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

HVTH: VÕ TRỌNG CHINH

ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2018


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

HVTH: VÕ TRỌNG CHINH

ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT
TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI
KẾT NỐI LƯỚI

LUẬN VĂN THẠC SĨ
Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã ngành: 60520202



PGS.TS Ngô Cao Cƣờng

Phản biện 2

4

PGS.TS Nguyễn Hùng

5

TS Võ Hoàng Duy

Chủ tịch

Ủy viên
Ủy viên, Thƣ ký

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


TRƢỜNG ĐH CÔNG NGHỆ TP. HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH


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 chƣa từng đƣợc 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 đƣợc cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong Luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc.
Học viên thực hiện Luận văn

VÕ TRỌNG CHINH

i


LỜI CÁM ƠN
Thành công nào mà cũng gắn liền với những sự hỗ trợ, giúp đỡ dù ít hay nhiều,
dù trực tiếp hay gián tiếp của ngƣời khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học
tập ở trƣờng đến nay, em đã nhận đƣợc rất nhiều sự quan tâm, giúp đỡ của quý
Thầy Cô, gia đình và bạn bè. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, em xin gửi đến quý
Thầy Cô ở Khoa Cơ - Điện - Điện tử Trƣờng Đại Học Công Nghệ TP HCM đã cùng
với tri thức và tâm huyết của mình để truyền đạt vốn kiến thức quý báu cho chúng
em trong suốt thời gian học tập tại trƣờng. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng
Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em đƣợc tiếp
cận với những môn học mà theo em là rất hữu ích đối với tất cả các sinh viên thuộc
các chuyên ngành điện. Em xin chân thành cảm ơn PGS.TS Lê Minh Phƣơng đã tận
tâm hƣớng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI
CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƢỚI.
Bƣớc đầu đi tìm hiểu về lĩnh vực sáng tạo khoa học còn nhiều bỡ ngỡ, kiến thức của

hiện việc bám sát tần số và góc pha của lƣới điện trong chế độ nối lƣới giúp nhanh
chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất
lƣợng lƣới điện và giảm tổn hao truyền tải.

iii


ABSTRACT
The thesis presents the results of a study on adaptive droop controller to
allocate power to inverters for microgrid systems that can operate flexibly in standalone or grid-connected modes.
The proposed studied system consists of three 2 kW inverters with different
line parameters connected in parallel to provide power to load or grid connection.
Simulation results are provided by the Simulink toolbox in the Matlab
software, with different operating modes as well as different scenarios given in each
mode, such as diffetent active power and reactive power ratio for 3 inverters. In
addition, the frequency change of the grid is also considered to assess the response
of the proposed controller.
It can be concluded from the simulation results that the proposed adaptive
droop controller allows for a precise power sharing to the rated power of threephase alternating voltage inverters connected in stand-alone power system. As well
as demonstrating the frequency and phase angle of the grid in grid-connected mode,
it quickly synchronizes to provide maximum power for the system to improve
power quality and reduce transmission losses.

iv


MỤC LỤC
Chƣơng 1:

1


3

1.3.2 Các loại microgrid

4

1.4 Nguồn năng lƣợng phân tán

7

1.5 Các vấn đề của lƣới microgrid

9

1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lƣợng

9

1.5.2 Microgrid và chế độ tự động

10

1.5.3 Điều khiển ở chế độ kết nối lƣới và độc lập

11

1.5.4 Độ tin cậy và chất lƣợng hệ thống

11


18

2.5 Xây dựng mô hình các bộ nghịch lƣu kết nối song song

21

2.6 Vòng khóa pha

22

Chƣơng 3:

24

CÁC PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG
MICROGRID

24

3.1 Kỹ thuật điều khiển truyền thông

24

v


3.1.1 Điều khiển tập trung

24


33

3.3 Phƣơng pháp dùng trở kháng ảo

33

3.3.1 Vòng lặp đầu ra trở kháng ảo

33

3.3.2 Vòng lặp trở kháng ảo đƣợc tăng cƣờng

34

3.3.3 Phƣơng pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo

35

3.4 Phƣơng pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ

37

Chƣơng 4:

40

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƢU TRONG MICROGRID

40


48

4.3.1 Phân tích chia công suất tác dụng

48

4.3.2 Phân tích chia công suất phản kháng

52

4.4 Sơ đồ điều khiển droop đề xuất

55

4.4.1 Sơ đồ truyền tín hiệu

55

4.4.2 Sơ đồ điểu khiển công suất P, Q

56

vi


Chƣơng 5:

