ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

VÕ VĂN TIÊN

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HẠN CHẾ DÒNG
ĐIỆN RỊ VÀ ĐIỆN ÁP COMMON MODE TRONG BỘ BIẾN
ĐỔI CƠNG SUẤT PV NỐI LƯỚI 3 PHA 3 BẬC KHÔNG
BIẾN ÁP

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐIỆN
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 07 năm 2023


Cơng trình được hồn thành tại: Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ

Cán bộ chấm nhận xét 1: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Cán bộ chấm nhận xét 2: PGS.TS. Châu Minh Thuyên

Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 15 tháng 07 năm 2023.
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. PGS.TS. Phan Quốc Dũng

- Chủ tịch hội đồng
2. TS. Phan Chấn Việt
- Thư ký hội đồng
3. PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên
- Cán bộ phản biện 1
4. PGS.TS. Châu Minh Thuyên
- Cán bộ phản biện 2
5. TS. Huỳnh Văn Vạn
- Ủy viên hội đồng
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.
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ


i

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: VÕ VĂN TIÊN .............................................. MSHV: 2070352
Ngày, tháng, năm sinh: 09/07/1991 .......................................... Nơi sinh: Quảng Nam
Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện.................................................. Mã số: 8520201

I. TÊN ĐỀ TÀI:

NGHIÊN CỨU KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ HẠN CHẾ DÒNG DIỆN RÒ VÀ ĐIỆN ÁP
COMMON-MODE TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT PV NỐI LƯỚI 3 PHA 3 BẬC
KHÔNG BIẾN ÁP
MINIMIZE THE LEAKAGE CURRENT AND COMMON MODE VOLTAGE OF 3
PHASE 3 LEVEL INVERTER FOR RANSFORMERLESS THREE-PHASE PV
SYSTEM

II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
1. Tìm hiểu cấu trúc và điều khiển của một bộ biến đổi công suất điện mặt trời nối lưới
khơng biến áp dưới cấu hình mạch nghịch lưu NPC 3 bậc.
2. Tìm hiểu các phương pháp điều rộng xung PWM cho nghịch lưu NPC 3 bậc
3. Tìm hiểu nguyên nhân và các phương pháp hạn chế điện áp và dịng rị commonmode.
4. Tính tốn chọn linh kiện và mô phỏng bộ nghịch lưu nối lưới NPC 3 bậc và mơ hình
phân tích điện áp/dịng rị common-mode bằng phần mềm PLECS.
5. Phân tích kết quả.

III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 06/02/2023
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 09/06/2023
V.

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS.TS. Nguyễn Văn Nhờ

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tp. HCM, ngày 09 tháng 06 năm 2023
CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ



ii

LỜI CÁM ƠN

Để hồn thành bài luận văn này, tơi xin bày tỏ sự cảm kích đặc biệt và lịng biết ơn
sâu sắc đến thầy Nguyễn Văn Nhờ - người đã định hướng, trực tiếp dẫn dắt và cố
vấn cho tôi trong suốt thời gian thực hiện luận văn. Xin chân thành cảm ơn thầy đã
dành thời gian, tạo điều kiện để tôi nghiên cứu, nâng cao kiến thức và tiếp cận
phương pháp nghiên cứu khoa học mới trong lĩnh vực điện tử công suất. Một lời
cảm ơn chân thành nữa xin gởi đến anh Phạm Đăng Khoa – nghiên cứu viên tại PTN
đã đồng hành, hỗ trợ tôi từ những ngày đầu để từng bước hoàn thiện và nâng cao
chất lượng nội dung.
Trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu, tôi cũng nhận được rất nhiều sự sẻ chia,
quan tâm của các bạn học viên cao học, của các anh chị khác trong PTN để có thể
từng bước đi đến đích. Đây cũng là điều tơi cảm thấy rất trân trọng và biết ơn.
Sau cùng và quan trọng nhất đối với tơi đó là vợ tơi, gia đình tơi. Cảm ơn vợ và gia
đình đã ln sát cánh và là điểm tựa để tơi vượt qua chính mình, vượt qua những
thời điểm khó khăn để tơi theo đổi đến cùng mục tiêu của mình.
Xin chân thành cảm ơn!”


