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

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

LÊ TẤN CƯỜNG

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI
ĐIỆN MỘT PHA

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

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2018


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

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

LÊ TẤN CƯỜNG

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN
NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI
ĐIỆN MỘT PHA

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện

PGS. TS. Huỳnh Châu Duy

Phản biện 1

3

TS. Võ Hoàng Duy

Phản biện 2

4

PGS. TS. Nguyễn Hùng

5

TS. Đoàn Thị Bằng

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 luận văn


TRƯỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM


- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới 1 pha bằng matlab/ simulink
- Nhận xét đánh giá kết quả mô phỏng
- Kết luận.
III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017
IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/6/2018
V- Cán bộ hướng dẫn: PGS TS. Nguyễn Thanh Phương
CÁN BỘ HUỚNG DẪN

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN

NGÀNH
(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)


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

Lê Tấn Cường


LỜI CÁM ƠN
Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Công nghệ thành phố Hồ Chí Minh, PGS TS.
NGUYỄN THANH PHƯƠNG, Quý Thầy Cô đã tận tình truyền đạt kiến thức và tạo

- Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống PV kết nối lưới 1 pha bằng matlab/ simulink
- 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:
Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện 1 pha 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, không đề cập đến bài toán kinh tế để
lựa chọn bộ lọc LCL.


ABSTRACT
I. The purposes, the objects and the subjects of the research study
The thesis focuses on the issues related to design controls solar power system integrated
into the single phase power grid, use LCL filter to max the power quality, perfect mixer
before making on grid, detail: Calculations accounting, select parameters for the filter
filter from the selected configuration configuration for filter.
II. The procedures and the limitations of the research study:
1. the procedures of the research study
- Find the sky quality and solutions using effect; Structure and principle of photovoltaics
(PV); Types of PV systems connected and independent
- Design of single phase power inverter, parameters of inverter, determines the size of the
DC link capacitor
- Design calculations, select the parameters for the output filter
- Design of DC voltage control, grid synchronization, current control
- Modeling and simulation of single phase PV system by matlab / simulink
- Evaluate the results of simulation|
- Conclusion.
2. the limitations of the research study

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................... 4
1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới .................................................................................... 4
1.1.1 Biến tần đơn tập trung ............................................................................................ 4
1.1.2 Biến tần hai cấp ...................................................................................................... 5
1.2 Các điều kiện hòa đồng bộ ........................................................................................ 6
1.2.1 Điều kiện về tần số ................................................................................................ 7
1.2.2 Điều kiện về điện áp ............................................................................................... 7
1.2.3 Điều kiện về pha ..................................................................................................... 7
1.2.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới....................................................................... 7


1.3 Các điều khiển của VSI ............................................................................................. 8
1.4 Giảm kích thước của tụ điện DC ............................................................................... 9
1.5 Kỹ thuật đồng bộ hóa lưới ....................................................................................... 11
1.6 Mục tiêu ................................................................................................................... 12
CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI MỘT PHA ...................... 13
2.1 Thông số kỹ thuật biến tần ...................................................................................... 13
2.2 Cấu hình mạch đóng cắt .......................................................................................... 14
2.3 Tụ điện liên kết DC ................................................................................................. 15
2.3.1 Tụ điện phân so với tụ phim ................................................................................. 15
2.3.2 Xác định kích thước tụ điện liên kết DC .............................................................. 18
2.4 Thiết kế bộ lọc đầu ra .............................................................................................. 19
2.4.1 Tính toán lựa chọn giá trị cho cuộn dây và tụ điện .............................................. 20
2.4.2 Cấu hình bộ lọc ..................................................................................................... 21
CHƯƠNG 3 THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................ 24
3.1 Bộ điều khiển dòng điện .......................................................................................... 24
3.1.1 Mô hình................................................................................................................. 25
3.1.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ............................................................................ 26
3.1.3 Tính ổn định vòng kín .......................................................................................... 29
3.2 Phương pháp đồng bộ lưới ...................................................................................... 31

DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
AC

: Dòng điện xoay chiều

DC

: Dòng điện một chiều

DR

: Nguồn phân phối

LF

: Bộ vòng lặp

MPPT

: Theo dõi điểm công suất cực đại

PCC

: Điểm của khớp nối chung

P

: Pin mặt trời

PD


VCO

: Dao động điều khiển điện áp

VSI

: Biến tần điện áp


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 2.1: Thông số kỹ thuật biến tần
Bảng 2.2: Các tham số bộ lọc đầu ra và các giá trị đã chọn của chúng
Bảng 3.1: Tham số của bộ bù PR và tham số của hệ thống
Bảng 4.1: Các thông số mô phỏng công suất vòng lặp biến tần
Bảng C.1: Sóng hài tổng quát của

cho độ lớn


DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung
Hình 1.2: Cấu hình biến tần hai cấp
Hình 1.3: Công suất ra tức thời của một bộ biến tần đơn tại hệ số dịch chuyển
đơn vị
Hình1.4 : Ví dụ về mạch tách công suất tác dụng được dùng
Hình 2.1: Cấu hình mức công suất của biến tần PV một pha điện áp định mức liên kết
DC và thành phần gợn sóng
Hình 2.2: Dạng sóng điện áp liên kết DC chung
Hình 2.3: Cấu hình cầu đầy đủ với sơ đồ đóng cắt điện áp đơn cực PWM


lượng đầu ra và các giá trị mong muốn của nó
Hình 3.12: Các hệ số công suất so với tần số lưới cho Q = 0 trong khi bỏ qua chuyển
đổi sóng hài
Hình 3.13: Sơ đồ công suất biến tần


Hình 3.14: Sơ đồ Pha của

và hai thành phần của nó

Hình 3.15: Vòng lặp điện áp của biến tần
Hình 3.16: Ảnh hưởng của gợn sóng tần số kép trên tín hiệu dòng điện tham chiếu
trong đó

gấp hai lần tần số cơ bản,

được chọn là 0,008 và

được chọn là 1

Hình 3.17: Biểu đồ Bode của vòng lặp điện áp không bù và bù
Hình 4.1: Mô phỏng hệ thống năng lượng mặt trời hòa lưới 1 pha trong Matlab
Simulink
Hình 4.2: Cực điều khiển G của mosfet
Hình 4.3: Tần số chuyển mạch

= 30kHz

Hình 4.4: Cuộn cảm bên cấu hình cầu

Hình 4.27: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi dùng bộ lọc L
Hình 4.28: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc LC
Hình 4.29: Dạng sóng hòa đồng bộ dùng bộ lọc LC
Hình 4.30: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi dùng bộ lọc LC
Hình 4.31: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc LCL
Hình 4.32: Dạng sóng hòa đồng bộ dùng bộ lọc LCL
Hình 4.33: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi dùng bộ lọc LCL


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] PGS.TS. Đặng Đình Thống - Pin mặt trời và ứng dụng- Nhà xuất bản khoa học và
kỹ thuật
[2] R. Erickson and A. Rogers, “A microinverter for building-integrated
photovoltaics,” in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009. APEC
2009. Twenty-Fourth Annual IEEE, feb. 2009, pp. 911 –917.
[3] B. Francis and W. Wonham, “The internal model principle for linear multivariable
regulators,” J. Appl. Maths. Optim., vol. 2, no. 2, pp. 170 –194, 1975.
[4] H. Cha, T.-K. Vu, and J.-E. Kim, “Design and control of proportional-resonant
controller based photovoltaic power conditioning system,” in Energy Conversion
Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE, sept. 2009, pp. 2198 –2205.
[5] A. Timbus, M. Ciobotaru, R. Teodorescu, and F. Blaabjerg, “Adaptive resonant
controller for grid-connected converters in distributed power generation systems,” in
Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2006. APEC ’06. TwentyFirst Annual IEEE, march 2006, p. 6 pp.
[6] F. Schimpf and L. Norum, “Effective use of film capacitors in single-phase
pvinverters by active power decoupling,” in IECON 2010 - 36th Annual Conference
on IEEE Industrial Electronics Society, nov. 2010, pp. 2784 –2789.
[7] T. Shimizu, K. Wada, and N. Nakamura, “Flyback-type single-phase utility
interactive inverter with power pulsation decoupling on the dc input for an ac
photovoltaic module system,” Power Electronics, IEEE Transactions on, vol. 21, no.
5, pp. 1264 –1272, sept. 2006.

