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

BÙI QUANG TRỌNG

NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PR
(PROPORTIONAL RESONANT)
CHO NGHỊCH LƯU MỘT PHA NỐI LƯỚI
RESEARCH ON THE PROPORTIONAL – RESONANT
ALGORITHM FOR A SINGLE – PHASE GRID
CONNECTED INVERTER
Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
Mã số: 8520201

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP. HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2021


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Nguyễn Đình Tuyên
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : PGS.TS Phan Quốc Dũng
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)

Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Huỳnh Văn Vạn
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp. HCM
ngày 23 tháng 01 năm 2021.
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 Nguyễn Văn Nhờ

( Chủ tịch hội đồng )

2. PGS.TS Phan Quốc Dũng

( Phản biện 1 )

3. TS. Huỳnh Văn Vạn

( Phản biện 2 )

4. TS. Trần Huỳnh Ngọc

( Ủy viên )

5. TS. Trương Phước Hòa

( Thư ký )

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 (nếu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG


HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

i


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên:Bùi Quang Trọng

MSHV: 1870257

Ngày, tháng, năm sinh: 16 tháng 09 năm 1994.

Nơi sinh: Trần Văn Thời – Cà Mau

Chuyên ngành: Kỹ thuật điện.


Mã số : 8520201

I. TÊN ĐỀ TÀI: Nghiên cứu giải thuật PR ( Proportional Resonant ) cho nghịch
lưu một pha nối lưới .
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:
Nghiên cứu bộ điều khiển cộng hưởng tỉ lệ PR (Proportional – Resonant Controller)
nhằm mục đích giảm độ nhiễu của sóng dịng điện trong quá trình điều khiển của
inverter 1 pha kết nối lưới.
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21.09.2020.
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 03.01.2021.
V.CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: PGS. TS. Nguyễn Đình Tuyên
Tp. HCM, ngày . . . . tháng …. năm 2021.
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(Họ tên và chữ ký)

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

ii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên


LỜI CẢM ƠN
Để hoàn thành được Luận văn này, ngoài sự nỗ lực của bản thân, tơi cịn nhận
được sự giúp đỡ rất quý giá từ các Thầy, Cô và bạn bè đồng nghiệp.
Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và sâu sắc nhất đến Thầy PGS.TS.
Nguyễn Đình Tuyên, người đã tận tình hướng dẫn, chỉ dạy, động viên và cung cấp
nhiều kiến thức quý báu cho tôi trong suốt quá trình làm luận văn cũng như trong quá
trình học tập tại giảng đường.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành đến Quý Thầy, Cô của Khoa Điện –
Điện tử và các Q Thầy, Cơ của Phịng Đào tạo Sau Đại học Trường Đại học Bách
khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh đã tận tình đào tạo, giảng dạy và
tạo mọi điều kiện tốt nhất cho tơi nói riêng và các học viên nói chung trong suốt thời
gian học tập tại Trường.
Tôi cũng xin được tỏ lòng biết ơn đối với tất cả các nhà khoa học là tác giả của
các tài liệu mà tôi đã tham khảo trong Luận văn này.
Bên cạnh đó, tơi cũng trân trọng cảm ơn những người thân yêu trong gia đình
đã ln bên cạnh tơi để động viên, ủng hộ để tơi có được những điều kiện tốt nhất cho
việc học tập, nghiên cứu của mình.

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

iii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
Q trình cơng nghiệp hóa hiện đại hóa đang diễn ra một cách nhanh chống.
Điều đó tạo áp lực nặng nề về nhu cầu sử dụng năng lượng. Nhưng hiện tại các nguồn

năng lượng truyền thống ( nhiệt điện ) không đáp ứng đủ nhu cầu sử dụng nên có bổ
sung thêm các nguồn năng lượng tái tạo như : điện gió, điện mặt trời,… Bên cạnh đó,
để nguồn năng lượng tái tạo này hóa vào lưới đện cần thông qua các bộ chuyển đổi
năng lượng DC/AC, DC/DC,… Nhưng để đảm bảo được chất lượng điện năng thì cần
loại bỏ được các sống hài bậc trước khi kết nối vào lưới điện quốc gia. Trước đây đã
có nhiều phương pháp loại bỏ sóng hài nhưng trong phạm vi luận văn này tìm hiểu
thêm về phương pháp loại bỏ sóng hài bậc cao theo phương pháp bộ điều khiển cộng
hưởng tỉ lệ ( PR - Proportional Resonant ).