iii

TÓM TẮT LUẬN VĂN
Bài luận văn tập trung nghiên cứu 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.
Bộ biến đổi công suất sẽ bao gồm 2 tầng điều khiển DC-DC và DC-AC riêng biệt. Tầng
DC-DC sẽ có cấu hình mạch Boost để điều khiển hệ thống Pin năng lượng mặt trời hoạt
động tại điểm công suất cực đại (MPP); giải thuật điều khiển MPP được chọn sẽ là loại

đơn giản nhất (P&O). Tầng nghịch lưu DC-AC sẽ được cài đặt điều khiển sao cho công
suất tác dụng phát ra là lớn nhất, và công suất phản kháng bằng 0; sơ đồ điều khiển vịng
kín với chiến lược điều khiển trong hệ tọa độ đồng bộ với phương pháp điều khiển

định hướng điện áp (VOC) và cuối cùng là kỹ thuật điều chế thông dụng SINPWM
cũng sẽ được thực hiện ở cấu hình bộ nghịch lưu trên và phân tích cụ thể.
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. Một số phương pháp dùng
để hạn chế thành phần dịng rị này trên cấu hình mạch nghịch lưu như trên cũng sẽ
được đề cập.


iv

ABSTRACT
The thesis focuses on researching the configuration of a grid-connected three-phase
three-level NPC solar inverter without transformer and the problem of limiting leakage
current through the parasitic capacitive component generated by the non-isolated grid
connection.
The converter will include 2 separate stages: DC-DC and DC-AC. The DC-DC stage will
be a Boost configuration to control the photovoltaic system operating at the maximum
power point (MPP); the MPP control algorithm chosen will be the simplest type (P&O).
The DC-AC inverter will be set to control so that the output active power is the maximum,

and the reactive power is zero; closed-loop control scheme with control strategy in
synchronous frame system with voltage-oriented control (VOC) method and finally
the common modulation technique SINPWM will also be implemented in the
mentioned configuration and specified.
The thesis also studies the effect of leakage currents generated by the common-mode
voltage component flowing through the parasitic capacitance of the system. Some

methods used to limit this leakage current component on the above inverter
configuration will also be mentioned.


v

LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là luận văn được nghiên cứu và viết ra bởi bản thân tác
giả. Nội dung bài luận văn bao gồm lời diễn giải bằng chữ viết, hình ảnh, bảng biểu,
và các nội dung liên quan ngoại trừ việc trích dẫn nguồn là của bản thân tác giả và
chưa từng xuất hiện ở bất cứ ấn phẩm nào.
Việc trích dẫn và ghi nguồn tài liệu được thực hiện đúng yêu cầu và được tổng hợp
thành mục “Tài liệu tham khảo”.
Tác giả luận văn
Võ Văn Tiên


vi

MỤC LỤC
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .......................................................................1
1.1.
LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI .........................................................................1
1.2.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI ...............................................................................2
1.3.
BỐ CỤC LUẬN VĂN ...........................................................................3
CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP .......4
2.1.
2.2.

2.3.

HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI .............................................................4
HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHƠNG BIẾN ÁP: .........5
DỊNG RỊ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
KHÔNG BIẾN ÁP: ................................................................................6
CHƯƠNG 3. CẤU HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CƠNG SUẤT 2 GIAI
ĐOẠN NỐI LƯỚI. ..............................................................................8
3.1.
CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI 2 GIAI ĐOẠN NPC NỐI LƯỚI ...............8
3.1.1. TỔNG QUAN ........................................................................................8
3.1.2. BỘ BIẾN ĐỔI DC-DC ........................................................................11
3.1.3. BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC BẰNG NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC .............12
3.1.3.1. CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU ................................................................12
3.1.3.2. TRẠNG THÁI ĐÓNG CẮT ................................................................13
3.1.3.3. SỰ CHUYỂN MẠCH CỦA LINH KIỆN ...........................................14
3.1.3.4. KẾT LUẬN ..........................................................................................16
3.2.
ĐIỀU KHIỂN TRONG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 2 GIAI ĐOẠN
NPC NỐI LƯỚI ...................................................................................17
3.2.1. TỔNG QUAN ......................................................................................17
3.2.2. ĐIỀU KHIỂN TÌM KIẾM ĐIỂM LÀM VIỆC CỰC ĐẠI MPP .........18
3.2.3. ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ HÓA ..........................................................21
3.2.4. ĐIỀU KHIỂN CÔNG SUẤT ...............................................................23
3.2.5. ĐIỀU KHIỂN NGHỊCH LƯU ÁP .......................................................27
CHƯƠNG 4. KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG CHO NGHỊCH LƯU
NPC 3 BẬC .......................................................................................28
4.1.
KỸ THUẬT ĐIỀU CHẾ ĐỘ RỘNG XUNG SIN ...............................28
4.2.

