Nghiên cứu kỹ thuật điều chế hạn chế dòng điện rò và điện áp common mode trong bộ biến đổi công suất pv nối lưới 3 pha 3 bậc không biến áp

Nghiên cứu kỹ thuật điều chế hạn chế dòng điện rò và điện áp common mode trong bộ biến đổi công suất PV 3 pha 3 bậc không biến áp.

• Tác giả: Võ Văn Tiên
• Người hướng dẫn: PGS. Nguyễn Văn Nhờ
• Trường học: Đại học Bách Khoa - ĐHQG TP. HCM
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện
• Đề tài: Nghiên Cứu Kỹ Thuật Giảm Dòng Điện Rò và Điện Áp Common Mode trong Bộ Biến Đổi Công Suất PV Nối Lưới 3 Pha
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: TP. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CÁM ƠN
• TÓM TẮT LUẬN VĂN
• ABSTRACT
• LỜI CAM ĐOAN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
• 1.1. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
• 1.2. MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
• 1.3. BỐ CỤC LUẬN VĂN
• 2. CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP
• 2.1. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI
• 2.2. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP
• 2.3. DÒNG RÒ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP
• 3. CHƯƠNG 3: CẤU HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 2 GIAI ĐOẠN NỐI LƯỚI
• 4. CHƯƠNG 4: KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC
• 5. CHƯƠNG 5: ĐIỆN ÁP COMMON-MODE VÀ DÒNG ĐIỆN RÒ TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI
• 6. CHƯƠNG 6: LỰA CHỌN LINH KIỆN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ MÔ PHỎNG PLECS
• 7. CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN
• TÀI LIỆU THAM KHẢO
• LÝ LỊCH TRÍCH NGANG

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Giảm Dòng Rò trong Bộ Biến Đổi PV 3 Pha

Nghiên cứu này tập trung vào việc giảm dòng điện rò và điện áp common mode trong bộ biến đổi công suất PV nối lưới 3 pha. Đây là một vấn đề quan trọng trong các hệ thống điện mặt trời hiện đại, đặc biệt là các hệ thống không sử dụng biến áp. Việc giảm thiểu dòng điện rò không chỉ tăng cường độ tin cậy bộ biến đổi và hiệu suất bộ biến đổi mà còn đảm bảo an toàn cho người sử dụng và tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện. Các phương pháp điều chế PWM tiên tiến và các kỹ thuật thiết kế mạch được xem xét để đạt được mục tiêu này. Luận văn này xem xét đến cấu hình bộ biến đổi năng lượng mặt trời NPC ba pha ba bậc kết nối lưới không thông qua biến áp và vấn đề hạn chế dòng rò qua thành phần điện dung ký sinh sinh ra do kiểu nối lưới không cách ly.

1.1. Điện Áp Common Mode Khái Niệm và Tác Động

Điện áp common mode (CMV) là thành phần điện áp xuất hiện đồng thời trên tất cả các pha so với điểm trung tính của hệ thống. Sự tồn tại của CMV gây ra dòng điện rò thông qua điện dung ký sinh giữa các tấm pin mặt trời và đất. Dòng rò này có thể dẫn đến nhiều vấn đề, bao gồm giảm hiệu suất, tăng nhiễu điện từ (EMI), và nguy cơ an toàn. Do đó, việc hiểu rõ nguồn gốc và tác động của CMV là rất quan trọng để phát triển các giải pháp giảm thiểu. Để giảm EMI, các bộ lọc EMI cũng được sử dụng kết hợp.

1.2. Tại Sao Giảm Dòng Điện Rò Lại Quan Trọng

Việc giảm dòng điện rò mang lại nhiều lợi ích đáng kể. Thứ nhất, nó cải thiện đáng kể hiệu suất bộ biến đổi bằng cách giảm tổn thất năng lượng. Thứ hai, nó giảm EMI, giúp hệ thống hoạt động ổn định hơn và ít gây nhiễu cho các thiết bị khác. Thứ ba, và quan trọng nhất, nó tăng cường an toàn cho người sử dụng bằng cách giảm nguy cơ điện giật. Các tiêu chuẩn an toàn điện ngày càng nghiêm ngặt, do đó việc giảm dòng điện rò là bắt buộc để tuân thủ. Các tiêu chuẩn nối lưới VDE-AR-N 4105 và VDE 0126-1-1 quy định trị hiệu dụng của bộ biến đổi công suất nối lưới không được vươt quá 300mA.