IEEE Std 1547-2003, pp. 1 –16, 2003.
[17] “Ieee recommended practices and requirements for harmonic control in electrical
power systems,” IEEE Std 519-1992, p. 85, 1993.


1

MỞ ĐẦU
1. Đặt vấn đề
Hiện nay, thế giới đang hướng tới sử dụng nguồn năng lượng tái tạo thay thế cho
năng lượng hóa thạch dần cạn kiệt và khan hiếm. Lý do chủ yếu sử dụng năng lượng
tái tạo là để bảo vệ hành tinh xanh, nơi con người và tất cả các sinh vật đang tồn tại.
Hơn thế nữa, năng lượng tái tạo không những thân thiện với môi trường mà còn không
phải chịu những chi phí nhiên liệu đầu vào, ít bảo trì và đặc biệt vô tận. Một trong
những nguồn năng lượng tái tạo là năng lượng mặt trời.
Như chúng ta đã biết tuổi thọ của ắc quy không cao tối đa từ 2-3 năm tùy thuộc
vào hãng sản xuất và cách sử dụng mà giá thành lại rất đắt, khi không còn sử dụng
được thoải ra ngoài còn gây ô nhiểm môi trường do thành phần chính của ắc quy là chì
rất độc chính vì lẻ đó nên để giảm chi phí, tổn hao do sử dụng hệ thống ắc quy lưu trữ
điện, cũng như để hệ thống điện mặt trời thực sự thân thiện với môi trường thì ta cần
phải hòa được hệ thống điện mặt trời lên lưới điện.
2. Tính cần thiết
Khi nhu cầu sử dụng năng lượng ngày càng gia tăng thì các nguồn năng lượng
truyền thống như dầu mỏ, than đá… càng dần bị cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Bên
cạnh đó, việc sử dụng những năng lượng truyền thống trên cho thấy những tác động
xấu đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng
tầng ô zôn… là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải ra
từ việc đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, hạn hán, lũ lụt… gây hại cho môi
trường sống của con người.
Trước tình hình đó, việc phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng

điện thông minh (Smart Grid System). Đem lại hiệu quả to lớn trong việc khai thác và
sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu
dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời. Quá trình nghiên cứu sẽ góp phần tăng
nguồn tư liệu phục vụ cho công tác học tập và giảng dạy tại cơ quan nơi học viên công
tác.
4. Mục đích nghiên cứu
Nghiên cứu và thiết kế bộ điều khiển nhằm sử dụng và hòa năng lượng mặt trời lên
lưới điện 1 pha.
5. Phương pháp nghiên cứu


3
5.1 Lý thuyết:
- Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay.
- Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển hệ thống
điện mặt trời nối lưới.
5.2 Mô phỏng:
Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống có sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn
năng lượng tái tạo trên phần mềm MATLAB – SIMULINK.
6. Tên đề tài
Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện một
pha.
7. Bố cục luận văn
Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau:
Chương 1: Giới thiệu chung
Chương 2: Thiết kế biến tần kết nối lưới một pha
Chương 3: Thiết kế bộ điều khiển
Chương 4: Mô phỏng hệ thống trong matlab/ simulink
Chương 5: Kết luận và hướng phát triển trong tương lai
8. Kết luận

khiển và xuống cấp. Các nhược điểm khác có thể bao gồm mất mát trong chuỗi điốt và
không linh hoạt của thiết kế.
Các phiên bản sau này đã được phát triển để tách MPPT cho mỗi chuỗi PV,
Hình 1.1(b). Các hệ thống được gọi là chuỗi biến tần. Nó cung cấp năng lượng thu
hoạch cao hơn so với trung chuyển và loại bỏ sự mất mát liên quan đến chuỗi điốt.
Mặc dù cấu hình này là thuận lợi trong hai cách nói trên, nhưng mọi người vẫn cố
gắng tìm kiếm một thiết kế linh hoạt hơn cho phép họ tạo ra nhà máy điện PV với ít
mô-đun và dễ dàng mở rộng hệ thống trong tương lai. Vì lý do này, các bộ chuyển đổi
DC/DC có thể được kết nối ở giữa các mô đun PV và các bộ chuyển đổi DC/AC để
cung cấp MPPT và khuếch đại điện áp do đó trong mỗi chuỗi sử dụng ít mô-đun PV.
Có thể tiếp tục mở rộng hệ thống một cách dễ dàng với sự trợ giúp của bộ chuyển đổi
DC/DC.