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN ...................30
CHƯƠNG 5. ĐIỆN ÁP COMMON-MODE VÀ DÒNG ĐIỆN RÒ TRONG BỘ
BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI ...............................................39
5.1.
5.1.1.
5.1.2.
5.1.3.
5.2.

ĐIỆN ÁP COMMON-MODE TRONG NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC 39
ĐỊNH NGHĨA ......................................................................................39
GIẢM HOẶC TRIỆT TIÊU ĐIỆN ÁP COMMON-MODE ...............41
KỸ THUẬT GIẢM ĐIỆN ÁP COMMON-MODE BẰNG PHƯƠNG
PHÁP POD TRONG SPWM: ..............................................................43
DÒNG RÒ TRONG HỆ THỐNG NỐI LƯỚI KHÔNG BIẾN ÁP .....44


vii

CHƯƠNG 6. LỰA CHỌN LINH KIỆN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT VÀ MÔ
PHỎNG PLECS ................................................................................47
6.1.
LỰA CHỌN LINH KIỆN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT ...................47
6.1.1. LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MẠCH BOOSTER DC-DC: ............47
6.1.2. LỰA CHỌN LINH KIỆN CHO MẠCH NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC:
49
6.1.3. LỰA CHỌN CUỘN CẢM LỌC ..........................................................50
6.2.
MÔ HÌNH MƠ PHỎNG ......................................................................50
6.2.1. TỔNG QUAN MƠ PHỎNG ................................................................50

6.2.2. MƠ PHỎNG BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT NỐI LƯỚI .....................51
6.2.3. MÔ PHỎNG CMV VÀ DÒNG ĐIỆN RÒ ..........................................64
CHƯƠNG 7. KẾT LUẬN .......................................................................................68
7.1.
KẾT LUẬN ..........................................................................................68
7.2.
HƯỚNG PHÁT TRIỂN .......................................................................68
TÀI LIỆU THAM KHẢO .......................................................................................70
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG .....................................................................................73


viii

DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1. Vị trí bộ biến đổi cơng suất nối lưới khơng biến áp (trên) và có biến áp
(dưới) trong hệ thống điện mặt trời nối lưới...............................................................2
Hình 2.1. Mơ hình tế bào quang điện .........................................................................4
Hình 2.2. Đặc tính I-V (trái) và P-V (phải) của tế bào quang điện ............................5
Hình 2.3. Dịng điện rị trong hệ thống điện mặt trời nối lưới khơng biến áp............6
Hình 3.1. Bộ biến đổi cơng suất nối nối lưới (đỏ) ......................................................8
Hình 3.2. Bộ biến đổi công suất nối lưới 3 pha 2 giai đoạn với mạch nghịch lưu
dạng NPC 3 bậc ........................................................................................................11
Hình 3.3. Cấu hình mạch tăng áp DC-DC ................................................................11
Hình 3.4. Cấu hình bộ nghịch lưu NPC 3 bậc ..........................................................12
Hình 3.5. Tín hiệu cổng của chuyển mạch từ [O] lên [P] ........................................15
Hình 3.6. Q trình chuyển mạch từ [0] lên [P] với dịng điện dương (xanh) ........15
Hình 3.7. Quá trình chuyển mạch từ [0] lên [P] với dịng điện âm (xanh) ..............16
Hình 3.8. Sơ đồ khối điều khiển trong bộ biến đổi công suất 2 giai đoạn................17
Hình 3.9. Đặc tuyến I-V tải và I-V của mảng PV......................................................18
Hình 3.10. Mạch điều khiển vịng kín điều khiển điện áp hệ thống PV ....................19