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

iv


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

ABSTRACT
The process of industrialization and modernization is happening quickly. That
puts heavy pressure on demand for energy. But at present, traditional energy sources
(thermal power) do not meet the demand, so there are additional sources of renewable
energy such as wind power, solar power, ... Besides, to source energy This
regeneration into the grid needs through the power converters DC / AC, DC / DC, …..
But to ensure the quality of the power, it is necessary to eliminate the harmonic
harmonics before connecting to the grid. nation. Previously, there were many methods
to remove harmonics, but within this thesis, learn more about the method of removing
high harmonic by the method of Proportional Resonant (PR - Proportional Resonant).

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257


v


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

LỜI CAM ĐOAN

Tơi xin cam đoan đây là cơng trình nghiên cứu khoa học của cá nhân tơi, có
tham khảo một số tài liệu và báo chí trong và ngồi nước đã được xuất bản.
Các số liệu và kết quả trong luận văn là trung thực, chưa từng được công bố trong bất
kỳ cơng trình nào khác .

Tác giả

Bùi Quang Trọng

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

vi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

MỤC LỤC
CƠNG TRÌNH................................................................................................................ i

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................. ii
LỜI CẢM ƠN ............................................................................................................... iii
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ .............................................................................. iv
ABSTRACT ................................................................................................................... v
LỜI CAM ĐOAN ......................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................................. ix
MỤC LỤC HÌNH ẢNH ................................................................................................. x
MỞ ĐẦU ........................................................................................................................ 1
1. Tính cần thiết ......................................................................................................... 1
2. Mục tiêu của đề tài: ................................................................................................ 1
3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu: ..................................................................... 2
4. Nội dung của luận văn: ........................................................................................... 2
CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI ................................................... 3
1. Lý do chọn đề tài:................................................................................................... 3
2. Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới. ................................................................... 4
3. Các tiêu chuẩn nối lưới........................................................................................... 5
CHƯƠNG II : MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA DẠNG CẦU H VÀ PHƯƠNG
PHÁP ĐIỀU KHIỂN. .................................................................................................... 7
1.Mạch nghịch lưu áp một pha dạng cầu H.................................................................. 7
2.Tổng quan về kỹ thuật PWM và phân tích kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin trong
điều khiển bộ nghịch lưu áp một pha. .......................................................................... 8

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

vii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên


CHƯƠNG III : GIẢI THUẬT PLL ............................................................................ 13
1. Giới thiệu về giải thuật PLL ................................................................................. 13
2. Giải thuật PLL cơ bản .......................................................................................... 14
3. Kết luận ............................................................................................................... 22
CHƯƠNG IV : THIẾT KẾ BỘ LỌC LCL ................................................................ 24
1. Các vấn đề khi thiết kế bộ lọc LCL....................................................................... 24
2. Quy trình thiết kế bộ lọc LCL .............................................................................. 30
CHƯƠNG V : PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN DÒNG ĐIỆN CỘNG HƯỞNG
PROPORTIONAL RESONANT ( PR ) ..................................................................... 33
1. Những yêu cầu về điều khiển dòng điện ................................................................ 33
2. Giới thiệu bộ điều khiển PR .................................................................................. 34
3. Hàm truyền điều khiển dùng PR controller. .......................................................... 37
4. Bù sóng hài ( Harmonic Compensation ) ............................................................... 40
5. Rời rạc hóa bộ điều khiển PR ................................................................................ 42
CHƯƠNG VI : MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM .................................................. 45
1. Mô phỏng ............................................................................................................. 45
2. Thực nghiệm ......................................................................................................... 59
CHƯƠNG VII : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................... 63
TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 64
LÝ LỊCH TRÍCH NGANG ......................................................................................... 66

