Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời

Luận văn nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC, ứng dụng biến đổi năng lượng mặt trời. Giải pháp kỹ thuật điện hiệu quả, tối ưu hóa hệ thống.

• Tác giả: Phan Dinh Khải
• Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa - ĐHQG - HCM
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời
• Loại tài liệu: Luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: TP Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CẢM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: MỤC ĐÍCH VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU
• 1.1. Mục đích và phạm vi nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN ĐIỆN MẶT TRỜI
• 2.1. Giới thiệu
• 2.2. Tế bào quang điện
• 2.2.1. Khảo sát đặc tuyến I-V và điểm công suất cực đại
• 2.3. Cấu trúc hệ thống pin mặt trời
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PV VỚI SIMULINK
• 3.1. Điều khiển trong miền d-q
• 3.1.1. Vòng khóa pha (PLL)
• 3.2. Biến đổi DC-DC và tìm điểm công suất cực đại
• 3.3. Vòng lặp dòng điện
• 3.4. Tính toán các thông số bộ điều chỉnh
• 4. CHƯƠNG 4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG VÀ PHÂN TÍCH
• 4.1. Dạng sóng dòng điện ngõ ra dùng bộ điều khiển thông thường và bộ điều khiển DDSRE
• 4.2. Công suất tác dụng dùng bộ điều khiển SRF và DDSRE
• 4.3. Đánh giá chất lượng hệ thống
• 5. CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
• 5.1. Định hướng phát triển
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu NPC

Cách mạng Công nghiệp 4.0 thúc đẩy nhu cầu năng lượng, tạo áp lực lên lưới điện. Năng lượng tái tạo, đặc biệt là năng lượng mặt trời, trở thành giải pháp quan trọng. Pin mặt trời tạo ra dòng điện một chiều (DC), cần bộ nghịch lưu để chuyển đổi thành xoay chiều (AC) hòa vào lưới điện. Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu tối ưu là yếu tố then chốt. Đề tài này tập trung vào nghiên cứu và mô phỏng các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới.

1.1. Mục tiêu và Phạm vi Nghiên cứu Điều khiển Bộ Nghịch Lưu

Đề tài tập trung vào thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới trên nền Matlab Simulink. Mục tiêu bao gồm: Phân tích các kỹ thuật điều khiển PWM cho bộ biến đổi công suất NPC, nghiên cứu hệ thống PV dùng bộ nghịch lưu ba bậc NPC nối lưới đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, nghiên cứu tính ổn định của hệ thống và đánh giá đáp ứng quá độ và xác lập.

1.2. Tầm quan trọng của Bộ Nghịch Lưu Ba Bậc NPC trong PV

Bộ nghịch lưu ba bậc NPC đóng vai trò then chốt trong việc chuyển đổi hiệu quả năng lượng DC từ tấm pin mặt trời thành năng lượng AC phù hợp với lưới điện. So với các loại bộ nghịch lưu khác, NPC có ưu điểm về giảm THD (Total Harmonic Distortion) và cải thiện chất lượng điện năng. Nghiên cứu này tập trung vào các phương pháp điều khiển tối ưu để khai thác tối đa tiềm năng của NPC trong hệ thống PV.

II. Điện Mặt Trời Tổng Quan Về Tế Bào Quang Điện PV

Vật liệu hoặc thiết bị chuyển đổi năng lượng photon của ánh sáng thành điện áp và dòng điện gọi là tế bào quang điện (PV). Photon có bước sóng ngắn mang năng lượng đủ lớn kích thích electron tách khỏi hạt và chuyển động tự do. Điện trường ngoài tác động làm electron chuyển động có hướng, tạo dòng điện. Tế bào quang điện được phát minh bởi Edmund Becquerel và cải tiến dần. Ngày nay, công dụng chính là cấp điện vào lưới điện chung nhờ bộ chuyển đổi từ DC sang AC. "Pin quang điện được phát minh bởi Edmund Becquerel".

2.1. Nguyên Lý Hoạt Động của Tế Bào Quang Điện và Tiếp Xúc P N

Khi ánh sáng mặt trời chiếu vào mối nối p-n, photon bị hấp thụ tạo ra cặp electron-lỗ trống. Điện trường đẩy lỗ trống về phía p, electron về phía n, tạo hiệu điện thế và dòng điện. Mạch tương đương gồm diode song song với nguồn dòng lý tưởng. Thí nghiệm hở mạch và ngăn mạch giúp khảo sát đặc điểm tế bào quang điện, xác định dòng ngắn mạch (Isc) và điện áp hở mạch (Voc).

2.2. Khảo Sát Đặc Tuyến I V và Điểm Công Suất Cực Đại MPPT

Cần xem xét mối quan hệ I-V để công suất truyền đi là lớn nhất. Đặc tính I-V của tế bào quang điện phụ thuộc vào dòng điện hở mạch và điện áp ngăn mạch. Công suất truyền đi phụ thuộc vào điểm làm việc. Cần tìm điểm công suất cực đại (MPP) để tối ưu hiệu suất. Cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi làm công suất ra của tấm pin thay đổi. Do đó cần các thuật toán MPPT (MPPT (Maximum Power Point Tracking)) để dò tìm điểm công suất cực đại.