Hình 3.11. Lưu đồ thuật tốn của phương pháp P&O .............................................20
Hình 3.12. Lưu đồ thuật tốn của phương pháp P&O .............................................20
Hình 3.13. Vịng điều khiển vịng khóa pha (PLL)....................................................22
Hình 3.14. Sơ đồ mạch vịng tuyến tính PLL ............................................................23
Hình 3.15. Hệ tọa độ xoay dq với các thành phần dòng điện id và iq .......................24
Hình 3.16. Trao đổi cơng suất tại tụ DC link ...........................................................25
Hình 3.17. Điều khiển VOC với bộ điểu khiển kiểu tách rời ....................................27
Hình 4.1. Bộ so sánh tạo xung đóng ngắt cho các khóa cơng suất ..........................28
Hình 4.2. Bố trí sóng mang nghịch pha (a) và cùng pha (b) ....................................29
Hình 4.3. Nguyên lý kích mở xung điều khiển của phương pháp sóng mang cùng
pha .............................................................................................................................29
Hình 4.4. Giản đồ vector khơng gian với nghịch lưu 3 bậc ......................................32
Hình 4.5. Phân chia sector trong giản đồ vector khơng gian ...................................33
Hình 4.6. Xác định vị trí của vector tham chiếu trong các tam giác (region) thuộc
sector I .......................................................................................................................34
Hình 4.7. Vector khơng gian và thời gian tồn tại của chúng ....................................35
Hình 5.1. Giản đồ vector không gian cho Vref nằm ở tam giác 2 - Sector 1 .............42
Hình 5.2. Trình tự đóng cắt và CMV ở trường hợp giảm (a) và triệt tiêu (b) CMV
trong tam giác 2 – sector I ........................................................................................43
Hình 5.3. Minh họa các vector đóng cắt và CMV trong nghịch lưu NPC 3 bậc sử
dụng sóng mang ngược pha ......................................................................................44
Hình 5.4. Dòng rò qua tụ ký sinh ở hệ thống nối lưới khơng biến áp ......................45
Hình 5.5. Dịng rị trong BBĐCS nối lưới 2 giai đoạn 3 pha 3 bậc NPC.................45
Hình 5.6. Mạch tương đương khảo sát CMC ............................................................46
Hình 6.1. Cấu hình mạch tăng áp DC-DC( Booster)................................................47
Hình 6.2. Cấu hình mạch nghịch lưu NPC 3 bậc .....................................................49
Hình 6.3. Logo phần mềm Plecs ...............................................................................50


ix


Hình 6.4. Cấu hình bộ biến đổi cơng suất ................................................................52
Hình 6.5. Đặc tính V-P của tấm mảng PV ................................................................53
Hình 6.6. Đặc tính V-I của tấm mảng PV .................................................................53
Hình 6.7. Cơng suất thu được trong điều kiện khác nhau của bức xạ ......................54
Hình 6.8. Đặc tuyến V-P trong điều kiện bức xạ thay đổi ........................................55
Hình 6.9. Dạng sóng của điện áp tại điểm liên kết DC, dịng điện và cơng suất bơm
vào lưới......................................................................................................................56
Hình 6.10. Dạng sóng của điện áp pha phía nghịch lưu ..........................................57
Hình 6.11. Dạng sóng của dịng điện phía nghịch lưu trong hệ tọa độ thường, hệ
tọa độ dq và góc quay điện áp ..................................................................................58
Hình 6.12. Dạng sóng của điện áp tại điểm liên kết DC, dòng điện và công suất
bơm vào lưới ở phương pháp điều chế POD-SPWM ................................................60
Hình 6.13. Dạng sóng của dịng điện phía nghịch lưu trong hệ tọa độ thường, hệ
tọa độ dq và góc quay điện áp ở phương pháp điều chế POD-SPWM .....................61
Hình 6.14. Dạng sóng của điện áp pha phía nghịch lưu bằng phương pháp PODSPWM ........................................................................................................................62
Hình 6.15. Mạch tương đương khảo sát điện áp và dịng rị common-mode ...........64
Hình 6.16. Dạng sóng CMV và dịng rị CMV ở 2 phương pháp điều chế PODPWM và PD-PWM ....................................................................................................65
Hình 6.17. Phân tích tần số CMV và dòng điện rò ở phương pháp điều chề PDSPWM ........................................................................................................................66
Hình 6.18. Phân tích tần số CMV và dòng điện rò ở phương pháp điều chề PODSPWM ........................................................................................................................67