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

viii


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT
PR (Proportional Resonant )

Điều khiển cộng hưởng

PI (Proportional Integal )

Điều khiển tích phân thơng thường

PLL ( Phase – Locked Loop )

Vịng khóa pha

DC - ( Distributed Generation )

Nguồn phân tán

PD - ( Phase Detectors)

Xác định pha

LF - ( Loop Filter )

Bộ lọc vòng

PWM- (Pulse Width Modulation)

Điều chế động rộng xung


ZCD – (zero cross detection)

Xác định điểm 0

VP – (vector product)

Điều chế vector

SM – (sinusoidal multipliers)

Bộ nhân sóng sin

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

ix


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

MỤC LỤC HÌNH ẢNH
Hình 1: Cấu trúc bộ nghịch lưu một pha nối lưới ........................................................ 5
Hình 2 : Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu ............................................................... 7
Hình 3: Hai sóng PWM với chu kỳ nhiệm vụ khác nhau. .............................................. 8
Hình 4: Một cách điều chế PWM cơ bản...................................................................... 8
Hình 5: Dạng sóng của phương pháp Unipolar ......................................................... 10
Hình 6: Các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu .......................... 11

Hình 7: FFT của hai phương pháp Unipolar ở tần số đóng cắt 2 KHz ....................... 12

Hình 8: : Sơ đồ nguyên lý của hệ thống điện mặt trời ................................................ 13
Hình 9: Cấu trúc của một bộ PLL đơn giản. .............................................................. 14
Hình 10: Sơ đồ giải thuật của bộ SOGI chuẩn PLL ................................................... 18
Hình 11: Giải thuật SOGI (Second Order Generalized Integrator) để tạo thành phần
trực giao .................................................................................................................... 19
Hình 12 : Sơ đồ giải thuật khối hệ quy chiếu đồng bộ SRF (Synchronous Reference
Frame)....................................................................................................................... 20
Hình 13 :Sơ đồ khối của bộ nghịch lưu một pha có bộ lọc LCL ................................. 24
Hình 14: Bộ lọc LCL một pha tương đương ở sóng hài h . ......................................... 25
Hình 15: Mơ hình bộ lọc LCL thơng thường .............................................................. 29
Hình Hình 16: Biểu đồ Bode của bộ lọc LCL có điện trở giảm chấn (đỏ) và khơng có
điện trở giảm chấn (xanh lam) ................................................................................... 30
Hình 17: Đặc tính tần số của cuộn cảm và bộ lọc LCL .............................................. 33
Hình 18: Biểu đồ bode biên độ và bode pha của PR lý tưởng(trái) và PR không lý
tưởng (phải) với Kp = 1, Ki = 100 và 𝜔𝑐= 0.01 rad/s ............................................... 35
Hình 19: Sự tác động của Kp lên đáp ứng tần số của hệ thống. ................................. 35
Hình 20: Sự tác động của Ki lên đáp ứng tần số của hệ thống. ................................. 36
Hình 21: Sự tác động của 𝜔𝑐 lên đáp ứng tần số của hệ thống. ................................ 36
Hình 22: Sơ đồ điều khiển dòng điện của một inverter với Gc(s) là bộ điều khiển,
Gd(s) là khối trễ của PWM, Gp là hàm truyền cho bộ lọc.. ........................................ 37
Hình 23: Sơ đồ vịng kín điều khiển dịng điện dùng PR control ................................ 38
Hình 24:Bode biên độ và pha của bộ hàm truyền vòng kín dùng PI và PR controller 40
Hình 25: Biểu đồ bode của bộ điều khiển dịng điện với bù sóng hài cho bộ inerter một
pha,(một bộ điều khiển PR tại tần số cơ bản, và các bộ điều khiển cộng hưởng bù sóng
hài bậc 3, 5 ,7, 9, 11 ................................................................................................. 42

