Điện, điện tử - Điều khiển nghịch lưu nối lưới ba pha khi mất cân bằng điện áp

54 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA PHA 
KHI MẤT CÂN BẰNG ĐIỆN ÁP 
CONTROL OF THREE-PHASE GRID-CONNECTED INVERTERS UNDER 
UNBALANCED VOLTAGE FAULTS 
Trần Quang Thọ 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM, Việt Nam 
Ngày toà soạn nhận bài 29/11/2018, ngày phản biện đánh giá 5/12/2018, ngày chấp nhận đăng 24/12/2018 
TÓM TẮT 
Các bộ nghịch lưu nối lưới sử dụng năng lượng tái tạo như gió và mặt trời hiện nay được 
ứng dụng rất phổ biến với công suất ngày càng lớn. Do đó, chúng bị ảnh hưởng đáng kể khi 
nguồn điện lưới xảy ra sự cố như mất cân bằng điện áp. Khi điện áp nguồn lưới mất cân bằng 
làm xuất hiện thành phần thứ tự nghịch. Các bộ điều khiển dòng điện thông thường không 
xem xét các thành phần này nên có thể gây ra việc quá dòng điện của bộ nghịch lưu nối lưới 
và làm cho các linh kiện bán dẫn công suất bị hư hỏng. Bài báo này đề xuất một phương pháp 
điều khiển bộ nghịch lưu nối lưới có kiểm soát dòng điện trong phạm vi định mức trong điều 
kiện điện áp nguồn lưới mất cân bằng. Các kết quả khảo sát trên Matlab/Simulink đã cho thấy 
tính hiệu quả của phương pháp đề xuất so với phương pháp thông thường hiện nay. 
Từ khóa: nghịch lưu nối lưới; điện áp mất cân bằng; giới hạn dòng điện; bù công suất phản 
kháng; điện áp thứ tự nghịch. 
ABSTRACT 
Grid-connected inverters using renewable energies such as wind and photovoltaic 
powers are adopted very popularly with increasing capacity. Therefore, they are significantly 
affected when the unbalanced grid voltages occur. At that time, the negative sequences appear, 
traditional current controllers in grid-connected inverters usually do not consider these 
components. Thus, they can cause over-current of the inverters and make the power 
semiconductor components damage. This paper proposes a method for controlling 
grid-connected inverters with over-current protection under unbalanced grid voltages. The 
simulated results have validated the performance of the proposed method compared with that 
of the traditional one. 
Keywords: grid-connected inverters; unbalanced voltages; current limitation; reactive power 
compensation; negative sequences. 
1. GIỚI THIỆU 
Nhu cầu sử dụng điện từ năng lượng tái 
tạo như điện gió và điện mặt trời ngày càng 
phổ biến do tính bền vững và thân thiện với 
môi trường. Tuy nhiên, nguồn điện năng 
lượng tái tạo này lại có đặc điểm không ổn 
định do phụ thuộc nhiều vào thời tiết. Do đó, 
để có một nguồn điện hiệu quả có chất lượng 
cao, các nguồn năng lượng này cần được nối 
với lưới điện. Khi đó, các bộ nghịch lưu nối 
lưới bán dẫn công suất thường được sử dụng 
[1], [2] để biến đổi các nguồn năng lượng tái 
tạo thành nguồn điện xoay chiều có thông số 
phù hợp để kết nối với lưới điện. 
Trong điều kiện vận hành bình thường, 
các bộ nghịch lưu nối lưới chủ yếu phát công 
suất tác dụng vào lưới điện. Tuy nhiên, các 
bộ nghịch lưu nối lưới còn phải có khả năng 
bù công suất phản kháng để hỗ trợ hệ thống 
điện khi có sự cố sụt áp hay mất cân bằng 
điện áp của nguồn lưới [3], [4] theo tiêu 
chuẩn nối lưới [5]–[7]. Khi có sự cố sụt áp 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
55 
hay mất cân bằng của điện áp lưới sẽ làm 
xuất hiện thành phần thứ tự nghịch [8]–[10]. 