II. Các Thách Thức Chính Về Dòng Rò ở Biến Tần Nối Lưới

Trong biến tần năng lượng mặt trời nối lưới, việc giảm dòng điện rò và điện áp common mode đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Các hệ thống không biến áp, mặc dù có hiệu suất cao hơn, lại dễ bị ảnh hưởng bởi dòng điện rò do thiếu cách ly giữa hệ thống PV và lưới điện. Các yếu tố như điện dung ký sinh, topology bộ biến đổi, và kỹ thuật điều chế đều đóng vai trò quan trọng trong việc xác định mức độ dòng điện rò. Do đó, việc nghiên cứu các phương pháp kiểm soát điện áp common mode và giảm dòng điện rò là rất cần thiết.

2.1. Ảnh Hưởng của Topology Biến Đổi Đến Dòng Rò

Lựa chọn topology bộ biến đổi có ảnh hưởng lớn đến mức độ dòng điện rò. Các isolated converter (bộ biến đổi cách ly) thường có mức dòng điện rò thấp hơn so với các non-isolated converter (bộ biến đổi không cách ly) do có sự cách ly điện giữa đầu vào và đầu ra. Tuy nhiên, các non-isolated converter lại có ưu điểm về hiệu suất và chi phí. Do đó, cần cân nhắc kỹ lưỡng khi lựa chọn topology để đạt được sự cân bằng giữa hiệu suất, chi phí và mức độ dòng điện rò.

2.2. Điện Dung Ký Sinh và Vai Trò Của Grounding

Điện dung ký sinh giữa các tấm pin mặt trời và đất là một nguồn chính gây ra dòng điện rò. Giá trị của điện dung ký sinh phụ thuộc vào nhiều yếu tố, bao gồm kích thước tấm pin, vật liệu, và điều kiện môi trường. Grounding (tiếp đất) đúng cách có thể giúp giảm dòng điện rò bằng cách cung cấp một đường dẫn trở kháng thấp cho dòng điện common mode. Việc lựa chọn phương pháp grounding phù hợp là rất quan trọng để đảm bảo an toàn và giảm EMI.

III. Phương Pháp Giảm Điện Áp Common Mode trong Biến Đổi PV

Có nhiều phương pháp để giảm điện áp common mode (CMV) trong bộ biến đổi công suất PV. Các phương pháp này có thể được chia thành hai loại chính: các phương pháp dựa trên thiết kế bộ biến đổi và các phương pháp dựa trên điều khiển bộ biến đổi. Các phương pháp dựa trên thiết kế bao gồm việc sử dụng các topology bộ biến đổi có CMV thấp và tối ưu hóa grounding. Các phương pháp dựa trên điều khiển bao gồm việc sử dụng các kỹ thuật điều chế PWM tiên tiến để giảm CMV.

3.1. Kỹ Thuật Điều Chế PWM Giảm Điện Áp Common Mode

Các kỹ thuật điều chế PWM đóng vai trò quan trọng trong việc giảm điện áp common mode. Các kỹ thuật như Space Vector Modulation (SVM) và Discontinuous PWM (DPWM) có thể được sử dụng để giảm CMV bằng cách điều chỉnh các trạng thái chuyển mạch của bộ biến đổi. Một số kỹ thuật thậm chí có thể triệt tiêu hoàn toàn CMV trong một số điều kiện hoạt động nhất định. Luận văn cũng tìm hiểu về ảnh hưởng của dòng rò sinh ra bởi thành phần điện áp common-mode chạy qua điện dung ký sinh của hệ thống.

3.2. Thiết Kế Bộ Lọc Để Giảm Điện Áp Common Mode

Bộ lọc EMI có thể được sử dụng để giảm điện áp common mode bằng cách chặn các thành phần tần số cao của CMV. Các bộ lọc này thường bao gồm các cuộn cảm common mode và các tụ điện. Việc thiết kế bộ lọc hiệu quả đòi hỏi phải hiểu rõ các đặc tính tần số của CMV và lựa chọn các linh kiện phù hợp. Việc sử dụng bộ lọc EMI là một giải pháp hiệu quả để giảm EMI và cải thiện chất lượng điện năng.

IV. Ứng Dụng Thực Tế Mô Phỏng Giảm Dòng Rò Với PLECS

Các phương pháp giảm dòng điện rò và điện áp common mode đã được nghiên cứu và triển khai trong nhiều ứng dụng thực tế. Các hệ thống điện mặt trời dân dụng và thương mại thường sử dụng các kỹ thuật này để đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn điện và cải thiện hiệu suất. Việc mô phỏng bộ biến đổi bằng phần mềm như PLECS cho phép các nhà nghiên cứu và kỹ sư đánh giá hiệu quả của các phương pháp khác nhau và tối ưu hóa thiết kế bộ biến đổi. Bên cạnh đó, đề xuất các giải pháp để xử lý các vấn đề liên quan.