59


65

5.2.3 Khối chuyển đổi dq αβ

66

5.2.4 Khối tạo xung SVPWM

67

5.2.5 Khối Droop Control chia tải

68

Chƣơng 6:

69

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

69

6.1 Chế độ lƣới độc lập (Mode 0 và 1)

70

6.1.1 Trƣờng hợp 1- Tỷ lệ công suất 1:1:1, Mode 1

70


81

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ lƣới microgrid thông thƣờng

4

Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thƣờng

4

Hình 1.3. DC-microgrid

6

Hình 1.4. Lƣới điện AC-microgri

7

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lƣợng DER

9

Hình 2.1. Sơ đồ khối của một bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng điện
trên trục dq

14

Hình 3.3. Đặc tính droop boost của điện áp thấp AC microgrid (a) phƣơng pháp
VPD (b) Phƣơng pháp FQB

31

Hình 3.4. Thuật toán điều khiển với phƣơng pháp P-Q-V

32

Hình 3.5. Sơ đồ khối của phƣơng pháp tăng cƣờng sử dụng trở kháng ảo

35

Hình 3.6. Sơ đồ chi tiết của chuyển đổi hệ qui chiếu ảo ω’-E’

36

Hình 3.7. Sơ đồ khối của phƣơng pháp bơm tín hiệu tần số

39

Hình 4.1. Mô hình hệ thống hai DG

41

Hình 4.2 Điều khiển độ trƣợt với đồng bộ bù công suất phản kháng

42

Hình 4.3. Sơ đồ điều khiển thời gian của một DG với hai sự kiện đồng bộ hóa


Hình 5.1. Mô hình Microgrid thu nhỏ

59

Hình 5.2. Mô hình điều khiển một biến tần

60

Hình 5.3. Mô hình hệ thống nghiên cứu trong Matlab Simulink

61

Hình 5.4. Mô hình điều khiển một biến tần trong Matlab Simulink

61

Hình 5.5. Mô hình khối đo dòng điện

62

Hình 5.6. Mô hình khối chuyển đổi dòng điện sang điện áp

62

Hình 5.7. Bên trong của khối chuyển đổi với T1 và T3 là các hàm truyền

62

Hình 5.8. Mô hình khối đo điện áp


Hình 5.16. Mô hình khối chuyển đổi dq αβ

67

Hình 5.17. Khối tính toán góc tƣơng ứng của hệ trục α và β

67

Hình 5.18. Khối tạo xung SVPWM

68

Hình 5.19. Khối tạo điều khiển droop

68

Hình 6.1. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1

70

Hình 6.2. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:2:3

71

Hình 6.3. Công suất tác dụng và công suất phản kháng theo tỷ lệ 1:1:1 khi chuyển
từ Mode 1 sang Mode 0

72



DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Ƣu và nhƣợc điểm của phƣơng pháp điều khiển dựa trên các giao tiếp 38
Bảng 4.1. Các chế độ điều khiển và trạng thái các Switch

58

Bảng 6.1. Các thông số cơ bản của các biến tần

69

Bảng 6.2. Thông số định mức đƣờng dây

69

Bảng 6.3. Sai số của hệ thống khi điều khiển theo tỷ lệ 1:1:1

71

Bảng 6.4. Sai số của hệ thống khi điều khiển theo tỷ lệ 1:2:3

72

Bảng 6.5. Sai số của hệ thống ở Mode 1

73

Bảng 6.6. Sai số của hệ thống ở Mode 0

73

vụ cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới.
Để thực hiện đƣợc điều này ngƣời ta kết hợp nhiều nguồn NLTT khác nhau
trong một hệ thống gọi là hệ thống lƣới siêu nhỏ (microgrid). Hệ thống này có thể
hoạt động một cách độc lập hay kết nối với lƣới điện tùy vào nhu cầu sử dụng [1].
1.2 KHÁI NIỆM MICROGRID VÀ NGUỒN PHÂN TÁN
Về cơ bản một microgrid tích hợp nhiều nguồn phân tán (DG), với chức năng
thu thập, xử lý và phân phối điện để đáp ứng theo yêu cầu của phụ tải. Trong đó,
các bộ biến đổi điện năng kết hợp với hệ thống microgrid tạo thành thể thống nhất.
Để điều khiển hoạt động của hệ thống microgrid có nhiều nguồn phân tán thì cần
phải có các bộ điều khiển nhằm đảm bảo chất lƣợng điện năng đầu ra của hệ thống
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.
1.2.1 So sánh giữa lƣới điện thông thƣờng và microgrid
So với lƣới điện thông thƣờng thì hệ thống microgrid có những khác biệt nhƣ
sau:
- Công suất đầu ra của mỗi nguồn nhỏ hơn nhiều so với một nhà máy điện
thông thƣờng.