Chính các thành phần này làm suy giảm khả 
năng phát điện của thiết bị. Khi điện áp 
nguồn suy giảm, nếu giữ nguyên công suất 
định mức sẽ làm tăng dòng điện. Chính sự 
tăng dòng điện này gây ra hư hỏng linh kiện 
công suất. Với các phương pháp điều khiển 
thông thường không có khả năng giới hạn 
dòng điện có thể làm cho bộ nghịch lưu bị 
quá dòng điện định mức cho phép. 
Có nhiều kỹ thuật đã được công bố để 
điều khiển nghịch lưu nối lưới trong điều 
kiện mất cân bằng điện áp [11], [12]. Tuy 
nhiên, các phương pháp này chủ yếu quan 
tâm đến cân bằng dòng điện các pha để giảm 
dao động công suất tác dụng phía một chiều 
chứ chưa xem xét đến khả năng bị quá dòng 
điện của bộ biến đổi, đồng thời các phương 
pháp này cũng sử dụng nhiều linh kiện hơn 
nên làm tăng chi phí và điều khiển phức tạp. 
Kỹ thuật điều khiển bão hòa trong [13] 
dựa vào bảng trạng thái công suất để điều 
khiển nghịch lưu, nhưng việc giải quyết vấn 
đề quá độ của thành phần thứ tự không vẫn 
còn quá phức tạp do bản chất dao động của 
công suất thứ tự không [14]. Điều này ảnh 
hưởng đến việc phân bố công suất của cả ba 
pha. Thông thường, việc nối tam giác máy 
biến áp được sử dụng để khóa thành phần 
dòng điện thứ tự không, tuy nhiên, kiểu nối 
dây quấn này có thể dẫn đến quá điện áp khi 
có sự cố 1 pha [15]. Để giải quyết vấn đề này, 
công bố trong [16] đề nghị phương pháp điều 
khiển thông qua phép biến đổi công suất tức 
thời nhằm cải thiện khả năng truyền công 
suất của bộ nghịch lưu nối lưới đồng thời loại 
bỏ các dao động công suất. Tuy nhiên, việc bị 
quá dòng điện của bộ biến đổi vẫn chưa được 
xem xét. Trong khi vấn đề quá dòng điện của 
linh kiện là một trong những nguyên nhân 
quan trọng nhất gây hư hỏng bộ biến đổi. 
Bài báo này đề nghị một phương pháp 
điều khiển để giới hạn dòng điện của nghịch 
lưu nối lưới trong điều kiện mất cân bằng 
điện áp bằng cách sử dụng vòng khóa pha có 
xem xét ảnh hưởng của thành phần điện áp 
thứ tự nghịch. 
2. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 
TRUYỀN THỐNG 
2.1 Dò điện áp lưới sử dụng vòng khóa pha 
Trong các phương pháp thông thường, 
biên độ điện áp lưới được nhận biết thông 
qua các cảm biến điện áp nhờ phép tính của 
vòng khóa pha PLL (phase-locked loop) như 
hình 1. 
Hình 1. Nguyên lý tính điện áp Vmax của PLL 
Trong đó, Vsa, Vsb, Vsc là điện áp của ba 
pha nguồn lưới. Các điện áp V và V được 
biến đổi theo Clark như công thức sau: 
1 1/ 2 1/ 22
3 0 3 / 2 3 / 2
sa
sb
sc
V
V
V
V
V

 (1) 
Biên độ điện áp được xác định như (2): 
2 2
maxV V V  (2) 
Trong điều kiện vận hành bình thường với 
điện áp 3 pha cân bằng thì không có thành 
phần thứ tự nghịch và thứ tự không nên biên 
độ điện áp Vmax xác định đúng trạng thái định 
mức của hệ thống. Tuy nhiên, khi mất cân 
bằng điện áp tại thời điểm 0.3s thì biên độ 
điện áp V và V bị chênh lệch như hình 2. 