4.1. Mô Phỏng Bộ Biến Đổi PV Nối Lưới Ba Pha trên PLECS

Phần mềm PLECS là một công cụ mạnh mẽ để mô phỏng bộ biến đổi công suất. Nó cho phép người dùng xây dựng các mô hình chi tiết của bộ biến đổi PV nối lưới ba pha và mô phỏng hành vi của chúng trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các kết quả mô phỏng có thể được sử dụng để đánh giá hiệu quả của các phương pháp giảm dòng điện rò và điện áp common mode. Trong thực tế cảm biến đo lường cũng là loại đặt biệt và có độ chính xác cực cao để phát hiện.

4.2. Phân Tích Kết Quả Mô Phỏng Dòng Điện Rò và Điện Áp Common Mode

Các kết quả mô phỏng cho thấy rằng các phương pháp điều chế PWM tiên tiến có thể giảm đáng kể điện áp common mode và dòng điện rò. Việc sử dụng bộ lọc EMI cũng có thể giúp giảm EMI và cải thiện chất lượng điện năng. Các kết quả mô phỏng cung cấp thông tin quan trọng để tối ưu hóa bộ biến đổi và đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn an toàn điện.

V. Kết Luận Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Giảm Dòng Rò

Nghiên cứu về giảm dòng điện rò và điện áp common mode trong bộ biến đổi công suất PV nối lưới 3 pha là một lĩnh vực quan trọng và đang phát triển. Các phương pháp đã được đề xuất và thử nghiệm cho thấy tiềm năng lớn trong việc cải thiện hiệu suất, độ tin cậy, và an toàn của các hệ thống điện mặt trời. Tuy nhiên, vẫn còn nhiều thách thức cần vượt qua, đặc biệt là trong việc phát triển các giải pháp chi phí-hiệu quả cho các hệ thống quy mô lớn.

5.1. Tối Ưu Hóa Thiết Kế và Điều Khiển Cho Bộ Biến Đổi PV

Các nghiên cứu trong tương lai nên tập trung vào việc tối ưu hóa thiết kế bộ biến đổi và điều khiển bộ biến đổi để giảm dòng điện rò và điện áp common mode. Việc phát triển các thuật toán điều khiển thích ứng có thể giúp giảm dòng điện rò trong các điều kiện hoạt động khác nhau. Các phương pháp thiết kế bộ biến đổi mới cũng có thể giúp giảm điện dung ký sinh và cải thiện hiệu suất.

5.2. Nghiên Cứu Vật Liệu Mới Để Giảm Điện Dung Ký Sinh

Việc nghiên cứu các vật liệu mới có độ dẫn điện cao và độ điện áp cách điện tốt có thể giúp giảm điện dung ký sinh và dòng điện rò. Các vật liệu nano và các vật liệu composite có thể cung cấp các giải pháp tiềm năng cho vấn đề này. Việc phát triển các vật liệu mới là một hướng nghiên cứu quan trọng để cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của các hệ thống điện mặt trời. Cấu hình không biến áp cách ly có nhiều ưu điểm hơn như hiệu suất cao, khối lượng, kích thước và giá thành thấp hơn so với cấu hình sử dụng biến áp cách ly

Nội dung chính

Tổng quan nghiên cứu

Nhu cầu năng lượng toàn cầu ngày càng tăng cao, đặc biệt tại các nước đang phát triển như Việt Nam, trong khi nguồn năng lượng hóa thạch ngày càng cạn kiệt và gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Theo ước tính, năng lượng mặt trời chiếm tỷ trọng ngày càng lớn trong cơ cấu năng lượng tái tạo nhờ tính sạch, bền vững và nguồn cung dồi dào. Tuy nhiên, đặc điểm biến động của bức xạ mặt trời theo thời gian và điều kiện thời tiết đặt ra thách thức lớn cho việc thiết kế các bộ biến đổi công suất có hiệu suất cao và ổn định.

Luận văn tập trung nghiên cứu kỹ thuật điều chế nhằm hạn chế dòng điện rò và điện áp common-mode trong bộ biến đổi công suất PV nối lưới 3 pha 3 bậc không biến áp, một cấu hình có nhiều ưu điểm như hiệu suất cao, kích thước nhỏ gọn và chi phí thấp hơn so với hệ thống có biến áp cách ly. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp, sử dụng mô hình nghịch lưu NPC 3 bậc với phần mềm mô phỏng PLECS, trong khoảng thời gian từ đầu năm đến giữa năm 2023 tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG TP. HCM.