2.3. Cấu Trúc Hệ Thống Điện Mặt Trời và Phân Loại Theo Thiết Kế

Hệ thống điện mặt trời được chia thành bốn loại dựa trên cấu trúc và thiết kế lắp đặt. Cấu trúc tập trung: các tấm pin mắc nối tiếp thành chuỗi tăng điện áp, sau đó các chuỗi được mắc song song để đạt dòng điện lớn hơn. Toàn bộ hệ thống được...

III. Phương Pháp Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu Cho PV Hiệu Quả

Để khai thác tối đa năng lượng từ hệ thống PV, cần có các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu hiệu quả. Các phương pháp này phải đảm bảo điện áp và dòng điện ngõ ra ổn định, giảm thiểu sóng hài và đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của điều kiện thời tiết. Một trong những phương pháp phổ biến là sử dụng điều khiển vector bộ nghịch lưu NPC để cải thiện hiệu suất và độ ổn định. "Các thuật toán để dò tìm điểm công suất cực đại sẽ được mô tả trong phần sau."

3.1. Điều Khiển Vector Bộ Nghịch Lưu NPC Ưu Điểm và Ứng Dụng

Điều khiển vector bộ nghịch lưu NPC là một phương pháp tiên tiến cho phép điều khiển độc lập điện áp và dòng điện ngõ ra của bộ nghịch lưu. Phương pháp này giúp giảm thiểu THD và cải thiện chất lượng điện năng, đặc biệt quan trọng trong các hệ thống PV nối lưới. Ngoài ra, điều khiển vector còn cho phép đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của điều kiện môi trường, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định.

3.2. Điều Khiển Dự Báo Mô Hình MPC Giải Pháp Tiên Tiến Cho PV

Điều khiển dự báo mô hình MPC là một phương pháp điều khiển tối ưu, sử dụng mô hình toán học của hệ thống để dự đoán hành vi trong tương lai và đưa ra các quyết định điều khiển tối ưu. Trong hệ thống PV, MPC có thể được sử dụng để điều khiển bộ nghịch lưu, tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu tác động của các yếu tố bên ngoài. Tuy nhiên, việc xây dựng mô hình chính xác và tính toán phức tạp là những thách thức khi áp dụng MPC.

3.3. Điều Khiển PID Bộ Nghịch Lưu Giải Pháp Đơn Giản và Phổ Biến

Điều khiển PID bộ nghịch lưu là một phương pháp đơn giản và dễ triển khai, được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống PV. Mặc dù không mang lại hiệu suất cao như các phương pháp tiên tiến hơn, PID vẫn là một lựa chọn phù hợp cho các ứng dụng có yêu cầu không quá khắt khe. Việc điều chỉnh các tham số PID phù hợp là yếu tố quan trọng để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và đáp ứng nhanh chóng.

IV. Mô Phỏng Bộ Nghịch Lưu NPC Kết Quả và Phân Tích

Để đánh giá hiệu quả của các phương pháp điều khiển, cần thực hiện mô phỏng hệ thống PV với bộ nghịch lưu NPC trên các phần mềm chuyên dụng như Matlab Simulink. Kết quả mô phỏng cho phép phân tích các thông số quan trọng như hiệu suất, THD, đáp ứng quá độ và độ ổn định của hệ thống. Từ đó, có thể lựa chọn phương pháp điều khiển phù hợp nhất với yêu cầu của ứng dụng. "Đề tài tập trung vào thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới trên nền Matlab Simulink".

4.1. Thiết Lập Mô Hình Mô Phỏng Bộ Nghịch Lưu NPC và Hệ Thống PV

Để thực hiện mô phỏng, cần xây dựng mô hình chi tiết của bộ nghịch lưu NPC, tấm pin mặt trời, và các thành phần khác của hệ thống PV. Mô hình này phải bao gồm các thông số vật lý và điện học quan trọng, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất của hệ thống. Sử dụng phần mềm Matlab Simulink giúp đơn giản hóa quá trình xây dựng và mô phỏng.

4.2. Phân Tích THD Hiệu Suất và Đáp Ứng Của Bộ Nghịch Lưu NPC

Kết quả mô phỏng cho phép phân tích các chỉ số quan trọng. THD thể hiện mức độ sóng hài trong điện áp và dòng điện ngõ ra, ảnh hưởng đến chất lượng điện năng. Hiệu suất cho biết tỷ lệ năng lượng DC từ tấm pin được chuyển đổi thành năng lượng AC hữu ích. Đáp ứng quá độ thể hiện khả năng của hệ thống trong việc duy trì ổn định khi có thay đổi đột ngột.

