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



3

PGS.TS Ngô Cao Cường

Phản biện 2

4

PGS.TS Nguyễn Hùng

5

TS Võ Hoàng Duy

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

VIỆN ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC

Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

LÊ MINH PHƯƠNG

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 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

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 người khác. Trong suốt thời gian từ khi bắt đầu học
tập ở trường đến nay, em đã nhận được 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 Trường 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 trường. Và đặc biệt, trong học kỳ này, Phòng
Quản Lý Khoa Học và Đào Tạo Sau Đại Học đã tổ chức cho chúng em được 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 Phương đã tận
tâm hướng dẫn luận văn tốt nghiệp với đề tài ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI

đề xuất cho phép chia công suất chính xác theo tỷ lệ với công suất định mức của các
bộ nghịch lưu áp ba pha kết nối song song trong lưới điện độc lập. Cũng như thể
hiện việc bám sát tần số và góc pha của lưới điện trong chế độ nối lưới giúp nhanh
chóng hòa đồng bộ để cung cấp công suất tối đa cho hệ thống giúp cải thiện chất
lượng lưới điện và giảm tổn hao truyền tải.

3


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.

4


MỤC LỤC
Chương 1:


1.3.1 Cấu trúc microgrid

3

1.3.2 Các loại microgrid

4

1.4 Nguồn năng lượng phân tán

7

1.5 Các vấn đề của lưới microgrid

9

1.5.1 Chia sẻ công suất giữa các nguồn năng lượng

9

1.5.2 Microgrid và chế độ tự động

10

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

11

1.5.4 Độ tin cậy và chất lượng hệ thống


2.4 Bộ điều khiển công suất dạng điều khiển dòng

18

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

21

2.6 Vòng khóa pha

22

Chương 3:

24

CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN CHIA TẢI CÂN BẰNG TRONG
MICROGRID

24

3.1 Kỹ thuật điều khiển truyền thông

24

5


3.1.1 Điều khiển tập trung


3.2.5 Droop control dựa trên điện áp

33

3.3 Phương 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 được tăng cường

34

3.3.3 Phương pháp chuyển đổi hệ qui chiếu ảo

35

3.4 Phương pháp kết hợp và điều khiển tín hiệu nhỏ

37

Chương 4:

40

ĐIỀU KHIỂN THÍCH NGHI BỘ NGHỊCH LƯU TRONG MICROGRID


4.3 Phân tích chế độ chia tải trong microgrid

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

6


Chương 5:


5.2.2 Bộ điều khiển dòng điện

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

Chương 6:

69

KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ KẾT LUẬN

69

6.1 Chế độ lưới độc lập (Mode 0 và 1)

70

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


Tài liệu tham khảo

81

vii


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1. Sơ đồ lưới microgrid thông thường

4

Hình 1.2. Các dạng microgrid thông thường

4

Hình 1.3. DC-microgrid

6

Hình 1.4. Lưới điện AC-microgri

7

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lượng DER

9

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

29

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

31

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

32

Hình 3.5. Sơ đồ khối của phương pháp tăng cường 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 phương pháp bơm tín hiệu tần số

39

Hình 4.1. Mô hình hệ thống hai DG

41

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

42


57

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


66

Hình 5.16. Mô hình khối chuyển đổi dq αβ

67

Hình 5.17. Khối tính toán góc tương 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


10


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 3.1. Ưu và nhược điểm của phương 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 đường 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

trọng trong an ninh năng lượng, giảm thiểu biến đổi khí hậu, và có lợi ích về kinh tế.
Hệ thống điện sử dụng các nguồn NLTT là cần thiết để cung cấp điện liên tục phục
vụ cho những vùng sâu, vùng xa hoặc hải đảo, biên giới.
Để thực hiện được điều này người ta kết hợp nhiều nguồn NLTT khác nhau
trong một hệ thống gọi là hệ thống lưới siêu nhỏ (microgrid). Hệ thống này có thể
hoạt động một cách độc lập hay kết nối với lưới 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 lượng điện năng đầu ra của hệ thống
thỏa mãn yêu cầu kỹ thuật.
1.2.1 So sánh giữa lưới điện thông thường và microgrid
So với lưới điện thông thường thì hệ thống microgrid có những khác biệt như