Mục tiêu chính của nghiên cứu là phát triển giải pháp điều khiển DC-DC và DC-AC nhằm tối đa hóa công suất thu được, đồng thời giảm thiểu dòng rò và điện áp common-mode gây ảnh hưởng đến chất lượng điện năng và an toàn hệ thống. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả vận hành và độ tin cậy của các hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp, góp phần thúc đẩy ứng dụng năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

1. Mô hình biến đổi công suất đa bậc NPC (Neutral Point Clamped): Đây là cấu hình nghịch lưu 3 pha 3 bậc, cho phép giảm thiểu sóng hài và điện áp dv/dt, đồng thời giảm tổn thất chuyển mạch nhờ mỗi khóa công suất chỉ chịu một nửa điện áp DC. Các trạng thái đóng cắt của các khóa được phân tích chi tiết để đảm bảo hoạt động ổn định và cân bằng điện áp tụ nguồn.

2. Kỹ thuật điều khiển điện tử công suất và điều chế PWM: Bao gồm phương pháp điều khiển định hướng điện áp (VOC) trong hệ tọa độ đồng bộ dq, kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin (SIN-PWM) và điều chế vector không gian (SVPWM). Các khái niệm chính gồm: điểm công suất cực đại (MPP), thuật toán bám điểm công suất tối đa P&O (Perturb and Observe), vòng khóa pha (PLL) để đồng bộ hóa điện áp lưới, và các phương pháp giảm điện áp common-mode (CMV) nhằm hạn chế dòng rò.

Các khái niệm chuyên ngành được sử dụng gồm: điện áp common-mode (CMV), dòng điện rò, điện dung ký sinh, nghịch lưu NPC 3 bậc, điều chế PWM, thuật toán MPPT, hệ tọa độ đồng bộ dq, và kỹ thuật điều khiển VOC.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp mô phỏng trên phần mềm PLECS để phân tích và đánh giá hiệu quả của các giải pháp điều khiển trong bộ biến đổi công suất nối lưới không biến áp.

• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu đầu vào bao gồm đặc tính I-V và P-V của tấm pin mặt trời, thông số linh kiện điện tử công suất, và các tham số hệ thống lưới điện 3 pha.

• Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình mô phỏng được xây dựng dựa trên cấu hình nghịch lưu NPC 3 bậc 3 pha, với các thông số linh kiện được lựa chọn phù hợp với hệ thống điện mặt trời quy mô nhỏ đến trung bình, phản ánh điều kiện thực tế tại Việt Nam.

• Phương pháp phân tích: Phân tích dạng sóng điện áp, dòng điện, công suất, điện áp common-mode và dòng rò được thực hiện qua các kịch bản điều chế PWM khác nhau (SIN-PWM, POD-SPWM, PD-SPWM). Các kết quả được so sánh về mức độ giảm dòng rò và điện áp CMV, cũng như hiệu suất công suất đầu ra.

• Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2023, bao gồm giai đoạn khảo sát lý thuyết, xây dựng mô hình, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Hiệu quả điều khiển MPPT bằng thuật toán P&O: Mô phỏng cho thấy thuật toán P&O giúp hệ thống đạt công suất tối đa tại điểm làm việc MPP, với điện áp DC-link ổn định quanh giá trị tham chiếu. Công suất thu được tăng lên đến khoảng 95% công suất định mức trong điều kiện bức xạ mặt trời thay đổi.

2. Giảm dòng rò và điện áp common-mode bằng kỹ thuật điều chế POD-SPWM: So với kỹ thuật SIN-PWM truyền thống, phương pháp POD-SPWM giảm dòng rò hiệu dụng xuống khoảng 40%, đồng thời điện áp CMV cũng giảm đáng kể, giúp nâng cao an toàn và giảm nhiễu điện từ.

3. Khả năng điều khiển công suất bằng phương pháp VOC trong hệ tọa độ dq: Điều khiển VOC cho phép điều chỉnh công suất tác dụng lên lưới đạt gần 100% công suất DC đầu vào, đồng thời duy trì công suất phản kháng gần bằng 0, đảm bảo hệ số công suất cao và ổn định.

4. Ảnh hưởng của linh kiện và cấu hình mạch: Việc lựa chọn linh kiện như cuộn cảm lọc và tụ điện DC-link có ảnh hưởng lớn đến mức độ nhấp nhô dòng điện và điện áp, từ đó tác động đến dòng rò và điện áp CMV. Mô phỏng cho thấy cuộn cảm L có giá trị khoảng vài mH giúp giảm sóng hài và dòng rò hiệu quả.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của dòng rò trong hệ thống không biến áp là do điện áp common-mode tạo ra dòng điện chạy qua điện dung ký sinh giữa tấm PV và đất. Việc áp dụng kỹ thuật điều chế POD-SPWM làm thay đổi trình tự đóng cắt các khóa công suất, từ đó giảm điện áp CMV và dòng rò. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong ngành điện tử công suất, cho thấy kỹ thuật điều chế đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện chất lượng điện năng.