x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1. So sánh bộ biến đổi công suất 2 giai đoạn với 1 giai đoạn trong hệ thống
điện mặt trời nối lưới: .................................................................................................9
Bảng 3.2. So sánh các cấu hình bộ nghịch lưu DC-AC nối lưới đa bậc ....................9
Bảng 3.3. Các trạng thái chuyển mạch của NPC 3 bậc............................................13
Bảng 4.1. Độ lớn và trạng thái đóng ngắt của vector khơng gian............................32

Bảng 4.2. Vị trí sector theo góc θ..............................................................................33
Bảng 4.3. Xác định vị trí tam giác theo m1, m2 ........................................................34
Bảng 4.4. Thời gian tác động của vector Vref trong sector I .....................................36
Bảng 4.5. Thứ tự đóng cắt trong SVPWM ................................................................36
Bảng 4.6. Hệ số các pha theo từng Sector theo công thức (4.14).............................38
Bảng 5.1. CMV theo từng trạng thái đóng cắt ..........................................................40
Bảng 6.1. Thơng số mơ phỏng ...................................................................................51


xi

DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ TỪ VIẾT TẮT
Chữ viết tắt

Ý nghĩa

PV

Photovoltaic /Quang điện

3L2S-TLGCC

3-level 2-stage 3-phase Transformerless Grid-connected converter/
Bộ biến đổi công suất nối lưới không biến áp 3 pha 3 bậc 2 giai
đoạn

PWM

Pulse-width modulation/ Điều chế độ rộng xung


MPP

Maximum power point/ Điểm công suất cực đại

MPPT

Maximum power point tracking/
Kỹ thuật bám điểm công suất cực đại

P&O

Perturb and Observe/ Nhiễu loạn và tìm kiếm

NPC

Neutral Point Clamped/ Diode kẹp điểm trung tính

FC

Fly capacitor/ Tụ bay

CH

Cascaded H-bridge / Ghép tầng cầu H

CMV

Common-mode voltage/ Điện áp common-mode

Ký hiệu


Đơn vị

Ý nghĩa

s

Toán tử Laplace

d

Tỉ số điều chế giai đoạn DC-DC

m

Tỉ số điều chế giai đoạn DC-AC

L

H

Giá trị điện cảm

C

F

Giá trị điện dung



1

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1.

LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI
Sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại cùng với sự tăng trưởng nhanh
chóng của dân số đã làm gia tăng đáng kể nhu cầu năng lượng tồn thế giới
nói chung và các nước đang phát triển như Việt Nam nói riêng. Việc khai thác
và sử dụng các dạng năng lượng hóa thạch như dầu mỏ, khí đốt, than đá, …
khơng những gây ơ nhiễm mơi trường mà cịn có khả năng đem đến các thách
thức cho an ninh năng lượng sau này khi các nguồn tài nguyên này sẽ dần cạn
kiệt. Do đó, chuyển dịch cơ cấu nguồn năng lượng sang năng lượng tái tạo và
các nguồn năng lượng thay thế khác là tất yếu; trong đó, năng lượng mặt trời
được xem là một trong các lựa chọn đáng tin cậy vì là nguồn năng lượng sạch,
được xem như vơ tận và có tính bền vững cao.
Đặc điểm của năng lượng mặt trời là dễ khai thác, công suất lớn nhưng lại
không ổn định do phụ thuộc vào thời điểm trong ngày và điều kiện thời tiết tức
thời. Điều này địi hỏi các bộ biến đổi cơng suất phải có khả năng đáp ứng
được các thay đổi tức thời này nhưng vẫn phải có hiệu suất cao. Bên cạnh đó,
do yêu cầu ngày càng cao về tiêu chuẩn kết nối lưới, các bộ biến đổi cũng cần
phải có khả năng cung cấp điện với chất lượng điện năng đáp ứng được các
tiêu chuẩn kết nối.
Qua sự so sánh về các cấu hình nối lưới, học viên nhận thấy tìm năng to lớn
của hệ thống điện mặt trời nối lưới trực tiếp. So với cấu hình sử dụng biến áp,
cấu hình khơng 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 (Hình 1.1). Do đó, đây sẽ là dạng cấu hình được học viên chọn và nghiên
cứu.