1


- Microgrid thƣờng đƣợc lắp đặt gần với phụ tải vì vậy tổn thất trong đƣờng
dây truyền tải nhỏ. Do đó, microgrid có hiệu quả cao trong điều kiện cung
cấp điện áp và tần số.
- Microgrid có thể dùng để cung cấp điện cho các vùng sâu vùng xa nơi chƣa
có lƣới điện quốc gia.
- Quá trình khôi phục hệ thống điện truyền thống là phức tạp, đòi hỏi một sự
can thiệp nhanh chóng, thƣờng là bằng tay và trong thời gian thực. Trong khi
đó, với microgrid toàn bộ quá trình phục hồi rất dễ dàng và nhanh chóng.
1.2.2 Nguyên tắc cơ bản của microgrid
Hệ thống DG hạ áp và trung áp phát triển nhanh chóng trên toàn cầu. Chúng

1.3 CẤU TRÖC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƢỚI MICROGRID
1.3.1 Cấu trúc microgrid
Cấu trúc của một microgrid bao gồm năm thành phần chính nhƣ sau:
- Các nguồn điện nhỏ
- Phụ tải
- Thiết bị lƣu trữ
- Hệ thống điều khiển
- Các điểm kết nối.
Năm thành phần này đƣợc kết nối với một mạng lƣới phân phối điện áp thấp.
Sự phân bố điện áp thấp kết hợp nhiều loại nguồn công suất nhỏ và các loại tải khác
nhau đƣợc hỗ trợ bởi các bộ biến đổi điện tử công suất. Để hòa đồng bộ và điều
khiển các hoạt động trong chế độ kết nối lƣới điện hoặc chế độ độc lập, phƣơng
thức hoạt động có thể đƣợc xác định bởi tại bus kết nối chung (PCC). Đây là điểm
mà các microgrid là kết nối với lƣới điện chính thông qua máy cắt CB4 trong hình
1.1. Chức năng của CB4 là để kết nối hoặc ngắt kết nối microgrid với lƣới điện
chính. Điều khiển hoạt động của microgrid đƣợc hỗ trợ và phối hợp thông qua mức
độ điều khiển khác nhau để đảm bảo sự ổn định của hệ thống, sử dụng các bộ điều
khiển nhƣ: điều khiển nguồn (MC), điều khiển trung tâm (CC) [3].

3


Hình 1.1. Sơ đồ lƣới Microgrid thông thƣờng
1.3.2 Các loại microgrid
Microgrid tƣơng tự nhƣ một hệ thống điện nhỏ trong đó bao gồm nhiều thành
phần nhƣ các DG, tải và thiết bị lƣu trữ đƣợc kết nối với nhau. Theo dạng công suất,
microgrid có thể đƣợc phân loại: microgrid xoay chiều AC, microgrid một chiều
DC, hoặc một hệ thống kết hợp (hybrid). Mỗi loại microgrid có những ƣu điểm
riêng. Hình 1.2 dƣới đây mô tả một các loại microgrid.


tham chiếu thứ ba của cáp DC [6]. Hình 1.3 cho thấy một cấu trúc điển hình của

5


một DC-microgrid kết nối với một mạng lƣới AC trung áp của nhà máy điện thông
thƣờng.

Hình 1.3. DC-microgrid
1.3.2.2 Lưới AC-Microgrid
Tất cả các nguồn phân tán sản xuất điện AC, nhƣ tua bin gió và khí sinh học,
có thể đƣợc kết nối trực tiếp với đƣờng dây AC của microgrid hoặc thông qua một
bộ chuyển đổi điện AC-DC-AC [7]. AC-microgrid có thể sử dụng cơ sở hạ tầng sẵn
có từ lƣới công cộng, nhờ bản chất giống nhau và khả năng tƣơng thích của nó với
lƣới điện. Khi sử dụng AC-microgrid, không yêu cầu cấu hình lại tải hay hệ thống
cung cấp điện. Điều này có nghĩa là tải AC đƣợc kết nối trực tiếp đến các microgrid
AC mà cần giao diện bộ biến đổi AC-DC [8]. Ngoài ra, nó góp phần vào sự ổn định
lƣới điện bằng cách cung cấp hỗ trợ công suất phản kháng để cân bằng. Với mục
tiêu chia tải, có rất nhiều bộ điều khiển đã đƣợc phát triển với mục đích duy trì sự
ổn định trong AC-microgrid. Vòng điều khiển chia công suất dẫn đến sự ổn định
của AC-microgrid. Ví dụ nhƣ chia công suất cho biến tần song song đã đƣợc nghiên
cứu bởi nhiều tác giả [9, 10]. Hình 1.4 dƣới đây cho thấy các cấu trúc điển hình của
AC-microgrid kết nối với nhau và lƣới AC điện áp trung thế.