4.3. So Sánh Các Phương Pháp Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu NPC Qua Mô Phỏng

Mô phỏng cho phép so sánh trực tiếp hiệu quả của các phương pháp điều khiển khác nhau. Bằng cách thay đổi phương pháp điều khiển và quan sát các chỉ số, có thể đánh giá ưu nhược điểm của từng phương pháp và lựa chọn phương pháp phù hợp nhất với yêu cầu cụ thể của hệ thống PV.

V. Ứng Dụng Thực Tiễn và Kết Quả Nghiên Cứu Bộ Nghịch Lưu NPC

Nghiên cứu về điều khiển bộ nghịch lưu NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời không chỉ dừng lại ở lý thuyết mà còn cần được ứng dụng vào thực tế. Các kết quả nghiên cứu có thể được sử dụng để cải thiện hiệu suất, độ tin cậy và chất lượng điện năng của hệ thống PV. Đồng thời, góp phần thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo và giảm thiểu tác động đến môi trường. "Luận văn này đã thực hiện thiết kế và mô phỏng hệ thống điện tử công suất dùng cho năng lượng mặt trời nối lưới".

5.1. Ứng Dụng Bộ Nghịch Lưu Ba Bậc NPC Trong Hệ Thống Điện Mặt Trời Nối Lưới

Bộ nghịch lưu ba bậc NPC được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống điện mặt trời nối lưới, từ các hệ thống nhỏ gia đình đến các nhà máy điện mặt trời lớn. Ưu điểm về hiệu suất cao và THD thấp giúp NPC trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng yêu cầu chất lượng điện năng cao. Hơn nữa, khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện lưới điện không ổn định là một lợi thế lớn.

5.2. Cải Thiện Hiệu Suất và Độ Tin Cậy Của Hệ Thống PV Nhờ NPC

Việc sử dụng bộ nghịch lưu ba bậc NPC giúp cải thiện đáng kể hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống PV. Hiệu suất cao giúp khai thác tối đa năng lượng từ tấm pin mặt trời, giảm chi phí sản xuất điện. Độ tin cậy cao giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động, đảm bảo nguồn cung cấp điện ổn định.

5.3. Giảm Thiểu Tác Động Đến Môi Trường Nhờ Sử Dụng Năng Lượng Mặt Trời

Việc sử dụng năng lượng mặt trời thay thế cho các nguồn năng lượng hóa thạch giúp giảm thiểu tác động đến môi trường. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC đóng vai trò quan trọng trong việc chuyển đổi hiệu quả năng lượng mặt trời, góp phần thúc đẩy việc sử dụng năng lượng tái tạo và giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính.

VI. Kết Luận và Hướng Phát Triển Bộ Nghịch Lưu Trong Tương Lai

Nghiên cứu về điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến đổi năng lượng mặt trời là một lĩnh vực quan trọng, góp phần vào sự phát triển của năng lượng tái tạo. Các phương pháp điều khiển tiên tiến, kết hợp với công nghệ bộ nghịch lưu hiện đại, hứa hẹn mang lại hiệu quả cao trong việc khai thác và sử dụng năng lượng mặt trời. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển để đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của xã hội. "In the end, discussion about this thesis, conclusion and recommendations for future work are presented."

6.1. Tổng Kết Các Kết Quả Nghiên Cứu Về Bộ Nghịch Lưu Ba Bậc NPC

Các kết quả nghiên cứu đã chứng minh được hiệu quả của bộ nghịch lưu ba bậc NPC trong việc chuyển đổi năng lượng từ tấm pin mặt trời. Các phương pháp điều khiển tiên tiến như điều khiển vector và điều khiển dự báo giúp cải thiện hiệu suất, giảm THD và đáp ứng nhanh chóng với các thay đổi của điều kiện môi trường.

6.2. Các Hướng Phát Triển Tiềm Năng Của Công Nghệ Bộ Nghịch Lưu

Trong tương lai, công nghệ bộ nghịch lưu sẽ tiếp tục phát triển theo hướng tăng hiệu suất, giảm kích thước và chi phí. Các vật liệu bán dẫn mới như SiC và GaN hứa hẹn sẽ giúp nâng cao hiệu suất và tần số hoạt động của bộ nghịch lưu. Ngoài ra, việc tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) vào hệ thống điều khiển sẽ giúp tối ưu hóa hiệu suất và độ tin cậy.

6.3. Đề Xuất Các Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Điều Khiển Bộ Nghịch Lưu PV

Cần tiếp tục nghiên cứu về các phương pháp điều khiển tiên tiến cho bộ nghịch lưu, đặc biệt là các phương pháp dựa trên điều khiển dự báo và điều khiển thích nghi. Ngoài ra, cần tập trung vào việc phát triển các hệ thống giám sát và điều khiển từ xa, giúp quản lý và vận hành hiệu quả các hệ thống PV trên quy mô lớn.