2

Hình 1.1. Vị trí bộ biến đổi cơng suất nối lưới khơng biến áp (trên) và có biến áp
(dưới) trong hệ thống điện mặt trời nối lưới
Thơng qua việc tìm hiểu sẽ giúp học viên có cái nhìn sâu hơn về linh kiện,
điều khiển điện tử công suất; bên cạnh đó đề xuất các giải pháp để xử lý các
vấn đề liên quan.
1.2.

MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Trên cơ sở lý thuyết, mơ phỏng các q trình cơng suất, dịng rị thơng qua
các giải thuật điều khiển nghịch lưu của bộ biến đổi công suất NPC 3-pha 3bậc không biến áp cho hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới bằng phần mềm
Plecs để đạt được hiểu biết ở các mục sau:
-

Điều khiển DC-DC để đạt được công suất thu được tối đa bằng cấu hình
mạch tăng áp và giải thuật MPPT.

-

Điều khiển điện áp tại điểm liên kết DC.

-

Điều khiển đồng bộ hóa dựa theo kỹ thuật vịng khóa pha (PLL).

-

Điều khiển công suất trong hệ tọa độ đồng bộ bằng kỹ thuật điều khiển định

hướng áp (VOC).


3

-

Chọn thông số phần tử thụ động và linh kiện đóng cắt cho bộ biến đổi cơng
suất.

-

Ảnh hưởng của điện áp common- mode (CMV) và dòng điện rò đối với hệ
thống nối lưới.

-

Ảnh hưởng của các phương pháp điều chế khác nhau trong việc giảm ảnh
hưởng của dòng điện rò.

1.3.

BỐ CỤC LUẬN VĂN
Luận văn được thực hiện thành 7 chương như sau:
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 cơng 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.

Chương 6. 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
2.1.

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 mơi trường tức thời.
Dưới đây là mơ hình tổng qt của tế bào quang điện:

Hình 2.1. Mơ hình tế bào quang điện
Dựa theo mơ hình được cho ở hình 2.1, liên hệ giữa các đại lượng được viết
dưới dạng công thức như sau:

I  I ph  I s [exp(

q(V  IRs )
V  IRs
)  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

( 2.1)


5

Rsh : điện trở song song (shunt)
Rs: điện trở nối tiếp (serial)
Từ đó, mối quan hệ giữa điện áp/ dịng điện và điện áp/ công suất của tế bào
quang điện được vẽ lại như hình 2.2.

Hình 2.2. 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 ln có một điểm làm việc mà ở đó cơng suất phát
của tế bào quang điện là lớn nhất. Vì vậy, để hệ thống làm việc hiệu quả, các
bộ biến đổi cơng 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).
2.2.


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 khơng 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 khơng 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 khơng 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 khơng 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.

2.3.

DÒNG RÒ TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI KHƠNG

BIẾN ÁP:
Dịng điện rị 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 vịng kín, điện áp common-mode (CMV) sẽ tạo ra dịng điện rị.

