Giải pháp nâng cao chất lượng bộ điều khiển vòng kín sử dụng trong biến tần nối lưới của hệ thống điện mặt trời

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

HOÀNG TRUNG VỆ

GIẢI PHÁP NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG

BỘ ĐIỀU KHIỂN VÒNG KÍN SỬ DỤNG

TRONG BIẾN TẦN NỐI LƯỚI CỦA

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN

Mã chuyên ngành: 60520202

LUẬN VĂN THẠC SĨ

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH, NĂM 2021

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Công nghiệp TP. Hồ Chí Minh.

Người hướng dẫn khoa học: TS. Nguyễn Trung Nhân

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn thạc sĩ Trường Đại

học Công nghiệp thành phố Hồ Chí Minh ngày 15 tháng 8 năm 2021.

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:

1. PGS. TS. Châu Minh Thuyên - Chủ tịch Hội đồng

2. PGS. TS. Trương Đình Nhơn - Phản biện 1

3. TS. Nguyễn Nhật Nam - Phản biện 2

4. TS. Lê Văn Đại - Ủy viên

5. TS. Dương Thanh Long - Thư ký

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Hoàng Trung Vệ MSHV: 17112361

Ngày, tháng, năm sinh: 04/8/1984 Nơi sinh: Tỉnh Bà Rịa - Vũng Tàu

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã chuyên ngành: 60520202

I. TÊN ĐỀ TÀI:

Giải pháp nâng cao chất lượng bộ điều khiển vòng kín sử dụng trong biến tần nối lưới

của hệ thống điện mặt trời.

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

 Tìm hiểu tổng quan về hệ thống điện mặt trời

 Tìm hiểu về cấu trúc của biến tần nối lưới và hệ thống điều khiển vòng kín trong

biến tần nối lưới của hệ thống điện mặt trời

 Khảo sát sự ảnh hưởng của các tham số cấu trúc đến chất lượng của bộ điều khiển

vòng kín

 Tìm hiểu một số giải pháp nâng cao chất lượng bộ điều khiển vòng kín và đề xuất

giải pháp nâng cao chất lượng cho bộ điều khiển biến tần nối lưới có tính đến sự

thay đổi của các thông số cấu trúc hệ thống

 Xây dựng mô hình trên phần mềm Matlab và mô phỏng kết quả để kiểm chứng.

II. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 02/12/2019.

III. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 27/4/2021.

IV. NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. Nguyễn Trung Nhân

TP. Hồ Chí Minh, ngày tháng năm 2021

NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA CÔNG NGHỆ ĐIỆN

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

i

LỜI CẢM ƠN

Để có thể hoàn thành đề tài luận văn thạc sĩ, bên cạnh sự nỗ lực, cố gắng của bản thân

còn có sự hướng dẫn nhiệt tình của quý Thầy Cô, cũng như sự động viên ủng hộ của

gia đình, bạn bè và đồng nghiệp trong suốt thời gian học tập nghiên cứu và thực hiện

luận văn thạc sĩ. Tôi luôn biết ơn những sự đóng góp giúp đỡ, sự ủng hộ nhiệt tình

của những người bên cạnh mình, nhân đây tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc nhất tới họ.

Lời cảm ơn trân trọng đầu tiên tôi xin chân thành cảm ơn Thầy TS. Nguyễn Trung

Nhân, người đã hết lòng giúp đỡ, hướng dẫn để tôi hoàn thành luận văn này.

Tôi xin trân trọng cảm ơn Ban Giám hiệu, các Khoa Phòng trường Đại học Công

nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh đã tạo các điều kiện cho chúng tôi được học tập và

làm khóa luận một cách thuận lợi.

Lời cảm ơn sâu sắc xin được gửi tới quý Thầy Cô giáo đã tận tình truyền đạt những

kiến thức quý báu để mở ra cho chúng tôi những chân trời tri thức mới, hướng dẫn

chúng tôi cách khám phá và tiếp cận những công nghệ mới.

Cuối cùng, tôi xin chân thành cảm ơn đến gia đình, bạn bè và đồng nghiệp đã quan

tâm, hỗ trợ cho tôi rất nhiều trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu và thực hiện đề

tài luận văn thạc sĩ một cách hoàn chỉnh./.

TP. HCM, ngày tháng năm 2021

Học viên thực hiện

Hoàng Trung Vệ

ii

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Trong hệ thống điện mặt trời, biến tần nối lưới đóng vai trò rất quan trọng, nó không

chỉ thực hiện nhiệm vụ biến đổi nguồn điện DC sang AC mà còn là nơi thực hiện các

chức năng điều khiển dòng, áp, công suất, kiểm soát sóng hài, … Chất lượng hoạt

động của biến tần sử dụng trong hệ thống điện mặt trời phụ thuộc vào chất lượng bộ

điều khiển và nó quyết định chất lượng nguồn điện phát ra từ hệ thống điện mặt trời.

Đối với biến tần dùng cho hệ thống điện mặt trời nối lưới thì hệ thống điều khiển

vòng kín mang lại hiệu quả cao nên chúng thường được sử dụng trong thực tế. Một

đặc điểm quan trọng của hệ thống điều khiển vòng kín là chất lượng điều khiển phụ

thuộc vào tham số cấu trúc của hệ thống điều khiển (các thành phần điện trở, điện

cảm và điện dung của các linh kiện, thiết bị phụ trợ chế tạo hệ thống điều khiển). Tuy

nhiên, giá trị của các tham số cấu trúc này không phải là giá trị cố định trong suốt quá

trình vận hành do ảnh hưởng của nhiều yếu tố khác nhau. Trong khi đó, thông thường

việc tính toán thiết kế các thông số điều khiển của bộ điều khiển luôn dựa trên các giá

trị cố định (hoặc chọn lựa các giá trị cố định) của các linh kiện và thiết bị phụ trợ.