Việc sử dụng nghịch lưu NPC 3 bậc giúp giảm tổn thất chuyển mạch và sóng hài so với nghịch lưu 2 bậc, đồng thời giảm điện áp trên mỗi khóa công suất, tăng tuổi thọ linh kiện. Tuy nhiên, nhược điểm là mạch điều khiển phức tạp hơn và yêu cầu cân bằng điện áp tụ nguồn chính xác.

Biểu đồ dạng sóng điện áp và dòng điện trong hệ tọa độ dq minh họa rõ sự ổn định của điện áp DC-link và dòng điện đầu ra, đồng thời thể hiện hiệu quả giảm dòng rò khi áp dụng kỹ thuật điều chế POD-SPWM. Bảng so sánh các phương pháp điều chế cũng cho thấy ưu thế vượt trội của POD-SPWM về mặt giảm dòng rò và điện áp CMV.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Triển khai kỹ thuật điều chế POD-SPWM trong bộ biến đổi công suất nối lưới: Áp dụng kỹ thuật này nhằm giảm dòng rò và điện áp common-mode, nâng cao an toàn và chất lượng điện năng. Thời gian thực hiện trong vòng 6 tháng, chủ thể là các nhà sản xuất thiết bị điện tử công suất.

2. Tăng cường sử dụng bộ lọc cuộn cảm và tụ điện phù hợp: Lựa chọn linh kiện có giá trị điện cảm và điện dung tối ưu để giảm nhấp nhô dòng điện và điện áp, từ đó hạn chế dòng rò. Thời gian thực hiện 3-4 tháng, do bộ phận kỹ thuật và thiết kế linh kiện đảm nhận.

3. Phát triển thuật toán điều khiển MPPT nâng cao: Nghiên cứu và ứng dụng các thuật toán MPPT có độ chính xác cao hơn như Incremental Conductance hoặc Logic mờ để tăng hiệu suất thu năng lượng mặt trời. Thời gian nghiên cứu 6-9 tháng, do nhóm nghiên cứu và phát triển phần mềm thực hiện.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực vận hành hệ thống: Tổ chức các khóa đào tạo cho kỹ thuật viên và nhà quản lý về kỹ thuật điều khiển và bảo trì bộ biến đổi công suất không biến áp, đảm bảo vận hành hiệu quả và an toàn. Thời gian triển khai liên tục, do các trung tâm đào tạo và nhà sản xuất phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật điện, điện tử công suất: Luận văn cung cấp kiến thức chuyên sâu về cấu hình nghịch lưu NPC 3 bậc, kỹ thuật điều khiển PWM và giải pháp giảm dòng rò, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển các hệ thống điện mặt trời.

2. Các kỹ sư thiết kế và phát triển thiết bị biến đổi công suất: Thông tin về lựa chọn linh kiện, mô hình điều khiển và kỹ thuật điều chế giúp cải tiến sản phẩm, nâng cao hiệu suất và độ bền thiết bị.

3. Doanh nghiệp sản xuất và lắp đặt hệ thống điện mặt trời nối lưới: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật trong luận văn để tối ưu hóa hiệu suất hệ thống, giảm thiểu sự cố do dòng rò và nâng cao chất lượng điện năng cung cấp.

4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách năng lượng tái tạo: Cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật, quy định an toàn và khuyến khích ứng dụng công nghệ biến đổi công suất hiệu quả trong ngành năng lượng mặt trời.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần hạn chế dòng điện rò trong hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp?
   Dòng điện rò gây ra bởi điện áp common-mode có thể làm biến dạng sóng hài, gây nhiễu điện từ và nguy cơ điện giật cho thiết bị và người sử dụng. Hạn chế dòng rò giúp nâng cao an toàn và chất lượng điện năng.

2. Phương pháp điều chế POD-SPWM có ưu điểm gì so với SIN-PWM?
   POD-SPWM giảm đáng kể điện áp common-mode và dòng rò nhờ thay đổi trình tự đóng cắt các khóa công suất, từ đó giảm tổn thất và nhiễu điện từ, cải thiện hiệu suất hệ thống.

3. Thuật toán MPPT P&O hoạt động như thế nào?
   Thuật toán P&O liên tục điều chỉnh điện áp đầu ra của tấm pin bằng cách tăng hoặc giảm một bước nhỏ và quan sát sự thay đổi công suất để tìm điểm công suất cực đại, giúp hệ thống hoạt động hiệu quả trong điều kiện biến động bức xạ.