Hình 2.3. Dịng điện rị 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 vịng kín, dịng điện rị được tạo
ra bởi CMV có thể bị triệt tiêu ở một mức độ nhất định. Tuy nhiên, trong hệ
thống điện mặt trời khơng có máy biến áp, trở kháng vịng 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. Ngồi ra, dịng điện rị 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 khơng được vươt q 300mA.
Đặc điểm của dịng rị 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.


8

CHƯƠNG 3. CẤU HÌNH VÀ ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI

CƠNG SUẤT 2 GIAI ĐOẠN NỐI LƯỚI.
3.1.

CẤU HÌNH BỘ BIẾN ĐỔI 2 GIAI ĐOẠN NPC NỐI LƯỚI

3.1.1. TỔNG QUAN
Bộ biến đổi cơng 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 cơng suất.

Hình 3.1. Bộ biến đổi cơng suất nối nối lưới (đỏ)
Bảng 3.1. 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 3.1. 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

-

Dịng điện rị làm tăng tổn thất hệ

dễ dàng phát triển các giải thuật


thống, gây sóng hài và tăng rủi ro

điều khiển

an tồn điện

Bên cạnh đó, ngồi nghịch lưu 2 bậc, các bộ biến đổi công suất hiện nay cịn
sử dụng bộ biến đổi cơng 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 thơng 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 3.2:
Bảng 3.2. So sánh các cấu hình bộ nghịch lưu DC-AC nối lưới đa bậc
Cấu hình
NPC

Ưu điểm

Nhược điểm

- 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 vịng trong và vịng
Có thể sạc trước cho tụ

ngồi có tổn thất cơng suất
khơng đều nhau


10

FC

- Giảm số lượng nguồn DC
- Có thể điều khiển được hướng

- Mạch cân bằng điện áp phức
tạp

đi của dòng công suất tác dụng - Số lượng bậc tăng lên thì số
và phản kháng.
- Điện áp tụ có thể được cân bằng

lượng tụ nguồn cũng tăng
lên.

bằng cách sử dụng dự phịng - Trong truyền tải cơng 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 mơ đun

nguồn DC.

- Do sử dụng nguồn DC riêng - Chuyển mạch phải chịu được
nên giảm nguy cơ bị điện giật
- Có thể sử dụng cấu hình nguồn
bất đối xứng.

điện áp khóa bằng giá trị của
điện áp đầu vào.
- 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 cơng 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 DCAC

-

Cuộn kháng L để giảm nhấp nhơ dịng điện đưa vào lưới.


11

Hình 3.2. Bộ biến đổi cơng suất nối lưới 3 pha 2 giai đoạn với mạch nghịch
lưu dạng NPC 3 bậc
3.1.2. 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 3.3) được đề xuất.
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.

Hình 3.3. Cấu hình mạch tăng áp DC-DC
Mạch tăng áp DC-DC bao gồm một cuộn dây (Ldc), một khóa cơng suất, một
Diode và một tụ để giảm nhấp nhô điện áp ra. Khi khóa cơng suất đóng (ON),
năng lượng được lưu trữ trong cuộn dây và khi khóa cơng suất mở (OFF), năng
lượng được chuyển đến tải thơng qua Diode. Q 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:

Vout 

Vin
1 D

(3.1)

Trong đó:
Vout : điện áp đầu ra (V)
Vin: điện áp đầu vào (V)
D: độ rộng xung điều khiển (tỉ số điều chế)
3.1.3. BỘ BIẾN ĐỔI DC-AC BẰNG NGHỊCH LƯU NPC 3 BẬC
3.1.3.1.

CẤU HÌNH NGHỊCH LƯU

Hình 3.4 cho thấy sơ đồ mạch của nghịch lưu NPC 3 bậc:

Hình 3.4. Cấu hình bộ nghịch lưu NPC 3 bậc
Nhánh A ( khối công suất pha A) được tạo thành từ 4 khóa cơng suất S1 đến S4
với 4 Diode mắc song song ngược. Các Diode này có nhiệm vụ tạo điều kiện
thuận lợi cho q trình trao đổi cơng suất ảo giữa nguồn một chiều và tải xoay
chiều, qua đó hạn chế q điện áp phát sinh khi kích ngắt các khóa cơng suất.