1


sa
u:Công
suất
đầu
ra
của
mỗi
nguồ
n
nhỏ
hơn

sự cố.
Trong những năm gần đây, khái niệm này đã được phát triển tạo thành cụm tải
kết nối với các DG song song, tạo thành một microgrid.
Trong các phương pháp kết nối truyền thống, các máy phát điện nhỏ có thể
được tích hợp vào hệ thống điện nhằm giảm bớt của hoạt động lưới điện. Trong
trường hợp này, khi có sự cố trong lưới điện chính, sẽ ảnh hưởng đến hệ thống và
ngưng hoạt động của các nguồn phát điện nhỏ.
Trong khi với microgrid khi lưới điện chính ngừng cung cấp, các microgrid sẽ
ngắt kết nối từ lưới và hoạt động độc lập, tiếp tục cung cấp điện cho phụ tải cục bộ
của mình cho đến khi lưới điện trở lại bình thường.
1.2.3 Ưu điểm của microgrid
So với các hệ thống điện khác, hệ thống microgrid có ưu điểm sau [2]:
- Microgrid giúp cắt giảm ô nhiễm môi trường vì nó sử dụng nguồn có khí thải
thấp hoặc bằng không.

3


- Các microgrid làm việc song song với lưới công cộng nhằm hỗ trợ lưới điện
bằng cách cung cấp nguồn cho tải cục bộ giúp ngăn chặn tình trạng quá tải
và mất điện của lưới điện quốc gia.
- Các hệ thống microgrid cục bộ giúp tiết kiệm đáng kể chi phí cơ sở hạ tầng
và tổn thất truyền tải. Sử dụng microgrid cũng giúp trong việc giảm tiêu thụ
năng lượng hóa thạch.
- Bằng cách vận hành trong cả hai chế độ nối lưới và độc lập, microgrid đảm
bảo tải quan trọng được cung cấp điện liên tục.
1.3 CẤU TRÖC VÀ THÀNH PHẦN CỦA LƯỚI MICROGRID
1.3.1 Cấu trúc microgrid
Cấu trúc của một microgrid bao gồm năm thành phần chính như sau:
- Các nguồn điện nhỏ


1.3.2.1 Lưới DC-Microgrid
Hệ thống DC-microgrid có thể được sử dụng trong chế độ kết nối lưới và tự
vận hành. Hệ thống này có những ưu điểm như sau:
- Hầu hết các DG trong trong microgrid là các tấm pin quang điện (PV) hay
pin nhiên liệu cung cấp nguồn DC. Các thiết bị lưu trữ cũng dùng điện DC
do đó chỉ cần chỉnh điện áp trong lưới microgrid để kết nối chúng. So với
một AC-microgrid ta cần đồng bộ hóa điện áp, tần số và góc pha khi hòa vào
lưới điện.
- Hầu hết các tải kết nối với DC-microgrid là thiết bị điện tử, TV, máy tính,
đèn huỳnh quang, hộ gia đình, doanh nghiệp và các thiết bị công nghiệp. Vì
vậy chúng ta không cần quá nhiều bộ chuyển đổi AC-DC, DC-AC hoặc ACDC-AC như đối với AC-microgrid.
- Các DC-microgrid không sử dụng máy biến áp; điều này làm cho nó hiệu
quả hơn, kích thước nhỏ hơn và đáng tin cậy trong một hệ thống điện DC.
Ngoài ra một DC-microgrid hoạt động với dây cáp đôi, trong khi một ACmicrogrid hoạt động với ba, bốn dây hay nhiều hơn nữa.
- Dòng công suất phản kháng không tồn tại trong DC-microgrid, vì vậy việc
kiểm soát điện áp chỉ chịu ảnh hưởng của công suất tác dụng, trong khi ở
AC-microgrid điều khiển điện áp có liên quan đến các dòng công suất phản
kháng cùng lúc công suất tác dụng sẽ ảnh hưởng góc pha điện áp.
Tuy nhiên, một DC-microgrid vẫn có một số thách thức cần được khắc phục.
Nó cũng không được phát triển để xử lý các điều kiện lỗi và thiếu thiết bị bảo vệ cơ
bản như bộ phận ngắt mạch, cầu chì, và rơle bảo vệ, như đã thấy trong ACmicrogrids AC [4, 5]. Rất tốn kém để thực hiện các hệ thống bảo vệ hiện tại của
một AC-microgrid và làm cho nó để tương thích với một DC-microgrid. Các mạng
DC phải đối mặt với một vấn đề mất cân bằng. Sự gia tăng của các thiệt hại hệ
thống là do các vấn đề về tải không cân bằng hoặc giữa nguồn tích cực và tiêu cực
của dòng lưỡng cực DC-microgrid. Điều này tạo ra một dòng chảy trong một hệ
tham chiếu thứ ba của cáp DC [6]. Hình 1.3 cho thấy một cấu trúc điển hình của