4. Làm thế nào để đồng bộ nghịch lưu với lưới điện?
   Sử dụng vòng khóa pha (PLL) để xác định góc pha và tần số điện áp lưới, từ đó điều khiển nghịch lưu hoạt động đồng bộ, đảm bảo công suất truyền tải ổn định và không gây méo dạng điện áp.

5. Tại sao chọn cấu hình nghịch lưu NPC 3 bậc cho hệ thống này?
   Nghịch lưu NPC 3 bậc giảm sóng hài và tổn thất chuyển mạch, mỗi khóa công suất chịu điện áp thấp hơn, giúp tăng tuổi thọ linh kiện và cải thiện chất lượng điện áp đầu ra so với nghịch lưu 2 bậc truyền thống.

Kết luận

• Luận văn đã nghiên cứu thành công kỹ thuật điều chế hạn chế dòng điện rò và điện áp common-mode trong bộ biến đổi công suất PV nối lưới 3 pha 3 bậc không biến áp, nâng cao hiệu suất và an toàn hệ thống.
• Thuật toán MPPT P&O và kỹ thuật điều khiển VOC trong hệ tọa độ dq giúp tối đa hóa công suất thu được và duy trì công suất phản kháng gần bằng 0.
• Kỹ thuật điều chế POD-SPWM được chứng minh giảm dòng rò hiệu quả khoảng 40% so với phương pháp truyền thống, đồng thời giảm điện áp common-mode.
• Việc lựa chọn linh kiện và cấu hình mạch phù hợp đóng vai trò quan trọng trong việc giảm tổn thất và dòng rò, góp phần nâng cao độ bền và chất lượng điện năng.
• Các bước tiếp theo bao gồm triển khai thực nghiệm, tối ưu thuật toán điều khiển và đào tạo nhân lực để ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp năng lượng tái tạo tại Việt Nam.

Mời các nhà nghiên cứu và kỹ sư quan tâm tiếp cận và ứng dụng các giải pháp trong luận văn nhằm phát triển các hệ thống điện mặt trời hiệu quả và bền vững hơn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan đề tài Chương 2. Hệ thống điện mặt trời nối lưới nối lưới không biến áp Chương 3. Cấu hình và điều khiển bộ biến đổi công suất 2 giai đoạn nối lưới Chương 4.

Kỹ thuật điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu NPC 3 bậc Chương 5. Điện áp common-mode và dòng điện rò trong bộ biến đổi công suất nối lưới. Lựa chọn linh kiện bộ biến đổi công suất và mô phỏng Plecs Chương 7. Kết luận Tài liệu tham khảo Lý lịch trích ngang 4 CHƯƠNG 2.

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP 2. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI Hệ thống điện mặt trời là hệ thống có sản xuất điện từ ánh sáng mặt trời thông qua các tấm pin quang điện (PV). Tấm PV là tập hợp của nhiều tế bào quang điện - là phần tử bán dẫn dưới dạng như một cảm biến ánh sáng thực hiện biến đổi năng lượng ánh sáng thành năng lượng điện. Cường độ dòng điện, hiệu điện thế hoặc điện trở của tế bào quang điện thay đổi phụ thuộc bởi lượng ánh sáng chiếu lên chúng và nhiệt độ môi trường tức thời.

Dưới đây là mô hình tổng quát của tế bào quang điện: Hình 2. Mô hình tế bào quang điện Dựa theo mô hình được cho ở hình 2.1, liên hệ giữa các đại lượng được viết dưới dạng công thức như sau: q(V  IRs ) V  IRs I  I ph  I s [exp( )  1]  ( 2.1) kTc A Rsh Trong đó: Iph : dòng quang điện Is: dòng bão hòa q = 1.6 x 10-19 C : điện tích nguyên tử k=1.38 x 10-23 J/K: hằng số Boltzmann TC : nhiệt độ làm việc của tế bào quang điện A: hằng số lý tưởng của vật liệu bán dẫn 5 Rsh : điện trở song song (shunt) Rs: điện trở nối tiếp (serial) Từ đó, mối quan hệ giữa điện áp/ dòng điện và điện áp/ công suất của tế bào quang điện được vẽ lại như hình 2. Đặc tính I-V (trái) và P-V (phải) của tế bào quang điện Có thể thấy rằng, mối quan hệ giữa điện áp và dòng điện của tế bào quang điện có dạng phi tuyến và luôn có một điểm làm việc mà ở đó công suất phát của tế bào quang điện là lớn nhất. Vì vậy, để hệ thống làm việc hiệu quả, các bộ biến đổi công suất phải có khả năng điều khiển để hoạt động tại điểm này, công việc này gọi là kỹ thuật bám điểm làm việc tối ưu (MPPT).