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh Cách mạng Công nghiệp 4.0 và nhu cầu năng lượng ngày càng tăng, việc phát triển các nguồn năng lượng tái tạo như năng lượng mặt trời trở nên cấp thiết. Theo báo cáo của ngành, sản lượng điện từ pin mặt trời đã tăng trưởng nhanh chóng trong những năm gần đây, góp phần giảm áp lực lên lưới điện truyền thống và bảo vệ môi trường. Tuy nhiên, điện áp đầu ra của pin mặt trời là dòng một chiều (DC), trong khi lưới điện sử dụng điện xoay chiều (AC), do đó cần bộ nghịch lưu để chuyển đổi và đồng bộ điện áp, tần số với lưới.

Luận văn tập trung nghiên cứu điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC (Neutral Point Clamped) cho hệ thống biến đổi năng lượng mặt trời nối lưới, nhằm tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo chất lượng điện năng. Mục tiêu cụ thể là thiết kế và mô phỏng hệ thống điện tử công suất dùng cho năng lượng mặt trời nối lưới trên nền Matlab Simulink, khảo sát các kỹ thuật điều khiển PWM, thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT) và đánh giá hoạt động trong điều kiện lưới điện không cân bằng.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm hệ thống PV công suất khoảng 2 kW, mô phỏng các điều kiện thay đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ tại Việt Nam, với điện áp lưới 400 V hiệu dụng, tần số 50 Hz. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao hiệu quả khai thác năng lượng mặt trời, đảm bảo ổn định và chất lượng điện năng khi hòa lưới, góp phần phát triển bền vững nguồn năng lượng tái tạo trong nước.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

• Tế bào quang điện (PV cell): Mô hình mạch tương đương với diode, điện trở nối tiếp và song song, đặc tuyến dòng-áp (I-V) và công suất-áp (P-V) phụ thuộc cường độ bức xạ và nhiệt độ. Điểm công suất cực đại (MPP) là điểm tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng.

• Thuật toán dò tìm điểm công suất cực đại (MPPT): Sử dụng phương pháp Perturb and Observe (P&O) và Incremental Conductance (IC) để điều khiển bộ biến đổi DC-DC tăng áp (Boost converter), đảm bảo hệ thống luôn hoạt động tại MPP trong điều kiện biến đổi môi trường.

• Bộ nghịch lưu ba bậc NPC: Sử dụng 12 khóa bán dẫn điều khiển theo kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin PWM (SPWM) với sóng mang đồng pha, nhằm tạo ra điện áp ngõ ra AC đồng bộ với lưới điện. Mạch nghịch lưu có khả năng cân bằng điện áp điểm trung tính, giảm tổn hao và méo dạng sóng.

• Phép biến đổi tọa độ: Áp dụng biến đổi Clarke (abc → αβ) và Park (αβ → dq) để chuyển đổi tín hiệu điện áp và dòng điện sang hệ quy chiếu đồng bộ, giúp đơn giản hóa thuật toán điều khiển dòng điện và công suất.

• Phân tích thành phần thứ tự: Phân tích điện áp ba pha thành thành phần thuận, nghịch và không để xử lý các trường hợp lưới điện không cân bằng, từ đó thiết kế bộ điều khiển dòng điện thích hợp.

• Vòng khóa pha (PLL): Thiết kế vòng khóa pha SRF-PLL để đồng bộ pha và tần số điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu với lưới điện, đảm bảo kết nối ổn định.

Phương pháp nghiên cứu

• Nguồn dữ liệu: Sử dụng dữ liệu kỹ thuật thực tế của tấm pin mặt trời công suất 200 W, mô phỏng 10 tấm mắc nối tiếp tạo thành hệ thống 2 kW. Thông số điện áp hở mạch Voc = 44.5 V, dòng ngắn mạch Isc = 5.5 A, nhiệt độ và cường độ bức xạ thay đổi theo điều kiện thực tế.

• Phương pháp phân tích: Mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink, xây dựng mô hình đa giai đoạn gồm bộ biến đổi DC-DC Boost với thuật toán MPPT P&O, bộ nghịch lưu ba pha ba bậc NPC điều khiển PWM, bộ lọc LCL và vòng khóa pha PLL. Phân tích đặc tuyến I-V, P-V, dạng sóng điện áp, dòng điện, công suất, sóng hài tổng (THD) và đáp ứng khi lưới điện không cân bằng.

• Cỡ mẫu và timeline: Mô phỏng chi tiết trong khoảng thời gian 0.5 giây với các biến đổi cường độ bức xạ và nhiệt độ, khảo sát các trường hợp lưới điện cân bằng và không cân bằng. Thời gian nghiên cứu từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2018.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả thuật toán MPPT P&O: Thuật toán P&O giúp hệ thống luôn vận hành gần điểm công suất cực đại, với công suất đầu ra đạt khoảng 95-98% công suất tối đa trong điều kiện cường độ bức xạ 1000 W/m² và nhiệt độ 25°C. Khi cường độ bức xạ giảm còn 250 W/m², công suất giảm tương ứng nhưng thuật toán vẫn duy trì hiệu suất cao.

