Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới sử dụng nguồn pin mặt trời

Lê Kim Anh Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới... 
 90 
NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN NỐI LƢỚI SỬ DỤNG 
NGUỒN PIN MẶT TRỜI 
Lê Kim Anh 
Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 
TÓM TẮT 
Nghiên cứu sử dụng và khai thác hiệu quả nguồn pin mặt trời để phát điện có ý nghĩa 
thiết thực đến việc giảm biến đổi khí hậu và giảm sự phụ thuộc vào các nguồn nhiên liệu 
hóa thạch có nguy cơ cạn kiệt, gây ô nhiễm môi trường. Nối lưới nguồn pin mặt trời sử 
dụng các bộ biến đổi điện tử công suất có những ưu điểm như: hệ thống nối lưới chủ động 
được nguồn vào, khả năng truyền năng lượng theo cả 2 hướng. Kết hợp với mạch lọc sẽ 
giảm sóng hài qua lưới và loại trừ các sóng hài bậc cao, điều này có ý nghĩa lớn đến việc 
cải thiện chất lượng điện năng. Bài báo đã đưa ra được kết quả mô phỏng điều khiển nối 
lưới cho nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm duy trì công 
suất phát tối đa của hệ thống bất chấp tải nối với hệ thống. 
Từ khóa: Các bộ biến đổi điện tử công suất, điều khiển nối lưới, pin mặt trời. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ 
Ngày nay, cùng với sự phát mạnh mẽ của thế giới, nhu cầu sử dụng năng lượng của con 
người ngày càng tăng. Nguồn năng lượng tái tạo nói chung, nguồn pin mặt trời nói riêng là 
dạng nguồn năng lượng sạch, không gây ô nhiễm môi trường, đồng thời tiềm năng về trữ 
lượng ở nước ta rất lớn. 
Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng pin mặt trời sao cho hiệu quả, giảm 
phát thải các chất gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt là khí (CO2) đang là mục tiêu nghiên 
cứu của nhiều quốc gia. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC tạo ra điện áp một chiều (DC) 
được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay đổi. Bộ nghịch lưu (DC/AC) phía lưới nhằm 
giữ ổn định điện áp mạch một chiều, đồng thời đưa ra điện áp (AC) nối lưới. 
Các bộ biến đổi điện tử công suất giữ vai trò rất quan trọng trong các hệ thống điều 
khiển năng lượng tái tạo (Renewable Energy sources - RES). Hệ thống điều khiển nối lưới 
cho nguồn pin mặt trời sử dụng các bộ biến đổi điện tử công suất, nhằm hướng đến phát 
triển lưới điện thông minh và điều khiển linh hoạt các nguồn năng lượng tái tạo. 
2. CÁC BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT 
Hệ thống điều khiển nối lưới các nguồn điện phân tán (Distributed Energy Resources – 
DER) nói chung và nguồn pin mặt trời nói riêng. Theo [1], hệ thống điều khiển nguồn pin 
mặt trời bao gồm các thành phần cơ bản, như hình 1. Các bộ biến đổi điện tử công suất thực 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 
 91 
hiện nhiệm vụ như sau: Pin mặt trời cho ra điện áp một chiều (DC). Tất cả các điện áp một 
chiều (DC) này qua bộ nghịch lưu (DC/AC) đưa ra điện áp (AC) nối lưới. 
Hình 1. Sơ đồ điều khiển nguồn pin mặt trời 
 2.1. Bộ biến đổi 2 trạng thái DC/DC 
 Mục đích của bộ biến đổi 2 trạng thái 
DC/DC là tạo ra điện áp một chiều (DC) 
được điều chỉnh để cung cấp cho các tải thay 
đổi. Để ổn định điện áp đầu ra cho bộ biến 
đổi thì đòi hỏi các bộ điều khiển phải hoạt 
động một cách tin cậy, do điện áp ở đầu ra 
của pin mặt trời không đủ lớn để có thể cung 
cấp cho đầu vào của bộ nghịch lưu (DC/AC). 