6


Hình 1.4. Lƣới điện AC-microgrid
1.3.2.3 Lưới Hybrid Microgrid
Các hybrid microgrid là hệ thống kết hợp của cả AC và DC microgrid. Trong

kiểm soát bên ngoài. DG sử dụng các nguồn năng lƣợng tái tạo là đơn vị thƣờng
không truyền đi xa; công suất đầu ra của họ chỉ có thể đƣợc quy định, dựa trên công
suất đầu ra tối ƣu của các nguồn năng lƣợng sơ cấp - ví dụ, kiểm soát theo dõi công
suất tối đa trong một hệ thống quang điện.
Có một số công nghệ DG, chẳng hạn nhƣ: hệ thống nhiệt điện kết hợp (CHP),
hệ thống chuyển đổi năng lƣợng gió (WECS), hệ thống quang điện năng lƣợng mặt
trời, thủy điện quy mô nhỏ và các thiết bị lƣu trữ nguồn năng lƣợng tái tạo khác là
những ví dụ của các công nghệ đƣợc phát triển từ các DERs. Khí hậu và các cấu
trúc liên kết của một khu vực là những yếu tố quan trọng để xem xét trƣớc khi cài
đặt DER.

8


1.5 CÁC VẤN ĐỀ CỦA LƢỚI MICROGRID
1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lƣợng
Một microgrid bao gồm là một cụm các tải và nguồn phân tán hoạt động nhƣ
một hệ thống điều khiển thống nhất cung cấp điện cho khu vực cục bộ của mình.
Đối với lƣới công cộng, các microgrid có thể đƣợc coi nhƣ là một tải điều khiển
thống nhất trong vài giây đáp ứng nhu cầu của các hệ thống truyền tải. Đối với hộ
tiêu thụ, các microgrid có thể đáp ứng nhu cầu đặc biệt của họ chẳng hạn nhƣ, nâng
cao độ tin cậy cục bộ, giảm thiểu tổn thất đƣờng dây, hỗ trợ điện áp tại chỗ, đem lại
hiệu quả thông qua việc sử dụng nhiệt thải, hiệu chỉnh điện áp hoặc các chức năng
cung cấp điện liên tục. Trong [12], trọng tâm là trên các hệ thống phân phối nguồn
phân tán có thể chuyển đổi chế độ linh hoạt từ kết nối lƣới điện sang chế độ độc lập
mà không ảnh hƣởng đến các tải quan trọng. Chiến lƣợc điều khiển cho microgrid
và kỹ thuật quản lý điện năng đƣợc thảo luận trong [13-15]. Năng lƣợng cao cấp là
một khái niệm dựa trên việc sử dụng các thiết bị điện điện tử (chẳng hạn nhƣ các
thiết bị điện và các bộ lọc tùy chỉnh hoạt động). Bộ phận phân phối và nguồn cung
cấp điện liên tục để cung cấp năng lƣợng cho các tải quan trọng. Nguồn năng lƣợng

chung cho việc chia công suất tác dụng và công suất phản kháng là điều khiển theo
nguyên lý droop của hai đại lƣợng độc lập đó là tần số và biên độ điện áp [18-20].
Trong đó, công suất tác dụng điều khiển tần số hệ thống, trong khi công suất phản
kháng điều khiển biên độ điện áp.
Trong microgrid, ngƣời ta quan tâm là tất cả các DGs đáp ứng với bất kỳ sự
thay đổi tải trong một tỷ lệ định mức để tránh sự quá tải của một DG. Nếu tồn tại cả
hai DG quán tính và không quán tính, thời gian đáp ứng của mỗi DG đối với sự thay
đổi trong nhu cầu nạp năng lƣợng sẽ khác nhau. DG không quán tính thông qua bộ
biến đổi công suất có thể điều khiển điện áp đầu tức thời và nhƣ vậy sự thay đổi
trong nhu cầu năng lƣợng có thể đƣợc đáp ứng một cách nhanh chóng. Trong khi
một DG quán tính, tốc độ thay đổi công suất bị giới hạn bởi sức ì máy. Để đảm bảo
rằng sự thay đổi tải tất cả các DG với cùng một tốc độ, thì tốc độ thay đổi trong DG
không quán tính là do bộ biến đổi thực hiện.

10