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

x



LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Hình 26: Sơ đồ tín hiệu của phương trình sai phân .................................................... 43
Hình 27: : Sơ đồ điều khiển dòng điện và điện áp của một inverter một pha nối lưới . 46
Hình 28: Mơ hình mơ phỏng giải thuật FFSOGI – PLL. ............................................ 47
Hình 29: Mơ phỏng OSG ........................................................................................... 47
Hình 30: Kết quả của khối OSG................................................................................. 47
Hình 31: Thực hiện khối Park Transform .................................................................. 48
Hình32: Kết quả tạo tính hiệu Vd và Vq từ V và V (Park Transform) .................... 49
Hình 33: Kết quả sau khi qua khối VCO .................................................................... 50
Hình 34: Sơ đồ điều khiển dòng điện bằng PR controller .......................................... 51
Hình 35: Đặt thơng số cơ bản cho bộ non-ideal PR controller odd-order .................. 51
Hình 36:Sơ đồ biểu thị vịng điều khiển dòng điện với bộ điều khiển PR controller bù
sóng hài bậc cao ........................................................................................................ 52
Hình 37:Cài đặt thơng số ban đầu cho hàm step ........................................................ 53
Hình 38: Các dạng sóng ngõ ra khi được điều khiển bới PR controller ..................... 53
Hình 39: Điều chỉnh cho dịng điện Ig lệch pha 900 so với điện áp Vg tại 0.2s .......... 54
Hình 40: Kết quả các sóng ngõ ra khi cho Ig lệch pha 900 so với Vg tại 0.2s ............ 54
Hình 41: Điều chỉnh biên độ Ig từ 2 lên 4 tại thời điểm 0.2s ...................................... 55
Hình 42: Kết quả các sóng ngõ ra khi điều chỉnh biên độ Ig từ 2 lên 4 tại thời điểm
0.2s ............................................................................................................................ 56
Hình 43: Kết quả các sóng ngõ ra khi điều chỉnh Ig lệch pha 900 so với Vg và biên
độ Ig từ 2 lên 4 tại thời điểm 0.2s............................................................................... 57
Hình 44: Kết quả sóng hài của dịng điện ngõ ra khi khơng sử dụng PR ................... 58
Hình 45: Kết quả sóng hài của dòng điện ngõ ra khi sử dụng PR .............................. 58
Hình 46: Mơ hình inverter thí nghiệm ....................................................................... 59
Hình 47: Bộ nguồn DC 300W ................................................................................... 60

Hình 48: Máy biến áp 220/20Vrms ........................................................................... 60
Hình 49: Thiết bị đo dạng sóng Tektronix ................................................................. 61
Hình 50: Kết quả kiểm tra giải thuật SOGI PLL với hình sin 50Hz ( màu xanh dương )
và góc  tương ứng ( màu vàng ). .............................................................................. 61
Hình 51: Kết quả điều khiển dòng điện dùng bộ điều khiển cộng hưởng ( PR ) ......... 62

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

xi


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

MỞ ĐẦU
1. Tính cần thiết
Gần đây, do giá dầu cao và mối quan tâm đối với môi trường, năng lượng tái
tạo là một trong những mối quan tâm lớn đối với thế giới. Trong các nguồn năng
lượng tái tạo thì nguồn năng lượng mặt trời được quan tâm phát triển nhiều hơn vì giá
thành rẻ và có tính ứng dụng cao. Xu hướng này dẫn tới sự phát triển các ứng dụng,
mơ hình sản xuất năng lượng nhỏ tại nhà dẫn đến sự phát triển các mơ hình hệ thống
điện phân tán (DG- Distributed Generation ). Hệ thống DG này thường là các thiết bị,
module nhỏ gần gũi với người dùng, bao gồm cả năng lượng mặt trời, hệ thống năng
lượng và pin nhiên liệu. Các hệ thống kết nối nguồn năng lượng tái tạo vào nguồn AC
phải cần nghịch lưu DC-AC một pha hoặc ba pha. Đối với hệ thống điện mặt trời áp
mái công suất nhỏ, bộ nghịch lưu DC/AC một pha là phù hợp với dải công suất từ vài
trăm W đến vài kW. Nhưng vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để tạo ra được một nguồn
điện ổn đinh và chất lượng tốt khi kết nối với lưới điện quốc gia. Điều này càng thúc
đẩy việc nghiên cứu và phát triển các biện pháp tiên tiến để cải thiện ngày càng tốt

chất lượng điện ngõ ra. Và trong luận văn này sẽ đề cập đến phương pháp điều khiển
dòng cho bộ nghịch lưu một pha nối lưới bằng giải thuật PR ( Proportional Resonant ).
2. Mục tiêu của đề tài:


Tìm hiểu hệ thống năng lượng mặt trời và cấu trúc các inverter nối lưới.



