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

h

P
G
P P
G bi
TS P
. bi
P
G
TS Ủ
. v
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

PHÒNG QLKH – ĐTSĐH

Độc l ập – Tự do – H ạnh
phúc

TP. HCM, ngày 20 tháng 6 năm 2018


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
mọi điều kiện tốt nhất cho lớp 15SMD21 và cá nhân tôi trong suốt học trình nghiên
cứu và học tập thạc sỹ tại trường.
Với lòng tri ân sâu sắc, tôi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS. NGUYỄN
THANH PHƯƠNG, những người đã nhiệt tình hướng dẫn và chỉ bảo cho tôi trong
suốt thời gian thực hiện nghiên cứu này.
Cám ơn tất cả các bạn trong khóa học, những người cùng chung chí hướng trong

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
independent

of

PV

systems

connected

and

- Design of single phase power inverter, parameters of inverter, determines the size of

DANG MỤC CÁC HÌNH VẼ .........................................................................................
MỞ ĐẦU.................................................................................................................................... 1
1. Đặt vấn đề ...............................................................................................................................
1
2. Tính cần thiết ..........................................................................................................................
1
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài................................................................................ 2

3.1 Ý nghĩa khoa học ....................................................................................................... 2
3.2 Ý nghĩa thực tiễn ....................................................................................................... 2
4. Mục đích nghiên cứu ................................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................. 2
5.1. Lý thuyết .................................................................................................................. 3
5.2. Mô phỏng................................................................................................................. 3
6. Tên đề tài ..................................................................................................................... 3
7. Bố cục luận văn ........................................................................................................... 3
8. Kết luận........................................................................................................................ 3
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

CHƯƠNG 4 MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRONG MATLAB/ SIMULINK ......... 48
4.1 Các thông số mô phỏng của hệ thống...................................................................... 48
4.2 Mô phỏng đặc tuyến V-I của pin quang điện .......................................................... 53
4.3 Bộ điều khiển Controller ......................................................................................... 56
4.4 Sơ đồ tính trung bình hiệu quả mỗi chu kỳ AC....................................................... 59
4.5 Mô phỏng bộ lọc LCL ............................................................................................. 60
4.5.1 Khi không dùng bộ lọc LCL................................................................................. 60
4.5.2 khi dùng bộ lọc L.................................................................................................. 64
4.5.3 khi dùng bộ lọc LC ............................................................................................... 68
4.5.4 khi dùng bộ lọc LCL............................................................................................. 72
CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI .. 77
5.1 KẾT LUẬN ............................................................................................................. 77
5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI .................................................... 77

Phụ lục C ..................................................................................................................... 79


DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT
AC

: Dòng điện xoay chiều

DC

: Dòng điện một chiều

DR

: Nguồn phân phối


: Tích phân theo tỷ lệ

PLL

: Vòng lặp khóa pha

PR

: Tỷ lệ cộng hưởng

TDD

: Tổng phụ tải méo

THD

: Tổng sóng hài méo

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

Hình 3.5: Tổng quan về bộ đồng bộ lưới và bộ điều khiển VAR
Hình 3.6: Vòng phản hồi của bộ ước lượng điện áp lưới
Hình 3.7: (a) Quỹ đạo trạng thái của bộ ước lượng, (b) Sơ đồ điện áp đỉnh pha của đầu
vào và đầu ra của bộ ước lượng
Hình 3.8: biểu đồ bode

và

Hình 3.9: Quỹ đạo mở các biến trạng thái của bộ ước lượng với các giá trị

khác

nhau
Hình 3.10: miền thời gian hồi của các biến trạng thái bộ ước lượng
Hình 3.11: Độ nhạy miền thời gian được thu phóng của độ méo điện áp lưới

(t), ước

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

Hình 4.12: Ghép song song 2 tấm pin quang điện trong Matlab Simulink
Hình 4.13: Ghép song song các pin và đặc tuyến V-I
Hình 4.14: Biểu đồ dòng của 2 tấm pin năng lượng mặt trời ghép song song
Hình 4.15: Bộ điều khiển Controller Hình
4.16: Sơ đồ con khối Controller Hình
4.17: Tín hiệu điều khiển Controller Hình
4.18: Bộ điều khiển điện áp DC
Hình 4.19: Tín hiệu i_ac khi qua bộ điều khiển
Hình 4.20: Sơ đồ khối tính trung bình hiệu quả mỗi chu kỳ AC
Hình 4.21: Thông số mỗi chu kỳ AC
Hình 4.22: Sơ đồ hòa đồng bộ không dùng bộ lọc LCL
Hình 4.23: Dạng sóng hòa đồng bộ không dùng bộ lọc LCL
Hình 4.24: Tín hiệu i_ac qua bộ điều khiển khi không dùng bộ lọc LCL
Hình 4.25: Sơ đồ hòa đồng bộ dùng bộ lọc L