Hình 2. Điện áp khi mất cân bằng tại 0.3s 
(pha B và C có biên độ bằng 60% định mức) 
Điều này làm cho các thông số của vòng 
khóa pha ước lượng được như: góc pha , 
biên độ Vmax, tần số f bị dao động như hình 3. 
56 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 3. Thông số ước lượng của PLL thông 
thường 
2.2 Điều khiển công suất 
Trong điều kiện vận hành bình thường, 
công suất tác dụng P luôn được trích xuất cực 
đại từ các nguồn năng lượng tái tạo. Khi có 
sự cố sụt giảm điện áp nhỏ hơn 90% định 
mức thì bộ nghịch lưu nối lưới phải có nhiệm 
vụ ưu tiên phát công suất phản kháng Q để 
hỗ trợ hệ thống điện theo tiêu chuẩn nối lưới 
như (3) và hình 4, với ràng buộc định mức 
công suất như (4) và được thể hiện trên hình 
5. Trong đó, S là công suất định mức của bộ 
biến đổi, V(%) là độ sụt áp, Vmaxn là biên độ 
điện áp định mức và Vmax là biên độ điện áp 
ước lượng được bởi vòng khóa pha PLL. 
max max
max
(%) *100%n
n
V V
V
V
 (3) 
2 2Q S P (4) 
Dòng điện đặt khi đó được tính như sau: 
_
2 2
_
1ref
ref
i V V P
i V V QV V
 
  
 (5) 
0
Q(pu)
 V(pu)
0.2 1
0.8
0.1
Hình 4. Tiêu chuẩn của công suất phản 
kháng nên bơm vào lưới điện khi có sự cố sụt 
giảm điện áp 
0
Q(pu)
P(pu)
1
1
S(pu)
Hình 5. Định mức công suất 
3. PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT 
3.1 Tách thành phần thứ tự nghịch 
Phương pháp đề xuất sử dụng nghịch lưu 
nối lưới 3 pha 3 dây. Do đó, trong hệ thống 3 
pha 3 dây sẽ không có thành phần thứ tự 
không. Tuy nhiên, khi có sự mất cân bằng 
điện áp thì vẫn xuất hiện thành phần vector 
điện áp thứ tự nghịch V- như (6). Điều này 
làm cho biên độ vector điện áp V dao động 
theo hình elip với bán trục lớn V++V- và bán 
trục nhỏ V+-V- trên hình 6. 
V V V
V V V
  
 (6) 
Với V+ và V
-
 là các điện áp thứ tự 
thuận và thứ tự nghịch theo trục thực , V+ 
và V
-
 là các điện áp thứ tự thuận và thứ tự 
nghịch theo trục ảo . 
Việc tách thành phần thứ tự thuận và thứ 
tự nghịch sử dụng bộ lọc phức [17] sẽ giúp cho 
việc xác định lại công suất định mức của bộ 
biến đổi để giảm dòng điện đặt của nghịch lưu. 
a
b
c

V +
V -
V ++V -
V +-V -
V 
Hình 6. Điện áp lưới khi có thành phần thứ 
tự nghịch 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
57 
Thành phần thứ tự thuận và thứ tự 
nghịch được xác định thông qua bộ lọc phức 
như hình 7. Trong đó, c là tần số cắt, 0 là 
tần số góc ước lượng được và n là bậc hài 
cần tách. 
V +  (s)V  (s)
V -  (s)
Hình 7. Bộ lọc tách các thành phần điện áp 
3.2 Xác định công suất định mức 
Trong điều kiện mất cân bằng, biên độ 
điện áp thật sự bị suy giảm nên công suất 
cũng bị suy giảm và nên được xác định lại 
như sau: 
( ) ( )2 2 2 2
max
new
n
V V V V
S S
V
  
 (7) 
Trong đó: Snew là công suất định mức mới khi 
có thành phần thứ tự nghịch. 