Do đó ta phải sử dụng bộ biến đổi 2 trạng 
thái DC/DC để nâng điện áp đầu ra đạt yêu 
cầu. Theo [2], bộ biến đổi 2 trạng thái 
DC/DC (Buck – Boots Converter) như hình 
2, với giản đồ xung đóng ngắt như hình 3. 
 2.1.1. Khi Switch ở trạng thái đóng 
 Ta xét trong khoảng thời gian t = 0 đến t 
= DT, điện áp trên cuộn dây L là Ui. Khi đó 
công suất trên cuộn dây L được tính như sau: 
dtIU
T
dtIU
T
P
DT
Li
DT
Liin 
00
11
(1) 
 Với điều kiện dòng qua cuộn dây L là hằng số, công suất qua cuộn dây L được viết lại 
như sau: 
DIUdtIU
T
P Li
DT
Liin 
0
1 (2) 
 2.1.2. Khi Switch ở trạng thái ngắt 
 Ta thấy năng lượng trên cuộn dây L bắt đầu xả ra, Diode bắt đầu dẫn điện áp trên cuộn 
dây L cung cấp cho tải U0. Khi đó ta có công suất trên tải: 
Tải 
U_in 
Hình 2. Sơ đồ bộ biến đổi DC/DC 
Hình 3. Xung đóng ngắt của bộ biến đổi DC/DC 
Đóng 
Ngắt 
Ngắt 
Đóng 
(a) D = 0.5 (b) D 0.5 
Lê Kim Anh Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới... 
 92 
Hình 5. Giản đồ xung đóng ngắt 
bộ nghịch lưu 
dtIU
T
dtIU
T
P
T
DT
L
T
DT
LLout 0
11
 (3) 
 Với điều kiện lý tưởng thì U0 và IL là hằng số lúc đó công suất đầu ra được viết lại như 
sau: 
)1()(
1
00 DIUDTTIU
T
P LLout (4) 
 Từ phương trình (2) và (4) ta viết lại như sau: 
D
D
U
U
i 1
0 (5) 
 Điện áp sau khi qua bộ biến đổi công suất sẽ tăng lên, nhờ bộ điều khiển xung kích ta 
có thể điều chỉnh điện áp ra mong muốn bằng việc điều chỉnh D. 
 2.2. Bộ nghịch lƣu 
Theo [3], bộ nghịch lưu dùng 
để biến đổi điện áp một chiều thành 
điện áp xoay chiều ba pha có thể 
thay đổi được tần số nhờ việc thay 
đổi qui luật đóng cắt của các van, 
như hình 4. 
Ta giả thiết tải 3 pha đối xứng nên điện áp: 
0321 ttt uuu (6) 
Gọi N là điểm nút của tải 3 pha dạng hình (Y). 
Dựa vào sơ đồ hình 4, điện áp pha của các tải 
được tính như sau: 
NOt
Nt
Nt
uuu
uuu
uuu
303
0202
0101
 (7) 
Hình 4. Sơ đồ bộ nghịch lưu 
S1 S3 S5 
S4 S6 S2 
Ud/2 
Ud/2 
Ud 
U10 U20 
U30 
L1 L2 L3 
R1 R2 R3 
Ut1 Ut2 
0 
N 
Ut3 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 
 93 
Với 
3
302010
0
uuu
uN
 (8) 
 Thay biểu thức (8) vào biểu thức (7) ta có phương trình điện áp ở mỗi pha của tải như 
sau: 
3
2
3
2
3
2
201030
3
103020
2
302010
1
uuu
u
uuu
u
uuu
u
t
t
t
 (9) 
 Điện áp dây trên tải được tính như sau: 
Ot
t
t
uuu
uuu
uuu
13031
302023
201012
 (10) 
 Thành phần điện áp thứ tự không có thể bỏ qua vì giả thiết tải đối xứng, nên điện áp thứ 
tự không sẽ không tạo ra dòng điện. Tuy nhiên nếu trong trường hợp có hai bộ nghịch lưu 
nối song song với các điểm nối trực tiếp ở cả phía xoay chiều và một chiều sẽ gây ra dòng 
điện thứ tự không chạy vòng, vì xuất hiện đường dẫn của nó, khi đó ta không thể bỏ qua 
dòng điện thứ tự không. 