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP: Ở hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp, bộ biến đổi công suất được thiết kế để kết nối với lưới điện chính của nhà cung cấp điện mà không sử dụng biến áp trung gian. Thay vì sử dụng biến áp, hệ thống có thể sử dụng mạch lọc để tăng chất lượng điện năng và giảm méo dạng dòng điện đưa vào lưới. Một số ưu điểm của hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp bao gồm: - Hiệu suất cao: vì hệ thống không sử dụng biến áp trung gian, nên hiệu suất chuyển đổi điện năng cao hơn, giúp tiết kiệm chi phí và tăng độ tin cậy của hệ thống. - Dễ dàng lắp đặt và bảo trì: do hệ thống không sử dụng biến áp trung gian, nên nó có cấu trúc đơn giản hơn, giúp dễ dàng lắp đặt và bảo trì.

6 - Tiết kiệm chi phí: Vì không sử dụng biến áp trung gian, nên chi phí đầu tư ban đầu cũng như chi phí vận hành và bảo trì của hệ thống giảm đi đáng kể. DÒNG RÒ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP: Dòng điện rò rỉ của hệ thống điện mặt trời nối lưới sinh ra do có điện dung ký sinh giữa các tấm PV và đất. Khi điện dung ký sinh, tấm PV và lưới điện tạo thành một vòng kín, điện áp common-mode (CMV) sẽ tạo ra dòng điện rò. Dòng điện rò trong hệ thống điện mặt trời nối lưới không biến áp Khi hệ thống được trang bị máy biến áp tần số cao, do điện dung ký sinh tương đối cao giữa các cuộn dây máy biến áp trong vòng kín, dòng điện rò được tạo ra bởi CMV có thể bị triệt tiêu ở một mức độ nhất định.

Tuy nhiên, trong hệ thống điện mặt trời không có máy biến áp, trở kháng vòng lặp tương đối thấp và CMV sẽ tạo ra dòng rò lớn trên điện dung ký sinh giữa các tấm PV và đất. Nếu dòng điện rò trong hệ thống điện mặt trời, bao gồm cả phần DC và phần AC, được kết nối với lưới điện, nó có thể gây ra các sự cố như biến dạng dòng điện kết nối lưới và nhiễu điện từ; ảnh hưởng đến hoạt động của thiết bị điện trong hệ thống. Ngoài ra, dòng điện rò cũng có thể gây nhiễm điện cho vỏ của bộ biến đổi công suất năng lượng mặt trời, do đó đe dọa đến an toàn vật lý. 7 Các tiêu chuẩn nối lưới VDE-AR-N 4105 và VDE 0126-1-1 quy định trị hiệu dụng của bộ biến đổi công suất nối lưới không được vươt quá 300mA.

Đặc điểm của dòng rò là có thành phần phức tạp (cả DC và AC) và có giá trị hiệu dụng thấp. Vì thế, trong thực tế cảm biến đo lường cũng là loại đặt biệt và có độ chính xác cực cao để phát hiện. CẤU HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 2 GIAI ĐOẠN NỐI LƯỚI. CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI 2 GIAI ĐOẠN NPC NỐI LƯỚI 3.

TỔNG QUAN Bộ biến đổi công suất nhiều giai đoạn là bộ biến đổi có nhiều hơn một giai đoạn xử lý công suất. Trong ứng dụng hệ thống điện mặt trời nối lưới, giai đoạn đầu tiên chịu trách nhiệm biến đổi dòng điện DC, giai đoạn sau sẽ thực hiện nghịch lưu áp lên điện áp hình sin tương tự như điện áp lưới điện để truyền tải công suất. Bộ biến đổi công suất nối nối lưới (đỏ) Bảng 3. dưới đây trình bày sự so sánh của bộ biến đổi công suất nối lưới 2 giai đoạn so với 1 giai đoạn: 9 Bảng 3.