5

(a) Cấu hình biến tần tập trung

(b) Cấu hình biến tần tập trung thu gọn

Hình 1.1: Công nghệ trước đây - Biến tần tập trung
1.1.2 Biến tần hai cấp
Để nâng cao khả năng thu năng lượng và tính linh hoạt thiết kế, riêng bộ chuyển
đổi DC/DC, được kết nối giữa các mô đun PV và Biến tần DC/AC để thực hiện MPPT
cho mỗi chuỗi PV thể hiện ở Hình 1.2. Hệ thống thể hiện trong hình 1.2 (a) có PCC ở
đầu cuối AC. Lợi ích loại hệ thống này từ mô đun của nó và khả năng cài đặt nút và hệ
thống bởi người dùng sở hữu nhiều kiến thức về hệ thống điện. Đầu ra từ bộ chuyển
đổi DC/DC có thể là một điện áp DC có độ gợn sóng thấp, hoặc một dòng điều biến
theo sau một sóng sin điều chỉnh. Trong trường hợp thứ hai, bộ chuyển đổi DC/DC xử
lý MPPT và dòng điện đầu ra trong khi bộ biến đổi DC/AC chuyển sang tần số lưới để



7
1.2.1 Điều kiện về tần số
Tần số của 2 nguồn xấp xỉ bằng nhau. Sai lệch nằm trong khoảng ∆f cho phép. ∆f
này là bao nhiêu tùy thuộc vào việc chỉnh định bộ điều tốc và rơle hòa điện tự động,
hoặc rơle chống hòa sai.
Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho ∆f có trị số > 0 mộ t chú t, nghĩa là tần
số nguồn điện cao hơn tầ n số lưới một chút . Như vậy khi hòa vào lưới nguồn điện sẽ
bị tần số lưới giữ lại, nghĩa là nguồn điện sẽ phát một công suất nhỏ ra lưới ngay thời
điểm đó ng máy cắt.
1.2.2 Điều kiện về điện áp
Người ta cũng cho phép điện áp có sai lệch chút ít so với điện áp lưới và người ta
cũng chỉnh định sao cho điện áp nguồn điện bằng hoặc hơn điện áp lưới một chút để
khi đóng điện thì công suất vô công của nguồn điện nhỉnh hơn 0 một chút. Đối với
điện áp thì có thể điều chỉnh cho điện áp nguồn điện bằng điện áp lưới chính xác mà
không có vấn đề gì.
1.2.3 Điều kiện về pha
Đây là điều kiện bắt buộc và phải tuyệt đối chính xác . Thứ tự pha thường chỉ kiểm
tra khi lắp đặt máy hoặc sau khi có thao tác sửa chữa bảo trì mà phải tháo rời các điểm
nối. Vì phải điều chỉnh tần số nên 2 tầ n số không bằ ng nhau. Do đó , góc pha sẽ thay
đổi liên tục theo tần số phách bằ ng hiệu củ a 2 tần số . Các rơle phải dự đoán chính
xác thời điểm góc pha bằng 0, biết trước thời gian đóng của máy cắt và phải cho ra tín
hiệu đóng máy cắt trước thời điểm đồng bộ bằng đúng thời gian đó. Thường khoảng
dưới 100 ms đến vài trăm ms. Các điều kiện về điện áp và điều kiện về tần số có thể
kiểm tra bằng các dụng cụ đo trực tiếp như vôn kế, tần số kế nhưng các điều kiện về
pha: thứ tự pha và đồng vị pha (góc lệch pha) cần phải kiể m tra nghiêm ngặt hơn.
1.2.4 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới
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