bậc ......................................55
Hình 3.11: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch tạo trễ ...................................56
Hình 3.12: Điều khiển theo dòng điện sử dụng mạch hiệu chỉnh .............................57
Hình 3.13: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ quay. 58


xiii

Hình 3.14: Sơ đồ điều khiển phương pháp vector dòng điện trong hệ tọa độ đứng
yên. ............................................................................................................................59
Hình 3.15: Thuật toán PWM cho bộ nghịch lưu 3 bậc & 2 bậc. ..............................60
Hình 3.16: Sơ đồ mạch bộ nghịch lưu lai 3 pha 3 bậc & 2 bậc ...............................60
Hình 3.17: a) Mô hình tương đương từ mạch khảo sát - b)Mạch tương đương cuối
cùng . .........................................................................................................................61
Hình 3.18: Sơ đồ mô phỏng tổng quát trong Simulink. ............................................64
Hình 3.19 : Điện áp điều khiển .................................................................................65
Hình 3.20: Khối khởi tạo xung kích. .........................................................................65

EC-110-G mắc nối tiếp trong trường hợp chiếu độ thay đổi. ...................................82
Hình 4.10: Đáp ứng điện áp, dòng điện và công suất của array gồm 5 môđun PV
mắc nối tiếp khi chiếu độ thay đổi. ...........................................................................82
Hình 4.11: Mô hình Simulink của mạch Buck-Boost converter. ...............................83
Hình 4.12: Mô hình mô phỏng mạch Buck-Boost converter được cấp nguồn từ PV
array qua thuật toán MPPT. ......................................................................................84
Hình 4.13: Kết quả mô phỏng mạch Buck-Boost converter ở hình 4.12. ..................85
Hình 4.14: Sơ đồ cấu trúc bộ nghịch lưu lai 5 bậc đề xuất. a) BNL 3 bậc NPC ; b)
BNL 2 bậc thông thường. ..........................................................................................86
Hình 4.15: Các thông số mô hình khối máy biến áp. ................................................87
Hình 4.16: Các thông số mô hình khối lưới ba pha. .................................................87
Hình 4.17: Mô hình hệ thống điều khiển hoàn chỉnh................................................90
Hình 4.18: Dạng sóng áp điều khiển. ........................................................................91
Hình 4.19: Dạng sóng sóng mang 6kHz. ...................................................................91
Hình 4.20: Dạng sóng áp pha ngõ ra bộ nghịch lưu..................................................92
Hình 4.21: Dạng sóng dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu. ............................................92
Hình 4.22: Dạng sóng điện áp dây tại điểm kết nối chung (PCC). ...........................92
Hình 4.23: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC. ....................................................92
Hình 4.24: Dạng sóng dòng điện tại PCC với trường hợp lưới bị mất điện (0.040.06s). ........................................................................................................................93
Hình 4.25: Dạng sóng dòng điện ba pha tại PCC. ....................................................93
Hình 4.26: Dạng sóng áp pha A của hệ thống phát và lưới được đồng bộ. ...............93
Hình 4.27: Phổ hài của dòng điện pha A tại điểm kết nối chung. ..............................94
Hình 4.28: Tỉ lệ của dòng hài bậc 2 đến bậc 10 tại điểm kết nối chung. ...................94
Hình 4.29: Phổ hài của điện áp pha A tại điểm kết nối chung. ..................................95


1

Chương 1 TỔNG QUAN
1.1 Tổng quan về hướng nghiên cứu

cắt thấp hơn và hiệu suất cao hơn.
Chính vì những vấn đề trên mà việc nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV
với lưới dùng biến tần đa bậc lai là một đề tài cần triển khai thực hiện trong giai
đoạn hiện nay.
* Một số công trình nghiên cứu trong và ngoài nước về hệ thống kết nối PV
với lưới được tóm tắt như sau:
[1] N.A. Rahim, J. Selvaraj, C. Krismadinata, “Five-level inverter with dual
reference modulation technique for grid-connected PV system”, Crown
Copyright 2009 Published by Elsevier Ltd.
Bài báo này trình bày một bộ nghịch lưu pin mặt trời nối lưới năm bậc một pha
với kỹ thuật hai tín hiệu điều chế mới. Hai tín hiệu điều chế giống nhau với độ lệch


2

tương đương biên độ tín hiệu sóng mang tam giác được dùng để phát ra tín hiệu
PWM. Bộ nghịch lưu gồm một bộ nghịch lưu toàn cầu và một mạch phụ gồm 4 điốt
và một công tắc. Bộ nghịch lưu tạo điện áp ngõ ra 5 bậc: 0, +1/2Vdc, Vdc, - 1/2Vdc,
và - Vdc. Một thuật toán điều khiển dòng tích phân tỉ lệ (PI) số được bổ sung trong
DSP TMS320F2812 để giữ dòng bơm vào lưới hình sin và có đặc tính động cao với
tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp. Tính hiệu lực của bộ nghịch lưu đưa ra
được chứng minh qua kết quả mô phỏng và thực nghiệm. Các kết quả thực nghiệm
so với bộ nghịch lưu PWM nối lưới ba bậc một pha thông thường về mặt THD.
* Ưu điểm:
- Tạo ra dòng điện bơm vào lưới hình sin
- Đặc tính động cao với tổng độ méo dạng sóng hài (THD) thấp hơn (7,5% so
với BNL 3 bậc thông thường là 12,8%)
- Dùng thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) để tìm điểm làm việc
của đường cong I-V ở giá trị cực đại. Thuật toán MPPT sẽ đảm bảo rằng công suất
cực đại được phân phối từ các dãy pin mặt trời ở bất kỳ tình trạng thời tiết nào.