So sánh bộ biến đổi công suất 2 giai đoạn với 1 giai đoạn trong hệ thống điện mặt trời nối lưới: Ưu điểm Nhược điểm - Dễ dàng hơn trong việc lựa - Điện áp đầu vào DC thấp. chọn điện áp DC-Link và kích - Do thiếu cách ly điện, dòng điện thước tụ điện rò ở common mode có thể chạy - Tuổi thọ của tụ điện DC-Link qua các tụ điện ký sinh giữa hệ cao do yêu cầu điện dung thấp thống PV và mặt đất. - Do có nhiều biến hơn nên có thể - Dòng điện rò làm tăng tổn thất hệ dễ dàng phát triển các giải thuật thống, gây sóng hài và tăng rủi ro điều khiển an toàn điện Bên cạnh đó, ngoài nghịch lưu 2 bậc, các bộ biến đổi công suất hiện nay còn sử dụng bộ biến đổi công suất các ứng dụng đa bậc (nhiều hơn 2 bậc) vì những ưu điểm khác nhau của chúng trong các ứng dụng công nghiệp và nối lưới như chúng có khả năng cung cấp một điện áp lớn hơn và ít sóng hài hơn so với các biến tần 2 bậc thông thường. Các cấu hình bộ biến đổi đa bậc được sử dụng và triển khai rộng rãi nhất hiện tại là các dạng: Fly Capacitor (FC), Neutral Point Clamped (NPC), Cascaded H-bridge(CH).

So sánh về các cấu hình này được thể hiện ở bảng 3. So sánh các cấu hình bộ nghịch lưu DC-AC nối lưới đa bậc Cấu hình Ưu điểm Nhược điểm NPC - Chia sẻ tổn thất không cân bằng - Mạch cân bằng điện áp phức giữa các khóa và cân bằng điện tạp. Số lượng bậc tăng lên thì áp được giải quyết bằng cách số lượng Diode kẹp cũng sử dụng diode kẹp trung tính tăng lên. - Giảm số lượng của tụ nguồn.

- Các khóa vòng trong và vòng Có thể sạc trước cho tụ ngoài có tổn thất công suất không đều nhau 10 FC - Giảm số lượng nguồn DC - Mạch cân bằng điện áp phức - Có thể điều khiển được hướng tạp đi của dòng công suất tác dụng - Số lượng bậc tăng lên thì số và phản kháng. lượng tụ nguồn cũng tăng - Điện áp tụ có thể được cân bằng lên. bằng cách sử dụng dự phòng - Trong truyền tải công suất pha thực tế sẽ có nhiều tổn thất và tần số chuyển mạch cao. CH - Dễ dàng mở rộng lên nhiều bậc - Để tăng điện áp ra cần nhiều cao hơn do tính mô đun nguồn DC.

- Do sử dụng nguồn DC riêng - Chuyển mạch phải chịu được nên giảm nguy cơ bị điện giật điện áp khóa bằng giá trị của - Có thể sử dụng cấu hình nguồn điện áp đầu vào. bất đối xứng. - Yêu cầu số lượng mạch điều khiển cổng lớn hơn. Trong luận văn này, cấu hình 2 giai đoạn với nghịch lưu 3 bậc NPC sẽ được đề xuất để phân tích.

Chi tiết các thành phần chính trong bộ biến đổi công suất này sẽ bao gồm (hình 3.2): - Bộ biến đổi công suất tăng áp (mạch Booster) cho giai đoạn DC-DC - Bộ biến đổi công suất nghịch lưu NPC 3 pha 3 bậc cho giai đoạn DC- AC - Cuộn kháng L để giảm nhấp nhô dòng điện đưa vào lưới. Bộ biến đổi công suất nối lưới 3 pha 2 giai đoạn với mạch nghịch lưu dạng NPC 3 bậc 3. BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC Như đã đề cập, công suất và điện áp của hệ thống PV luôn biến đổi do sự thay đổi tức thời của nhiệt độ và bức xạ. Vì vậy, trong các ứng dụng nối lưới, các bộ biến đổi công suất thường được thiết kế để điện áp đầu vào của mạch điều khiển DC-DC thấp hơn so với đầu ra và mạch tăng áp (hình 3.

Đây là giải pháp hiệu quả để tạo ra điện áp cao và ổn định tại điểm liên kết DC trước khi được vào giai đoạn nghịch lưu áp. Cấu hình mạch tăng áp DC-DC Mạch tăng áp DC-DC bao gồm một cuộn dây (Ldc), một khóa công suất, một Diode và một tụ để giảm nhấp nhô điện áp ra. Khi khóa công suất đóng (ON), năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây và khi khóa công suất mở (OFF), năng lượng được chuyển đến tải thông qua Diode. Quá trình này được lặp lại nhiều lần để tăng áp đầu ra lên đến mức độ mong muốn.

12 Mạch tăng áp có khả năng điều chỉnh điện áp đầu ra lớn hơn điện áp đầu vào (Vout>Vin). Mối quan hệ giữa điện áp đầu vào và đầu ra được cho như sau: Vin Vout  (3.1) 1 D Trong đó: Vout : điện áp đầu ra (V) Vin: điện áp đầu vào (V) D: độ rộng xung điều khiển (tỉ số điều chế) 3.