 2.3. Cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lƣu 
 Theo [4], giá trị đầu ra của điện áp qua bộ chỉnh lưu và nghịch lưu, chuyển sang hệ tọa 
độ dq được tính như sau: 
 qddddidpd Lieii
S
K
KV  
 ** (11) 
 dqqq
qi
qpq Lieii
S
K
KV  
 ** (12) 
 Mặt khác theo [5], hàm truyền của 
mạch lọc được tính như sau: 
SLRsu
si
sG f
1
)(
)(
)( (13) 
 Hàm truyền của PWM 
ST
sG
s
d
5.11
1
)(
 (14) 
 Từ các biểu thức (11), (12), (13), (14) cấu trúc điều khiển cho bộ nghịch lưu được mô 
tả, như hình 6. 
PI_u 
PWM 
abc 
/dq 
PI_i 
PI_i 
ia 
ib 
ic 
0 
*
qi 
*
di 
*
dcV 
Vdc ed 
eq 
id 
iq 
*
qV 
*
dV 
Hình 6. Sơ đồ điều khiển cho 2 mạch vòng 
dòng điện 
Lê Kim Anh Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới... 
 94 
3. MÔ HÌNH TOÁN HỌC PIN MẶT TRỜI VÀ PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 
 3.1. Mô hình toán học pin mặt trời 
* Theo quan điểm năng lượng điện tử, 
thì pin mặt trời PV (Photovoltaic cell) có thể 
được coi là như những nguồn dòng biểu diễn 
mối quan hệ phi tuyến I-V như hình 7. 
Hiệu suất của tấm pin mặt trời đạt giá trị 
lớn nhất khi pin mặt trời cung cấp công suất 
cực đại. Theo đặc tính phi tuyến trên hình 14 
thì nó sẽ xảy ra khi P-V là cực đại, tức là P-
V = Pmax tại thời điểm (Imax,Vmax) được gọi 
là điểm cực đại MPP (Maximum Point 
Power). Hệ bám điểm công suất cực đại 
MPPT (Maximum Point Power Tracking) 
được sử dụng để đảm bảo rằng pin mặt trời 
luôn luôn làm việc ở điểm MPP bất chấp tải 
được nối vào pin. 
* Dòng điện đầu ra của pin theo [6] được tính như sau: 
sh
s
c
s
sph
R
IRV
AKT
IRVq
III 1
(
exp (15) 
 Trong đó: q: điện tích electron = 1.6 x10-19 C, k: hằng số Boltzmann’s = 1.38 x10-23J/K, 
Is: là dòng điện bão hòa của pin, Iph: là dòng quang điện, Tc: nhiệt độ làm việc của pin, Rsh : 
điện trở shunt, Rs : điện trở của pin, A: hệ số lý tưởng. Theo biểu thức (15) dòng quang điện 
phụ thuộc vào năng lượng mặt trời và nhiệt độ làm việc của pin, do đó: 
 HTTKII refcIscph .)( (16) 
 Với: Isc: là dòng ngắn mạch ở nhiệt độ 25
o
C, KI: hệ số nhiệt độ của dòng điện ngắn 
mạch, Tref: nhiệt độ của bề mặt pin (nhiệt độ tham chiếu), H: bức xạ của mặt trời kW/m
2
. 
Ở đây giá trị dòng điện bão hòa của pin với nhiệt độ của pin được tính như sau: 
kATT
TTqE
T
T
II
cref
refcG
ref
c
RSs
(
exp)( 3 (17) 
 Trong đó: IRS: là dòng bão hòa ngược ở bề mặt nhiệt độ và bức xạ của mặt trời, EG: 
năng lượng vùng cấp của chất bán dẫn, phụ thuộc vào hệ số lý tưởng và công nghệ làm pin. 