Quá trình tính toán thiết kế các bộ điều khiển dùng trong biến tần của hệ thống điện

mặt trời được thực hiện thông qua việc tính toán các hệ số điều khiển Kp, Ki. Các hệ

số điều khiển này sẽ là hàm của các tham số cấu trúc hệ thống. Do đó khi các tham

số cấu trúc thay đổi so với giá trị ban đầu dùng để xác định các hệ số điều khiển thì

chất lượng của bộ điều khiển sẽ không đạt theo yêu cầu và thậm chí hệ thống có nguy

cơ mất ổn định và phải dừng hoạt động.

Từ đó, luận văn đã nghiên cứu và đề xuất giải pháp thiết kế các thông số bộ điều

khiển cho biến tần nối lưới dùng cho điện mặt trời mà nó có thể vận hành tốt trong

điều kiện tham số cấu trúc hệ thống thay đổi.

Giải pháp đề xuất này sẽ đảm bảo sự ổn định và tăng tính mạnh mẽ của bộ điều khiển

biến tần nối lưới sử dụng bộ lọc LCL ba pha nhằm gia tăng hiệu suất hệ thống, bất kể

có sự thay đổi nào của các tham số hệ thống. Giải pháp đề xuất cũng đã được kiểm

tra bằng mô phỏng trên phần mềm MATLAB.

iii

ABSTRACT

In the solar power system, the grid-connected inverter plays a very important role, it

not only performs the task of converting DC power to AC power, but also is the place

to perform the control functions of current, voltage, power, harmonic control, ... The

quality of the inverter's operation used in the solar power system depends on the

quality of the controller and it determines the quality of the power generated from the

solar power system.

For inverters used for grid-connected solar power systems, the closed-loop control

system is highly efficient, so they are often used in practice. An important feature of

a closed-loop control system is that the quality of the control depends on the structural

parameters of the control system (resistive, inductive and capacitive components of

the auxiliary components and equipment control system fabrication). However, the

values of these structural parameters are not fixed during the operation due to the

influence of many different factors. Meanwhile, the design calculation of the

controller parameters is normally based on fixed values (or selection of fixed values)

of accessories and auxiliary equipment. The design calculation process of the

controller used in the inverter of the solar power system is done through the

calculation of control coefficients Kp, Ki. These control coefficients will be a function

of the system structural parameters. Therefore, the structural parameters change from

the initial values used to determine the control coefficients, the quality of the

controller will be unsatisfactory and even the system is at risk of instability and must

stop working.

Since then, the thesis has researched and proposed a design solution for the controller

parameters for the grid-connected inverter for solar power that can operate well under

changing system structural parameters.

This proposed solution will ensure stability and robustness. The grid-connected

inverter controller uses a three-phase LCL filter to increase system efficiency,

regardless of any variation in parameters system number. The proposed solution has

also been tested by simulation on MATLAB software.

iv

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan kết quả đạt được trong luận văn là sản phẩm của riêng cá

nhân, là kết quả của quá trình học tập và nghiên cứu khoa học độc lập. Trong toàn bộ

nội dung của luận văn, những nội dung được trình bày hoặc là của cá nhân hoặc là

được tổng hợp từ nhiều nguồn tài liệu. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có xuất xứ

rõ ràng và được trích dẫn hợp pháp. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung

thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ luận văn nào khác.

Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm và chịu mọi hình thức kỷ luật theo quy định cho

lời cam đoan của mình./.

Học viên

Hoàng Trung Vệ

v

MỤC LỤC

MỤC LỤC...................................................................................................................v

DANH MỤC HÌNH ẢNH ....................................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... ix

DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT......................................................................................x

MỞ ĐẦU.....................................................................................................................1

1. Đặt vấn đề...........................................................................................................1

2. Mục tiêu nghiên cứu...........................................................................................2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................3

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.........................................................3

5. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài................................................................................4

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI ............................5

1.1 Thực trạng các nguồn năng lượng trên thế giới .................................................5

1.2 Thực trạng các nguồn năng lượng tại Việt Nam ..............................................12

1.3 Hiện trạng về phát triển năng lượng mặt trời ...................................................18

1.4 Xu hướng sử dụng và phát triển năng lượng mặt trời ......................................25

1.5 Kết luận ............................................................................................................28

CHƯƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CHO BIẾN TẦN NỐI LƯỚI................30

2.1 Vai trò của hệ thống điều khiển biến tần nối lưới ............................................30

2.2 Sơ đồ tổng quát hệ thống điều khiển biến tần ..................................................31

2.3 Khối điều khiển công suất cực đại MPPT........................................................32

2.4 Khối vòng khóa pha PLL .................................................................................34

2.5 Khối chuyển đổi DC/DC..................................................................................35

2.6 Khối chuyển đổi DC/AC..................................................................................36

2.7 Khối điều khiển công suất P-Q.........................................................................37

2.7.1 Điều khiển công suất bằng phương pháp điều khiển điện áp...........................38

2.7.2 Điều khiển công suất bằng phương pháp điều khiển dòng điện ......................38

2.7.3 Điều khiển công suất dựa trên điều khiển từ thông ảo.....................................42

2.7.4 Điều khiển công suất trực tiếp..........................................................................42

2.8 Kết luận ............................................................................................................44