2 2 2 2
max
max
(%)
100%
new
n
n
V
V V V V V
V
  
 (8) 
Với Vnew là độ sụt áp có xem xét đến ảnh 
hưởng của thành phần thứ tự nghịch. 
Công suất phản kháng đặt cần được xác 
định lại như (9). 
( )
( )
0 if % 10%
2 if % 10%
new
ref
new new
V
Q
S V
 (9) 
Công suất tác dụng đặt cũng được xác 
định lại như (10). 
2 2
rP ef new refS Q (10) 
Khi đó, dòng điện đặt mới được xác định 
lại như sau: 
_ r r
2 2
_ r r
P1
P
refn ef ef
refn ef ef
Vi Q
i QV V V
 
  
 (11) 
Do định mức của công suất được điều 
chỉnh theo độ sụt áp nên dòng điện cũng 
được điều chỉnh lại để đảm bảo không bị quá 
dòng. 
Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển của 
phương pháp đề xuất cũng được thể hiện trên 
hình 8. 
IGBT
inverter
Cdc
Vdc
abc 
Li
Cf
Ia Ib Ic
SVPWM
Modulation
PR 
controller+
-
Vi
I 
*
+
-
LgVg
PR 
controller
Islanding
Controller
I
*
I I 
I 
calculation
I 
I 
V 
V 
Control
signal
Vsa Vsb Vsc 
S
Pmppt
Vsa
Vsb
Vsc
PLL
V+ 
V- 
V+ 
V- 
V+ V
-
 V
+
 V
-
 
Hình 8. Sơ đồ khối nguyên lý điều khiển 
4. KẾT QUẢ KHẢO SÁT 
4.1 Phương pháp thông thường 
Kết quả khảo sát của phương pháp thông 
thường khi chưa xem xét đến thành phần thứ 
tự nghịch được thể hiện trên hình 9 đến hình 
12. 
Hình 9. Điện áp và dòng điện 3 pha ngõ ra 
nghịch lưu khi không tách thành phần thứ tự 
nghịch 
Hình 10. Công suất phát vào lưới 
58 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
Hình 11. Sóng hài dòng điện 
Hình 12. Dòng điện đặt của phương pháp 
thông thường 
4.2 Phương pháp đề xuất 
Hình 13. Các tham số ước lượng khi tách 
thành phần thứ tự nghịch 
Hình 14. Dòng đặt của phương pháp đề xuất 
Hình 15. Điện áp và dòng điện ngõ ra 
nghịch lưu của phương pháp đề xuất 
Hình 16. Công suất của phương pháp đề xuất 
Hình 17. Sóng hài dòng điện 
4.3 Nhận xét 
Công suất định mức S của bộ nghịch lưu 
được cài đặt trong bài báo này bằng 20kVA 
tương ứng với dòng điện đỉnh định mức mỗi 
pha bằng 41A. 
Khi xảy ra sự cố mất cân bằng điện áp 
tại thời điểm 0.3s, trong phương pháp truyền 
thống, vì xuất hiện thành phần thứ tự nghịch 
nên các đại lượng ước lượng được ở hình 3 
chứa thành phần dao động đáng kể. Điều này 
làm cho việc tính toán dòng điện chuẩn ở 
hình 12 có đỉnh bị vượt quá định mức lên đến 
70A nên sẽ làm hỏng linh kiện của nghịch 
lưu. Thêm vào đó, dòng điện ngõ ra của 
nghịch lưu nối lưới ở hình 9(b) sau thời điểm 
0.3s bị méo dạng đáng kể có THD lên tới 
26.38% ở hình 11, mặc dù có thể phát công 
suất tác dụng ở mức cao như hình 10. Điều 
này thật sự không cần thiết, vì sự cố điện áp 
mất cân bằng thường chỉ diễn ra trong ngắn 
hạn. 