2%.
2. Tần số đóng cắt thấp hơn so với các BNL thông thường
3. Hiệu quả lọc cao vì điện kháng rò của các MBA ghép tầng
4. Áp dv/dt đặt lên các linh kiện đóng cắt thấp
5. Bộ PVPC dùng một bộ chuyển đổi tăng áp DC/DC để đạt được chức năng
truy tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và làm cho tụ DC giữ trạng thái
cân bằng.
6. Cách ly được dòng DC và lưới thông qua việc sử dụng các máy biến áp
ghép tầng.
* Hạn chế:
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
- Không đề cập và giải quyết vấn đề cô lập hệ thống PV trong trường hợp
nguồn lưới bị sự cố và mất điện.
[3].

Bài báo này nói về việc mô hình hóa và mô phỏng của một hệ thống pin quang
điện nối lưới (GCPS) để phân tích cách kết nối lưới và hiệu quả điều khiển của
GCPS trong việc thiết kế hệ thống. Một mô hình mạch đơn giản của dãy pin mặt
trời được dùng để mô phỏng dễ dàng các đặc tính vốn có của nó với số liệu đặc tính


4

cơ bản. Việc điều khiển công suất và bảo vệ của GCPS cũng như các mạch điện của
nó được trình bày bởi các thành phần gắn liền và được định nghĩa bởi người sử
dụng để đưa vào tính toán quá độ ở các tình trạng bình thường và sự cố, mà ở đó nó
được kiểm soát bởi bộ điều khiển điện tử công suất. Mô hình được mô tả với sự
xem xét và thi hành trong phần mềm PSCAD/EMTDC, một gói phần mềm quá độ
hệ thống điện. Các kết quả mô phỏng có phạm vi rộng được trình bày và phân tích
để chứng minh rằng mô hình mô phỏng được đưa ra là hiệu quả đối với sự đánh giá

cơ sở các bộ nghịch lưu ba pha chuẩn.
* Ưu điểm:
Bài báo đã đưa ra mô hình điều khiển GCPS với các ưu điểm như sau:
- Có khả năng nâng cao công suất định mức so với các bộ nghịch lưu 3 bậc
thông thường.


5

- Bên cạnh việc phát công suất, hệ thống hoạt động như một bộ lọc tích cực
với khả năng cân bằng tải, bù sóng hài và bơm công suất phản kháng.
- Không gặp vấn đề phải cân bằng điện áp như các bộ nghịch lưu đa bậc khác.
- Tạo điện áp ngõ ra 9 bậc nên ít bị méo dạng.
- Sử dụng hai dãy pin riêng biệt cấp cho mỗi BNL nên hạn chế được dòng
điện thứ tự không trong mạch.
* Hạn chế:
- Thuật toán điều khiển phức tạp so với các BNL thông thường.
- Không đề cập rõ chỉ số độ méo dạng tổng do sóng hài (THD).
- Không thực hiện phân tích sự đồng bộ theo các thông số sai lệch cho phép.
1.2 Tính cấp thiết của đề tài, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Như đã đề cập ở trên, với sự khan hiếm của các nguồn năng lượng hóa thạch và
các ảnh hưởng của chúng đến môi trường thì việc nghiên cứu kết nối các PV với lưới
là vấn đề cấp thiết nhằm khắc phục tình trạng thiếu điện trầm trọng như hiện nay.
triển cho các hướng nghiên cứu sau này.
Có thể dùng cho việc thiết kế chế tạo hệ thống điều khiển kết nối các PV với lưới
điện bằng biến tần lai.
1.3 Mục đích nghiên cứu, khách thể và đối tượng nghiên cứu
Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối pin mặt trời với lưới bằng biến tần lai, cụ
thể: pin mặt trời và các thuật toán MPPT; biến tần lai và kỹ thuật điều chế; thuật toán
điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới.

7

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Năng lượng mặt trời.
Năng lượng Mặt trời là một trong các nguồn năng luợng 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 là khi tới bề mặt Quả đất.
Ngày nay Năng lượng mặt trời đang ngày càng thu hút được nhiều sự quan
tâm và đầu tư. Tuy nhiên, vấn đề giá cả nguồn điện mặt trời hiện nay vẫn là một vấn
đề lớn. Hiện nay năng lượng mặt trời chỉ cung cấp một phần nhỏ bé trong nhu cầu
về điện cho con người nhưng những người ủng hộ năng lượng này tin tưởng kỉ
nguyên năng lượng mặt trời chỉ mới bắt đầu và càng ngày được đẩy mạnh khi các
quốc gia phát triển thực hiện chiến dịch chống biến đổi khí hậu và hạn chế việc phụ
thuộc vào nhiên liệu hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than, v.v.
Mặt trời bức xạ năng lượng theo một dãy rất rộng, tuy nhiên không phải tia
bức xạ nào cũng có thể tạo ra hiện tượng quang điện. Chỉ có những tia bức xạ (ứng
với bước sóng (  ) có năng lượng lớn hơn mức năng lượng kích hoạt electron (tuỳ
từng chất bán dẫn) mới có khả năng tạo ra hiện tượng quang điện.
Phân tích một điển hình về phổ năng lượng mặt trời tác động lên pin quang
điện silicon. Trên biểu đồ phổ năng lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % năng lượng mặt
trời tổn hao không có tác dụng do có năng lượng thấp hơn năng lượng band gap
(hiểu như mức năng lượng tối thiểu để kích hoạt các electron ra khỏi trạng thái tĩnh

của chúng) của silicon (h < Eg). 30,2 % khác cũng bị mất đi ở các vùng năng
lượng (h > Eg). Chỉ có 49,6 % năng lượng hữu ích có thể được thu bởi pin quang
điện”.