2. Chất lượng điện năng của bộ nghịch lưu NPC: Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra có độ méo dạng tổng (THD) dưới 5%, đáp ứng tiêu chuẩn IEC 61727 và IEEE 1547. Bộ lọc LCL hiệu quả trong việc giảm sóng hài, đảm bảo điện áp ngõ ra ổn định ở 400 V hiệu dụng, tần số 50 Hz.

3. Khả năng hoạt động trong lưới không cân bằng: Khi xảy ra điện áp không cân bằng trên lưới, bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF (Double Synchronous Reference Frame) giúp loại bỏ dao động dòng điện Id và Iq, duy trì công suất đầu ra ổn định, giảm dao động công suất tác dụng và phản kháng so với bộ điều khiển SRF thông thường. THD dòng điện giảm khoảng 20% so với phương pháp truyền thống.

4. Đáp ứng quá độ và ổn định hệ thống: Vòng khóa pha PLL hoạt động hiệu quả trong việc đồng bộ pha và tần số, ngay cả khi lưới điện bị sụt áp hoặc méo dạng sóng. Thời gian khóa pha dưới 50 ms, đảm bảo hệ thống nhanh chóng thích ứng với biến đổi lưới.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy việc kết hợp thuật toán MPPT P&O với bộ biến đổi Boost và bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiển PWM là giải pháp hiệu quả cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. Việc sử dụng biến đổi tọa độ dq và phân tích thành phần thứ tự giúp thiết kế bộ điều khiển dòng điện chính xác, đặc biệt trong điều kiện lưới không cân bằng, điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong lĩnh vực điện tử công suất.

So với các nghiên cứu khác, hệ thống mô phỏng đạt được chất lượng điện năng tốt hơn nhờ bộ lọc LCL và thuật toán điều khiển DDSRF, giảm thiểu sóng hài và dao động công suất. Điều này có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ tin cậy và tuổi thọ thiết bị, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ đặc tuyến I-V và P-V của tấm pin mặt trời, dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra, biểu đồ THD so sánh giữa các phương pháp điều khiển, cũng như bảng số liệu công suất tác dụng và phản kháng trong các điều kiện lưới khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai bộ điều khiển DDSRF cho hệ thống nối lưới: Áp dụng bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF để nâng cao khả năng hoạt động ổn định trong điều kiện lưới không cân bằng, giảm dao động công suất và sóng hài. Thời gian thực hiện trong 6 tháng, chủ thể là các đơn vị nghiên cứu và doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất.

2. Tối ưu thiết kế bộ lọc LCL: Nâng cao hiệu quả lọc sóng hài bằng cách điều chỉnh thông số bộ lọc LCL phù hợp với công suất và đặc tính lưới điện địa phương, nhằm giảm THD dưới 3%. Thời gian thực hiện 3-4 tháng, do các kỹ sư thiết kế hệ thống điện đảm nhiệm.

3. Phát triển thuật toán MPPT kết hợp đa phương pháp: Nghiên cứu kết hợp thuật toán P&O với Incremental Conductance hoặc các phương pháp trí tuệ nhân tạo để tăng tốc độ và độ chính xác dò tìm điểm công suất cực đại, đặc biệt trong điều kiện biến đổi nhanh của môi trường. Thời gian nghiên cứu 1 năm, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

4. Xây dựng hệ thống giám sát và điều khiển từ xa: Thiết kế hệ thống giám sát trực tuyến để theo dõi hiệu suất và chất lượng điện năng của hệ thống PV nối lưới, giúp phát hiện sớm sự cố và điều chỉnh kịp thời. Thời gian triển khai 6 tháng, do các công ty công nghệ thông tin và điện lực phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Kỹ thuật điện: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về điều khiển bộ nghịch lưu NPC, thuật toán MPPT và mô phỏng hệ thống PV nối lưới, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các giải pháp năng lượng tái tạo.

2. Kỹ sư thiết kế hệ thống năng lượng mặt trời: Tham khảo để áp dụng các kỹ thuật điều khiển và mô hình mô phỏng trong thiết kế, tối ưu hóa hiệu suất và chất lượng điện năng của hệ thống PV nối lưới.

3. Doanh nghiệp sản xuất thiết bị điện tử công suất: Nắm bắt công nghệ điều khiển bộ nghịch lưu ba bậc NPC và các thuật toán điều khiển hiện đại để phát triển sản phẩm phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu thị trường.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng: Hiểu rõ các tiêu chuẩn kỹ thuật, yêu cầu vận hành và khả năng ứng dụng của hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới, từ đó xây dựng chính sách hỗ trợ phát triển năng lượng tái tạo hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ nghịch lưu ba bậc NPC là gì và ưu điểm của nó?
   Bộ nghịch lưu NPC là loại bộ biến đổi công suất sử dụng nhiều cấp điện áp trung gian để tạo ra điện áp ngõ ra gần dạng sóng sin hơn, giảm tổn hao và méo dạng sóng. Ưu điểm là khả năng mở rộng dễ dàng, cân bằng điện áp điểm trung tính và giảm sóng hài.