Trong khi đó, kết quả khảo sát của 
phương pháp đề xuất ở hình 13 đến 17 cho 
thấy dòng điện của nghịch lưu nối lưới không 
vượt quá giá trị định mức nên đảm bảo các 
linh kiện bán dẫn công suất không bị hư hỏng. 
Điều này có được là nhờ vào việc tách các 
thành phần điện áp thứ tự thuận và nghịch 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
59 
của phương pháp đề xuất giúp cho các tham 
số ước lượng được của vòng khóa pha ở hình 
13 có độ chính xác cao do không chứa các 
thành phần dao động. Hơn nữa, phương pháp 
tính lại công suất định mức đề xuất đã giảm 
theo biên độ điện áp ước lượng được khi có 
sự cố mất cân bằng. Việc này làm cho dòng 
điện đặt ở hình 14 có độ cân bằng và không 
vượt quá định mức. Vì vậy, dòng điện đỉnh 3 
pha ngõ ra của bộ nghịch lưu ở hình 15(b) 
sau thời điểm 0.3s chỉ xấp xỉ định mức, giúp 
đảm bảo an toàn cho linh kiện bán dẫn công 
suất bền bỉ trong vận hành. 
Ngoài ra, công suất phát vào lưới cũng 
được thể hiện ở hình 16 và THD dòng điện ở 
hình 17 cho thấy độ méo dạng rất thấp ở mức 
4.5% và nhỏ hơn tiêu chuẩn nối lưới qui định 
của quốc tế (thường bằng 5%). 
5. KẾT LUẬN 
Trong vận hành nghịch lưu nối lưới, khi 
có sự cố mất cân bằng điện áp xảy ra, các 
phương pháp điều khiển truyền thống không 
nhận biết sự xuất hiện của thành phần điện áp 
thứ tự nghịch làm cho các tham số ước lượng 
được của vòng khóa pha bị sai lệch do có 
chứa các thành phần dao động. 
Bài báo này đã đề xuất một phương pháp 
xác định công suất định mức của các bộ 
nghịch lưu nối lưới vận hành trong điều kiện 
mất cân bằng điện áp lưới sử dụng kỹ thuật 
tách thành phần thứ tự nghịch bằng bộ lọc hệ 
số phức. Điều này giúp cho dòng điện của 
các linh kiện bán dẫn công suất của nghịch 
lưu không vượt quá giới hạn dòng điện định 
mức để linh kiện không bị hư hỏng. 
Kết quả khảo sát đã khẳng định tính hiệu 
quả của phương pháp đề xuất so với phương 
pháp thông thường hiện nay. 
LỜI CẢM ƠN 
Tác giả xin cảm ơn sự hỗ trợ thiết bị của 
phòng Thí nghiệm năng lượng tái tạo và hệ 
thống điện C201 của trường Đại học Sư 
phạm Kỹ thuật Tp. Hồ Chí Minh - Việt Nam. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Z. Chen, J. M. Guerrero, F. Blaabjerg, and S. Member, “A Review of the State of the Art 
of Power Electronics for Wind Turbines,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 8, 
pp. 1859–1875, 2009. 
[2] R. Teodorescu, M. Liserre, and P. Rodriguez, Grid Converters for Photovoltaic and Wind 
Power Systems. 2011. 
[3] M. L. and P. C. L. R. Teodorescu, F. Blaabjerg, “Proportional-resonant controllers and 
filters for grid-connected voltage-source converters,” in IEE Proc.-Electr. Power Appl, 
2006, vol. 153, no. 5, pp. 750–762. 