Tìm hiểu và phân tích hoạt động của nghịch lưu một pha cầu H.



Phân tích so sánh các phương pháp điều chế độ rộng xung cho nghịch lưu một

pha cầu H (Bipolar – Unipolar ).


Nghiên cứu và phân tích các phương pháp đồng bộ lưới điện: PLL, SOGI PLL.



Nghiên cứu phương pháp PR điều khiển dịng cho bộ nghịch lưu một pha nối



Phân tích và thiết kế mạch nghịch lưu một pha: mạch công suất, mạch cảm

lưới.


biến, mạch điều khiển.
HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

1


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

3. Phạm vi và phương pháp nghiên cứu:


Đề tài nghiên cứu gồm hai phần: mô phỏng và thực nghiệm



Mô phỏng: Sử dụng phần mềm chuyên dụng PSIM 9.1 để mô phỏng bộ nghịch

lưu một pha.


Mô phỏng các giải thuật PLL, PR controller, PI controller …



Thực nghiệm: Xây dựng bộ nghịch lưu một pha bao gồm: mạch điều khiển

(C2000 của Texas Instruments, FPGA Xilinx), mạch cơng suất (module hoặc các khóa
bán dẫn rời), mạch đo lường, mạch lọc, …

4. Nội dung của luận văn:
Nội dung chính của luận văn gồm có 6 chương, khơng bao gồm giới thiệu.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan đề tài
Chương 2: Cấu trúc nghịch lưu một pha nối lưới, các phương pháp PWM.
Chương 3: Các thuật toán đồng bộ hóa nghịch lưu vào lưới điện.
Chương 4: Nghiên cứu các giải thuật điều khiển dịng.
Chương 5: Mơ phỏng và thực nghiệm bộ nghịch lưu một pha nối lưới
Chương 6: Kết luận và đề xuất các hướng nghiên cứu tiếp theo.

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

2


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

CHƯƠNG I : GIỚI THIỆU TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1. Lý do chọn đề tài:
Ngày nay với tình hình dân số và nền cơng nghiệp phát triển không ngừng,
năng lượng càng thể hiện rõ vai trị quan trọng và trở thành yếu tố khơng thể thiếu
trong cuộc sống. Tuy nhiên trong khi nhu cầu sử dụng năng lượng đang ngày càng gia
tăng thì các nguồn năng lượng truyền thống được khai thác sử dụng hàng ngày đang
dần cạn kiệt và trở nên khan hiếm. Một số nguồn năng lượng đang được sử dụng như
nguồn nguyên liệu hóa thạch (dầu mỏ, than đá…) đang cho thấy những tác động xấu
đến môi trường, gây ô nhiễm bầu khí quyển như gây hiệu ứng nhà kính, thủng tầng
ozon, là một trong những nguyên nhân làm trái đất ấm dần lên. Các khí thải ra từ việc
đốt các nguyên liệu này đã gây ra mưa axit, gây hại cho mơi trường sống của con
người. Cịn nguồn năng lượng thuỷ điện (vốn cũng được coi là một loại năng lượng