2. Tại sao cần thuật toán MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời?
   MPPT giúp hệ thống luôn vận hành tại điểm công suất cực đại của tấm pin mặt trời, tối ưu hóa hiệu suất chuyển đổi năng lượng, đặc biệt khi cường độ bức xạ và nhiệt độ thay đổi liên tục.

3. Vòng khóa pha (PLL) có vai trò gì trong hệ thống nối lưới?
   PLL đồng bộ pha và tần số điện áp ngõ ra bộ nghịch lưu với lưới điện, đảm bảo kết nối ổn định, tránh dao động và mất đồng bộ gây hư hại thiết bị.

4. Lưới điện không cân bằng ảnh hưởng thế nào đến hệ thống PV nối lưới?
   Lưới không cân bằng gây dao động dòng điện, công suất không ổn định, tăng sóng hài và có thể làm hư hại bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF giúp khắc phục vấn đề này.

5. Bộ lọc LCL có tác dụng gì trong hệ thống?
   Bộ lọc LCL giảm sóng hài và dao động điện áp, đảm bảo chất lượng điện năng đầu ra của bộ nghịch lưu, giúp hệ thống đáp ứng các tiêu chuẩn kỹ thuật về sóng hài và ổn định lưới điện.

Kết luận

• Thiết kế và mô phỏng bộ nghịch lưu ba bậc NPC kết hợp thuật toán MPPT P&O trên Matlab Simulink đã chứng minh hiệu quả trong biến đổi và điều khiển năng lượng mặt trời nối lưới.
• Bộ điều khiển dòng điện dạng DDSRF giúp hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện lưới điện không cân bằng, giảm dao động công suất và sóng hài.
• Bộ lọc LCL và vòng khóa pha PLL đảm bảo chất lượng điện áp, dòng điện và đồng bộ hệ thống với lưới điện 400 V, 50 Hz.
• Kết quả nghiên cứu phù hợp với các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế như IEC 61727, IEEE 1547, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của hệ thống PV nối lưới.
• Đề xuất phát triển các thuật toán MPPT nâng cao, tối ưu bộ lọc và xây dựng hệ thống giám sát từ xa là hướng nghiên cứu tiếp theo trong vòng 1-2 năm tới.

Quý độc giả và các nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng và phát triển các giải pháp trong luận văn nhằm thúc đẩy ứng dụng năng lượng mặt trời tại Việt Nam và khu vực.

Trích đoạn nội dung tài liệu

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỎ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA PHAN DINH KHÁI NGHIÊN CỨU DIEU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU BA BAC NPC CHO BIEN DOI NANG LUONG MAT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số: 60 52 02 02 LUẬN VĂN THẠC SĨ TP HO CHÍ MINH, tháng 06 năm 2018 Công trình được hoàn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa -DHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa hỌC :. -G- <6 3 x31 E8 1 91 1 913 123 ngư ni (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vi và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học ham, học vi của Hội đông cham bảo vệ luận văn thạc sĩ) Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nều có). CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRUONG KHOA.

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh phúc NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ Họ tên học viên: Phan Dinh Khải. Ngày, thang, năm sinh: 20/02/1991 .- 5 - << sessss Nơi sinh: Lâm Đồng. Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện. TEN DE TÀI: Nghiên cứu điều khiến bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến doi năng lượng mặt fTờï.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Nghiên cứu phương pháp điều khiến bộ nghịch lưu. NPC cho năng lượng mặt trời nối lưới và thực hiện mô phỏng trên Matlab. NGÀY GIAO NHIỆM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tai) 15/01/2018. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VU:(Ghi theo trong QD giao đề tài) 17/06/2018 V.

CÁN BO HƯỚNG DAN (Ghi rõ học ham, học vị, họ, tên):. CAN BO HUONG DAN CHU NHIEM BO MON DAO TAO (Họ tên va chữ ky) (Họ tên và chữ ký) TRUONG KHOA. (Họ tên và chữ ký) LỜI CẢM ƠN Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Điện với dé tài “Nghiên cứu điều khiến bộ nghịch lưu ba bậc NPC cho biến doi năng lượng mặt trời” là kết quả của quá trình cô gang không ngừng của ban thân va được sự giúp đỡ, động viên khích lệ của các thay, bạn bè và người thân. Qua trang viết này tôi xin gửi lời cảm ơn tới những người đã giúp đỡ tôi trong thời gian học tập - nghiên cứu khoa học vừa qua.