6


thuật toán điều khiển phối hợp để thực hiện ổn định hoạt động.
1.4 NGUỒN NĂNG LƯỢNG PHÂN TÁN
Công nghệ nguồn năng lượng phân tán (DER) được xác định là nguồn năng
lượng nhỏ và tài nguyên lưu trữ thường nằm ở phía khách hàng tải và cung cấp
năng lượng cần thiết để cung cấp toàn bộ hoặc một phần nhu cầu phụ tải điện cho
người dùng cuối. Ngoài ra, nó có khả năng hoạt động song song với hệ thống phân
phối chung. Hệ thống này có thể làm việc riêng rẽ với các tiện ích như một hệ thống
độc lập trong một khu vực bị cô lập [11].
Các nguồn năng lượng tái tạo cũng được gọi là DERs. Nó là những đơn vị
nguồn nhỏ tích hợp vào một microgrid. Hoặc có thể là những đơn vị năng lượng tái
tạo hoặc máy phát điện thông thường như máy phát điện đồng bộ và máy phát cảm
ứng như trong hình 1.5. Từ phía nguồn đầu ra của một máy phát điện đòi hỏi các bộ
chuyển đổi công suất để chuyển đổi thành nhiều dạng khác nhau; nó có thể sản xuất
một điện áp AC tần số cố định hoặc DC. Việc chuyển đổi có thể yêu cầu một biến

8


tần, hoặc cả hai chỉnh lưu và một biến tần để đảm bảo rằng các tần số đầu ra và điện
áp là tương tự như của lưới điện.

Hình 1.5. Phân loại nguồn năng lượng DER
Trong điều kiện kiểm soát dòng công suất, một nguồn nhỏ có thể được coi như
một trong hai hệ thống có thể truyền đi xa hay không thể truyền xa. Các hệ thống
điều khiển giám sát xác định các điểm hoạt động sản xuất của các đơn vị truyền đi
xa. Vì thế, máy phát điện đồng bộ là đơn vị thông thường có thể được điều chỉnh và
kiểm soát bên ngoài. DG sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo là đơn vị thường
không truyền đi xa; công suất đầu ra của họ chỉ có thể được quy định, dựa trên công
suất đầu ra tối ưu của các nguồn năng lượng sơ cấp - ví dụ, kiểm soát theo dõi công
suất tối đa trong một hệ thống quang điện.

một điện áp xoay chiều có tần số, cường độ và góc pha cần thiết. Trong những
trường hợp này, việc chuyển đổi sẽ được thực hiện bằng cách sử dụng một bộ biến
tần nguồn áp, sử dụng điều chế độ rộng xung để đảm bảo điều khiển nhanh chóng
của cường độ điện áp. Độ tin cậy, chế độ vận hành kinh tế và quy hoạch của
microgrid được trình bày trong [16-17].
Một số vấn đề cơ bản cần phải được giải quyết là:
- Vấn đề điều khiển: Điều quan trọng nhất trong hệ phân phối là những khó
khăn kỹ thuật liên quan đến điều khiển của một số lượng lớn nguồn phân tán.

10