sạch) thì cũng khơng đáp ứng được nhu cầu tiêu thụ điện hiện nay trong khi tình trạng
mức nước trong hồ chứa thường xuyên xuống dưới mực nước chết. Trước tình hình
đó, vấn đề phải tìm được những nguồn năng lượng mới để đáp ứng nhu cầu sử dụng
năng lượng đang lớn mạnh hàng ngày, thay thế những nguồn năng lượng có hại cho
mơi trường hoặc đang cạn kiệt đang trở nên cấp thiết, đòi hỏi nhiều sự quan tâm. So
với những nguồn năng lượng mới đang được khai thác sử dụng như năng lượng gió,
năng lượng hạt nhân… Năng lượng mặt trời được coi là một nguồn năng lượng rẻ, vô
tận, là một nguồn năng lượng sạch không gây hại cho môi trường đang thu hút sự quan
tâm của rất nhiều nhà khoa học, nhà nghiên cứu và sẽ trở thành nguồn năng lượng tốt
nhất trong tương lai.
Năng lượng mặt trời vẫn là xu hướng chính trong tương lai vì dễ tiếp cận. cho
các cá nhân và hộ gia đình. Điều này địi hỏi sự phát triển của các bộ chuyển đổi điện
năng để chuyển đổi năng lượng mặt trời thành năng lượng có thể sử dụng và hịa lưới.
Một trong những vấn đề lớn đối với bộ chuyển đổi nguồn là việc điều khiển điện áp và
dòng điện để loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao là nguyên nhân gây ra tổn thất
điện năng. Nhiệm vụ chính của cấu trúc PLL là đưa ra hoạt động của hệ số công suất,
liên quan đến việc đồng bộ hóa dịng điện đầu ra của biến tần với điện áp lưới. Chúng

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

3


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

tơi cũng sử dụng cấu trúc PLL có thể theo dõi các thơng số điện áp lưới, biên độ và tần
số điện áp lưới. Giám sát điện áp lưới được sử dụng để đảm bảo rằng các hoạt động
của hệ thống nối lưới tuân thủ các yêu cầu tiêu chuẩn về vận hành dưới các biến dạng

tiện ích phổ biến như hài / khía đường dây, sụt áp / phồng / mất điện áp, biến đổi tần
số và nhảy pha [1].
Bộ điều khiển dòng điện cho bộ chuyển đổi điện là một bộ phận chính quan
trọng của bộ biến tần. Khơng chỉ loại bỏ các thành phần sóng hài bậc cao mà cịn kiểm
soát lượng điện năng đưa vào lưới điện. Trong nhiều bài báo, nhiều tác giả đã trình bày
nhiều phương pháp điều khiển dòng điện khác nhau như : bộ điều khiển từ trễ, tiên
đốn , tích phân tỷ lệ (PI) hay bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ (PR). Bộ điều khiển độ
trễ rất đơn giản, nếu dòng điện trở nên lớn hơn dòng điện tham chiếu cộng với mức độ
trễ, bóng bán dẫn dưới của chân được bật, có xu hướng giảm dòng điện; nếu dòng điện
trở nên nhỏ hơn dòng điện tham chiếu trừ đi mức độ trễ, bóng bán dẫn trên được bật,
có xu hướng tăng dịng điện. Một nhược điểm của hiện tượng trễ - sơ đồ điều chế kiểm
sốt là tần số chuyển mạch khơng thể được kiểm sốt trực tiếp. Điều khiển dịng dự
đốn sử dụng mơ hình thời gian rời rạc của đối tượng để dự đốn giá trị tương lai của
dịng tải đối với tất cả các vectơ điện áp có thể được tạo ra bởi biến tần [ 2 ]. Và bộ
điều khiển tích phân tỷ lệ (PI) có một thiếu sót thường xun là khơng thể theo dõi
tham chiếu hình sin mà khơng có độ lớn trạng thái ổn định và lỗi pha [ 3 ]. Mặt khác,
bộ điều khiển Cộng hưởng Tỷ lệ (PR) thể hiện độ lợi vô hạn ở tần số cộng hưởng đã
chọn; do đó, sai số tĩnh ổn định bằng khơng có thể đạt được [ 4 ].
2. Hệ thống năng lượng mặt trời nối lưới.
Hệ thống phát điện phân tán nhỏ ưu điểm là chi phí thấp, hiệu quả cao và có
khơng phụ thuộc vào nhiều điện áp đầu vào. Hệ thống DG cung cấp an toàn và đa
dạng các nguồn năng lượng, tăng hiệu điện thế và hiệu quả truyền dẫn, giảm phát thải
khí nhà kính, cải thiện chất lượng điện và ổn định hệ thống, cắt giảm chi phí năng
lượng và chi phí vốn. Cấu hình của một bộ biến đổi cơng suất ứng dụng năng lượng
mặt trời được trình bày trong hình 1 .