Tôi xin tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu sắc đối với thầy giáo PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ, người đã trực tiếp tận tình hướng dẫn cũng như cung cấp tài liệu thông tin khoa học cần thiết cho luận văn này. Xin chân thành cảm ơn Lãnh đạo trường Đại học Bách Khoa thành phố Hồ Chí Minh, khoa Điện — Điện tử đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành tốt công việc nghiên cứu khoa học của mình. Cuối cùng tôi xin chân thành cảm ơn bạn bè vả gia đình đã luôn ủng hộ. giúp đỡ tôi trong suốt quá trình thực hiện.

TÁC GIÁ Phan Đình Khải TOM TAT LUẬN VĂN THẠC SĨ Luận văn này đã thực hiện thiết kế và mô phỏng hệ thống điện tử công suất dùng cho năng lượng mặt trời nối lưới. Trong đó đưa ra các lý thuyết co bản về năng lượng mặt trời, các bộ biến đổi cũng như các tiêu chuẩn nối lưới để nghiên cứu và khảo sát. Từ thông số kỹ thuật của tắm pin mặt trời trong thực tế, phần mềm Simulink đã giúp mô phỏng lại tam pin mặt trời. Thông qua hệ thống gồm hai giai đoạn, năng lượng từ pin mặt trời được biến đổi.

Đầu tiên là bộ biến đôi Boost giúp khuếch đại điện áp từ pin mặt trời va dò tim điểm công suất cực đại với thuật toán Perturb and Observe. Sau đó công suất được biến độ DC-AC bang bộ nghịch lưu ba bậc NPC điều khiến trong hệ quy chiếu đồng bộ. Vòng khóa pha thực hiện đồng bộ pha với lưới. Ngõ ra của bộ nghịch lưu được lọc thông qua bộ lọc LCL và sau đó nối lên lưới.

Lưới điện có điện áp pha 400V hiệu dụng. Luận văn này còn thực hiện khảo sát hệ thong khi xảy ra điện áp không cân bằng trên lưới. Đồng thời khảo sát bộ điều khiển phân tầng đồng bộ kép giúp hệ thống hoạt động tốt kế cả khi lưới không cân băng. Cuối cùng, kết quả mô phỏng được kiểm nghiệm và phân tích.

Từ đó đưa ra nhận xét và kêt luận. ABTRACT In this thesis, the designing of a grid-connected photovoltaic system for the power electronic simulation has been carried out. The relevant topics and literature regarding the elements in a photovoltaic system and grid connection standards have been studied and reviewed. A system, with the capacity and ratings of solar modules currently available in the laboratory, has been designed in Simulink.

The designed system in a multistage system. Perturb and Observe algorithm is used for maximum power point tracking. Boost converter is used to amplify the photovoltaic array voltage. The inverter used is a three-phase two-level inverter.

The control structure for inverter is designed in synchronous reference frame. PLL extracts the necessary information of grid voltage phase. The grid has a Line to Line voltage of 400Vrms. An LCL filter is used to interconnect inverter output to the grid.

A study on unbalanced grid voltage has been implemented. A proposed controller is DDSRE has been used to resolve the grid fault and keep power constant. After that the results of the designed simulation are discussed. In the end, discussion about this thesis, conclusion and recommendations for future work are presented.

LOI CAM DOAN Tôi xin cam đoan day là công trình nghiên cứu khoa học độc lập của riêng tôi. Cac số liệu sử dụng phân tích trong luận án có nguôồn gốc rõ ràng, đã công bố theo đúng quy định. Các kết quả nghiên cứu trong luận án do tôi tự tìm hiểu, phân tích một cách trung thực, khách quan và phù hợp với thực tiễn của Việt Nam. Các kết quả này chưa từng được công bồ trong bat kỳ nghiên cứu nào khác.

DANH SÁCH HÌNH Hình 2. Sản lượng điện từ pin mặt trời tăng trưởng nhanh chóng. Dưới tác dụng của photon, tại lớp tiếp xúc p-n tạo ra một cặp electron và 0. Mạch tương đương té bào quang điện.--- + ¿2 2 5+s+c+cz£z£szezesree 3 Hình 2.

Hai thông số quan trọng của tế bào quang điện: Dòng điện ngắn mạch (Isc) và Điện áp hở mạch (VOC). Đặc tuyến lý tưởng dòng-áp của tế bào quang điện. Đặc tuyến dòng áp có xét tới tổn hao Rg và Rp.-------5cc+s+ccscce2 4 Hình 2. Mạch tương đương chính xác của pin mặt trời với điện trở ký sinh nối n0 SONG SON 27777.

Đặc tính I-V và công suất ngõ ra của tế bào quang điện. Đặc tuyến dong-ap theo cường độ bức xa và nhiệt độ của một tắm pin mặt ¬. Cau trúc hệ thống pin mặt trời .---- + ¿+2 + 2 2 +E+E£E+EzE£E+krerrererees 8 Hình 2. Hệ thống PV sử dụng bộ chuyển DC-DC.