Mặt khác một pin mặt trời có điện áp khoảng 0,6V, do đó muốn có điện áp làm việc cao thì 
ta mắc nối tiếp các pin, muốn có dòng điện lớn thì mắc song song, như hình 8. 
 Vậy dòng điện một modul tấm pin sẽ là: 
Hình 7. Đặc tính làm việc của pin mặt trời 
Điện áp pin (V) 
C
ô
n
g
 s
u
ất
 p
in
 (
W
) 
D
ò
n
g
 đ
iệ
n
 p
in
 (
A
) 
Hình 8. Dòng điện 1 modul tấm pin 
V 
+ 
- 
NpIph 
NsRs/Rsh 
NsRs/Rsh 
Np 
Ns 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 
 95 
sh
s
s
p
c
p
s
s
spphp
R
IR
N
VN
AkT
N
IR
N
V
q
ININI 1exp
(18) 
 Từ các biểu thức (15), (16), (17), (18) đã 
phân tích ở trên, mô hình pin mặt trời được 
xây dựng trên Matlab/Simulink với các ngõ 
vào là dòng điện, nhiệt độ. Ngõ ra là công suất 
và điện áp của pin, như hình 9. 
 3.2. Phƣơng pháp điều khiển bám điểm công suất cực đại 
 Hiện nay có nhiều kỹ thuật để điều khiển pin mặt trời theo phương pháp bám điểm 
công suất cực đại ( Maximum Point Power Tracking, MPPT). Ở mỗi kỹ thuật điều khiển 
đều có những ưu và nhược điểm khác nhau. Hình 10 sơ đồ nguyên lý điều khiển trực tiếp 
theo phương pháp MPPT. 
 Các kỹ thuật này có thể phân thành 2 nhóm chính như sau: kỹ thuật tìm kiếm và kỹ 
thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Ở kỹ thuật tìm kiếm dễ thực hiện nhưng đòi hỏi một số 
bước lớn mới hội tụ được điểm cực đại (Maximum Point Power, MPP) trong khi đó sẽ hội 
tụ rất nhanh điểm MPP với kỹ thuật tìm kiếm dựa trên mô hình. Hình 11, lưu đồ thuật toán 
P&O điều khiển trực tiếp theo phương pháp MPPT. 
Pin mặt 
trời 
DC/DC (+) 
Thuật toán 
MPPT 
Tải 
Hình 10. Sơ đồ nguyên lý điều khiển trực 
tiếp theo phương pháp MPPT 
D = D1, sense Vdc1, Idc1, Vdc2, Idc2 
P1 – P2 = 0 
P1 – P2 >0 
Vdc1–Vdc2 >0 Vdc1–Vdc2 < 0 
Return 
D = D+ΔD D = D+ΔD D = D -ΔD D = D -ΔD 
P1 = Idc1. Vdc1 
Start 
Hình 11. Lưu đồ thuật toán P& O điều khiển 
trực tiếp theo phương pháp MPPT 
Hình 9. Mô hình pin mặt trời(PV) 
Hình 12. Điều khiển nối lưới 
cho nguồn điện mặt trời 
Lê Kim Anh Nghiên cứu hệ thống điều khiển nối lưới... 
 96 
4. XÂY DỰNG MÔ HÌNH TRÊN MATLAB – SIMULINK 
 4.1. Xây dựng mô hình trên Matlab – Simulink 
 Mô hình được xây dựng dựa trên sơ đồ cấu trúc điều khiển nối lưới cho nguồn pin mặt 
trời ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất như đã phân tích ở hình 1, mục 2. Sơ đồ mô 
phỏng trên matlab – simulink như hình 12. 