[4] G. De Donato, G. Scelba, G. Borocci, F. Giulii Capponi, and G. Scarcella, “Fault-Decoupled 
Instantaneous Frequency and Phase Angle Estimation for Three-Phase Grid-Connected 
Inverters,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 31, no. 4, pp. 2880–2889, 2016. 
[5] IEEE, “IEEE Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic (PV) Systems,” 
IEEE Std 929-2000. 2000. 
[6] IEEE Standard, “IEEE P1547 . 2 TM / D 7 Draft Application Guide for IEEE Std 1547 , 
Standard for Interconnecting Distributed Resources With Electric Power Systems,” no. 
March. 2007. 
[7] IEEE Standard, “IEEE Application Guide for IEEE Std 1547(TM), IEEE Standard for 
Interconnecting Distributed Resources with Electric Power Systems,” IEEE Std 
1547.2-2008, no. April, pp. 1–217, 2009. 
[8] Z. Rymarski, K. Bernacki, and L. Dyga, “A Control for an Unbalanced 3-Phase Load in 
UPS Systems,” Elektron. ir Elektrotechnika, vol. 24, no. 4, 2018. 
[9] P. Rodríguez, R. Teodorescu, I. Candela, A. V. Timbus, M. Liserre, and F. Blaabjerg, 
“New positive-sequence voltage detector for grid synchronization of power converters 
60 
Tạp Chí Khoa Học Giáo Dục Kỹ Thuật Số 51 (01/2019) 
Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh 
under faulty grid conditions,” in PESC Record - IEEE Annual Power Electronics 
Specialists Conference, 2006, pp. 1–7. 
[10] P. Ç. Rodríguez, A. Ç. Luna, M. Ë. Ciobotaru, R. Ë. Teodorescu, and F. Ë. Blaabjerg, 
“Advanced Grid Synchronization System for Power Converters under Unbalanced and 
Distorted Operating Conditions,” in Proc. 32nd Ann. Conf. IEEE Ind. Elect., (IECON), 
2006, no. 2, pp. 5173–5178. 
[11] R. Zeng, L. Xu, L. Yao, and S. J. Finney, “Analysis and control of modular multilevel 
converters under asymmetric arm impedance conditions,” IEEE Trans. Ind. Electron., 
vol. 63, no. 1, pp. 71–81, 2016. 
[12] X. Guo, W. Liu, X. Zhang, X. Sun, Z. Lu, and J. M. Guerrero, “Flexible control strategy 
for grid-connected inverter under unbalanced grid faults without PLL,” IEEE Trans. 
Power Electron., vol. 30, no. 4, pp. 1773–1774, 2015. 
[13] Y. Zhang and C. Qu, “Table-Based Direct Power Control for Three-Phase AC/DC 
Converters under Unbalanced Grid Voltages,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 30, no. 
12, pp. 7090–7099, 2015. 
[14] M. P. Kazmierkowski, “A Review of Power Theory,” IEEE Ind. Electron. Mag., vol. Fall, 
pp. 2007–2007, 2007. 
[15] L. Tang and B. T. Ooi, “Managing zero sequence in voltage source converter,” Conf. Rec. 
Annu. Meet. (IEEE Ind. Appl. Soc., vol. 2, pp. 795–802, 2002. 
[16] A. A. Montanari and A. M. Gole, “Enhanced Instantaneous Power Theory for Control of 
Grid Connected Voltage Sourced Converters under Unbalanced Conditions,” IEEE 
Trans. Power Electron., vol. 32, no. 8, pp. 6652–6660, 2017. 
[17] M. A. Shuvra, S. Member, and U. N. C. Charlotte, “Selective Harmonic Compensation by 
Smart Inverters using Multiple-Complex-Coefficient-Filter ( MCCF ) during Unbalanced 
Fault Condition,” in 2017 North American Power Symposium (NAPS), 2017. 
Tác giả chịu trách nhiệm bài viết: 
TS. Trần Quang Thọ 
Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Tp. HCM. 
Email: thotq@hcmute.edu.vn