Hình 4.26: Dạng sóng hòa đồng bộ dùng bộ lọc L
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

controller based photovoltaic power conditioning system,” in Energy Conversion
Congress and Exposition, 2009. ECCE 2009. IEEE, sept. 2009, pp. 2198 –2205.
[12] K. de Souza, M. de Castro, and F. Antunes, “A dc/ac converter for single-phase
grid-connected photovoltaic systems,” in IECON 02 [Industrial Electronics Society,
IEEE 2002 28th Annual Conference of the], vol. 4, nov. 2002, pp. 3268 – 3273 vol.4.
[13] Electrolytic Capacitors Application Guide-Operational life time section, KEMET
Electronics Corporation, June 2009, avaliable at www.kemet.com.
[14] Y.-M. Chen, H.-C. Wu, and Y.-C. Chen, “Dc bus regulation strategy for
gridconnected
pv power generation system,” in Sustainable Energy Technologies, 2008. ICSET 2008.
IEEE International Conference on, nov. 2008, pp. 437 –442.
[15] Y.-M. Chen, C.-H. Chang, and H.-C.Wu, “Dc-link capacitor selections for the
singlephase
grid-connected pv system,” in Power Electronics and Drive Systems, 2009. PEDS
2009. International Conference on, nov. 2009, pp. 72 –77.
[16] “Ieee standard for interconnecting distributed resources with electric power
systems,”
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

dụng [1] nhằm sản xuất và tích trữ năng lượng mặt trời tuy nhiên việc sử dụng nguồn
năng lượng này, chủ yếu vẫn chỉ dừng lại ở mức cục bộ ( tức là khai thác và sử dụng
tại chỗ ), năng lượng dư thừa chưa hòa được lên lưới điện quốc gia (bán trở lại cho
lưới điện thông qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện ).Vì vậy, việc nghiên
cứu, xây dựng bộ điều khiển thông minh để khai thác năng lượng mặt trời, cung cấp
điện cho phụ tải đồng thời hòa tối ưu nguồn năng lượng này lên lưới điện quốc gia
đang là một vấn đề cấp thiết.
3. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
3.1. Ý nghĩa khoa học
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.
3.2 Ý nghĩa thực tiễn
Đề tài hoàn thành sẽ là một tài liệu quan trọng để thiết kế hoàn chỉnh hệ thống lưới
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


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

1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới
Các hệ thống PV nối lưới được phân loại dựa trên mức công suất. Công nghệ trước
đây sử dụng cấu hình biến tần đơn tập trung . Hiện tại và tương lai công nghệ này tập
trung chủ yếu vào bộ chuyển đổi 2 cấp là bộ chuyển đổi DC/DC được kết nối giữa các
module PV và Biến tần DC/AC.
1.1.1 Biến tần đơn tập trung
Thế hệ đầu tiên của hệ thống PV kết nối lưới là kết nối trực tiếp dùng DC/AC
Inverter với một loạt các mô đun PV, thể hiện trong hình 1.1 (a). Các mô đun PV được
kết nối theo chuỗi, còn được gọi là chuỗi PV, để cung cấp điện áp đầu ra đủ. Các chuỗi
PV sau đó được kết nối song song qua chuỗi điốt để đạt được sản xuất điện năng cao.
Trong cấu hình này, biến tần DC/AC dùng để điều khiển, theo dõi điểm công suất cực
đại (MPPT), điều khiển dòng điện và khuếch đại điện áp nếu cần thiết. Mặc dù cấu
hình là đơn giản, nhưng còn nhiều hạn chế. Một trong những hạn chế lớn nhất là thu
được năng lượng thấp khả năng tập trung của MPPT là nhỏ, không phù hợp bảng điều
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.


(a) Cấu hình biến tần tập trung


- Điều kiện về tần số : Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn
điện phải bằng tần số lưới.
- Điều kiện về điện áp : Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn
phải bằng điệ n áp lưới.
- Điều kiện về pha : Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lớn hơn 1, và góc
pha phải trùng nhau.
Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn cho
góc pha của 2 phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số, mà đã điều chỉnh tần số thì
tần số không thể bằng nhau. Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần số bằng nhau thì khó
có thể điều chỉnh được góc pha. Do đó, điều kiện thực tế là :


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