 4.2. Kết quả mô phỏng trên Matlab – Simulink 
 Nhận xét: qua kết quả mô phỏng ta thấy, ở thời điểm t ≤ 0.02s, hệ thống làm việc không 
tải, tại thời điểm t > 0.02s, hệ thống điều khiển nối lưới bắt đầu phát công suất và công suất 
đạt giá trị lớn nhất tại thời điểm t = 0.08s, lúc này đồng bộ với lưới. Giá trị dòng điện, điện áp 
và công suất đầu ra luôn bằng giá trị đặt, hệ thống làm việc ở trạng thái ổn định. 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
200
400
600
800
1000
1200
Hình 13. Điện áp ra DC bộ biến đổi DC/DC (V) 
Hình 14. Điện áp ra bộ nghịch lưu (V) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-500
0
500
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
10
20
30
40
50
60
Hình 16. Dòng điện và điện áp 
của pin mặt trời 
Điện áp 
xác lập (V) 
Dòng điện 
xác lập (A) Quá độ 
Quá độ 
Hình 17. Công suất pin (W) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
Không tải 
Đóng tải 
nối lưới 
Hình 15. Đặc tính sóng hài của dòng điện 
0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.1
-10
0
100
Selected signal: 5 cycles. FFT window (in red): 1 cycles
Time (s)
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
0
5
10
15
Harmonic order
Fundamental (50Hz) = 40.2 , THD= 4.95%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-400
-200
0
200
400
Hình 18. Điện áp nối lưới Uabc (V) 
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2
-60
-40
-20
0
20
40
Hình 19. Dòng điện nối lưới Iabc (A) 
Tạp chí Khoa học Đại học Thủ Dầu Một Số 5(30)-2016 
 97 
5. KẾT LUẬN 
 Kết quả mô phỏng bài báo đã giải quyết được các vấn đề: nguồn pin mặt trời khi kết 
nối với lưới điện sử dụng giải thuật điều khiển MPPT đã phát huy tối đa công suất phát ra 
của hệ thống, bất chấp tải nối với hệ thống. Hệ thống sử dụng các bộ biến đổi điện tử công 
suất khi tải thay đổi thì giá trị dòng điện, điện áp và sóng hài điều thỏa mãn theo tiêu chuẩn 
IEEE 1547. Việc nghiên cứu hệ thống điều khiển nguồn pin mặt trời thông qua các bộ biến 
đổi điện tử công suất là nhằm hướng đến phát triển lưới điện thông minh và điều khiển nối 
lưới linh hoạt cho các nguồn năng lượng tái tạo. 
RESEARCH GRID CONNECTION CONTROL SYSTEM 
OF SOLAR ENERGY SOURCES 
Le Kim Anh 
ABSTRACT 
The research on using and exploiting effectively solar energy sources to generate 
electricity is meaningful to reduce the climate change. They also reduce dependence of 
power demand on fossil energy sources which are at risk of both being exhausted and 
causing environmental pollution. Using power electronic converters for grid connecting of 
solar energy sources have some advantages such as active input and capability of power 
transferring in both directions. The combination of harmonic filter circuits to filter high 
order harmonics out of injecting to grid will have a significal effect on power quality 
improving. The article gives the result of modulating grid-connected control of an 
integrated solar power system using power electronic converters to maintain maximum 
capacity of the systems with a disregard of connected power loads. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] O.C. Onar, M. Uzunoglu, M.S. Alam (2006), Dynamic modeling, design and simulation of a 
wind/fuel cell/ultra -capacitor-based hybrid power generation system, Journal of Power 
Sources 161, 707 – 722. 
[2] Bengt Johansson (2003), Improved Models for DC-DC Converters, Department of Industrial 
Electrical Engineering and Automation Lund University. 
[3] Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất, Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM. 
[4] Lê Kim Anh (2013), Ứng dụng các bộ biến đổi điện tử công suất trong điều khiển nối lưới các 
nguồn phân tán , Tạp chí Khoa học (Trường Đại học Cần Thơ), số 28. 
[5] Lê Kim Anh, Võ Như Tiến, Đặng Ngọc Huy (2012), Mô hình điều khiển nối lưới cho nguồn 
điện mặt trời, Tạp chí Khoa học và Công nghệ (Đại Học Đà Nẵng), số 11(60). 
 Ngày nhận bài: 7/8/2016 
 Chấp nhận đăng: 29/9/2016 
Liên hệ: Lê Kim Anh 
 Trường Cao đẳng Công nghiệp Tuy Hòa 
 Email: tdhlekimanh@gmail.com