Hệ thống đơn giai doat. Hệ thống hai giai đoạn.---- + 2-2 S2 SE SE 3 E2 E1 E E121 E1 212111 xe 12 Hình 2. VỊ trí đặt tụ phân tầng cho hệ thong đơn giai đoạn. VỊ trí đặt tụ phân tầng cho hệ thong hai gian đoạn.

Sơ đồ giải thuật [CC. Sợ đồ mach bộ nghịch lưu 3 pha NPC. Điều chế Sin PWM với hai sóng mang đồng pha. Tin hiệu xung kích cho các khóa trên một nhánh của bộ nghịch luu.

Mối quan hệ giữa OB và d.------ ¿+ + + 2x+ESE+E+EeEEvEvkererkrrrrererree 21 Hình 3. Sơ đồ khối hệ thống .---- + ¿E- +2 S22 SEEE£E2EEEEEEEEEEE E5 511111 2x rk. Cau trúc điều khiến trong miễn abc. Hệ thống điều khiến trong miễn dỆ).

Hệ thống điều khiến trong miễn dq0. Điều khiến dòng điện lặp vòng phối hợp chéo. Thiết lập thông số mô phỏng PV ALray. Đặc tuyến I-V và P-V khi công suất thay đổi ở IKW và 0.

Đặc tuyến I-V và P-V khi nhiệt độ tam pin thay đổi. Sơ đỗ nguyên lý vòng khóa pha PLL. Cau trúc bên trong vòng khóa pha.---- - ¿555552 S2+x+Ez£s+xvxcscxee 34 Hình 3. Góc pha và điện áp dq: (a) trường hợp sụt áp đều trên cả ba pha, (b) trường hợp sụt áp không sin, (c) trường hợp ba pha không cân bằng.

Kết nối vòng khóa pha vào hệ thống .---- - 2 25555252 ss+s+zsscxe2 36 Hình 3. Sơ đỗ nguyên lý bộ biễn đôi Boost. Mô phỏng bộ điều khiển dòng điện. Dòng điện dq đo được dưới tác động phối hợp chéo.

Vòng lặp điều khiển dòng đồng bộ kép. Sơ đồ vòng lặp dòng DDSRIE.---- ¿5555 S+S*2EEE2tErrkrrrrrrrree AT Hình 3. Mô phỏng lưới điỆn .--- - - - 555 + 1 101111999 ng ng ke 47 Hình 3. Giản đồ hàm truyền hệ thong.

Sơ đỗ hàm truyền vòng lặp điện áp .---- 5 + 55s+scs+eseccscxee 50 Hình 4. Đỗ thị mô phỏng sự thay đối của cường độ bức xạ và nhiệt độ theo thời 50. Công suất ngõ ra PV ArTAy.Điện áp ngõ ra PV Array. -- cọ kh 54 Hình 4.

Điều chỉnh hệ số D cho bộ biến đổi DC-DC. Điện áp tham chiếu và điện áp DC Link thực tẾ. Dạng sóng điện áp và dòng điện ngõ ra bộ nghịch lưu. Dang sóng điện áp và dòng điện của hệ thống hòa lưới.

Phân tích sóng hai dòng điện phát lên lưới va THD. Công suất cấp lên lưới. Dạng sóng các tín hiệu điều khiến Id (màu tím) va Iq (màu xanh dương) cho bộ điều khiến dòng thông thường SRF: (0-0.17s) lưới điện ôn định, (0.34s) lưới điện không cân băng. Loại bỏ dao động tín hiệu Id, Iq nhờ DDSRF-PL,L,.

Dang sóng các tín hiệu điều khiến cho bộ điều khiển dòng thứ tự nghịch DDSRF: (0-0.2s) Lưới điện ồn định, (0.4s) Lưới điện không cân băng. Dòng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiến thông thường khi lưới không cân bằng .---- ¿+ ¿52 2 SE‡E+EEE‡E£EEEEEEEEvEEErkererkrrerered 62 Hình 4. Dòng điện, điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiển DDSRE khi lưới không cân DAN. Dòng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiến thông thường khi lưới bi SUt ấp.

Dòng điện và điện áp ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiến DDSRF khi lưới bi Sụt ấpD. Công suất ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiến thông thường khi lưới KhOng CAN DANG 077. Công suất ngõ ra của hệ thống dùng bộ điều khiến DDSRF khi lưới KhOng CAN DANG 077. Công suất tác dụng và công suất phản kháng thứ tự nghịch với bộ điều khiến SRF, hài cơ bản và hài bậc hai.

Công suất tác dụng và công suất phản kháng thứ tự nghịch với bộ điều khiến DDSRF, hài co bản và hài bậc hai. Thời gian qua do (ms) với bộ điều khiển SRF va DDSRE. Đồ thị đánh giá THD.70 DANH SACH BANG Bảng 2. Ví dụ tiêu chuẩn kết nối lưới cho hệ thống PV.