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

4



LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Hình 1: Cấu trúc bộ nghịch lưu một pha nối lưới
Tùy thuộc vào phạm vi điện áp đầu vào so với điện áp đầu ra AC, nghịch lưu
có thể buck inverter, boost inverters hoặc có thể là dạng kết hợp buck-boost inverters.
Inverter cũng chính là một bộ phận quan trọng khơng thể thiếu trong một cấu trúc điện
mặt trời kết nối với lưới điện. Hiện nay có rất nhiều quốc gia đã tiến hành sản xuất
nhiều dòng inverter để đáp ứng nhu cầu của thị trường. Các dòng inverter nổi tiếng
nhất hiện nay là : Fronius ( Áo ), SolarEdge ( Úc ), SMA ( Đức ), Huawei ( Trung
Quốc ), ABB ( Ý ), Sungrow ( Trung Quốc ),..vv.... Đặt biệt Việt Nam chúng ta cũng
đang từng bước nghiên cứu và bắt đầu đưa vào sản xuất với một sản phẩm mang
thương hiệu Việt.
Một nghịch lưu nối lưới nó sẽ có các chức năng, tùy vào mục đích sử dụng cho
hệ thống DG. Đầu tiên là nó sẽ chuyển đổi từ dạng năng lượng DC cho lưới điện và tải
cục bộ. Nguồn năng lượng được chuyển đổi này làm cho lưới điện AC được đồng bộ
hóa với điện áp lưới. Một chức năng quan trọng khác là kiểm soát được chất lượng
nguồn điện khi nối lưới, cũng như dạng sóng, các hài tại các điểm khớp nối chung với
lưới (PCC). Bởi vì hầu hết các tải nội bộ trong hộ gia đình đều khơng tuyến tính do đó
nó sẽ làm biến dạng dòng lưới.
3. Các tiêu chuẩn nối lưới
Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng năng
lượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới. Tuy nhiên, các bộ nghịch lưu nối
lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện và ảnh
hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện. Do đó, chúng có tác động tiêu cực đến chất
lượng điện năng của hệ thống điện.

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257


5


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

Sóng hài có những tác hại nguy hiểm đến thiết bị điện và hệ thống điện. Các tác
hại đó là: giảm hiệu quả của thiết bị điện, làm cho các mạch đồng bộ góc kích sử dụng
bộ dị điện áp zero hoạt động khơng ổn định, các đồng hồ số đo khơng chính xác, các
rơ le hoạt động sai… Trong lĩnh vực máy điện, sóng hài làm tăng tổn hao trong lõi
thép, làm tăng nhiệt thiết bị, nhiễu mô men động cơ, gây ra các dao động trong máy
điện đồng bộ và không đồng bộ, gây sốc mô men và hoạt động không ổn định…Đặc
biệt các sóng hài riêng lẻ có biên độ cao sẽ gây tác động tiêu cực đáng kể đến các thiết
bị ứng dụng trong thông tin và quân sự do hiện tượng nhiễu âm.
Vì vậy, để đảm bảo an toàn trong vận hành và truyền tải điện năng, các tiêu
chuẩn chất lượng điện năng đã được các cơ quan vận hành hệ thống điện ban hành
như: IEEE-929 (2000) ; IEEE-1547 (2009) của Mỹ; tiêu chuẩn IEC 62116 (2005) về
cô lập DG; IEC 61727 (2007); các tiêu chuẩn EN 50160 ở châu Âu; VDE 0126 (2006)
của Đức; thông tư 39 BCT (2015) của Bộ Cơng thương Việt Nam…, trong đó, các tiêu
chuẩn về tần số khi kết nối lưới, giới hạn sóng hài và tổng trở bộ lọc cũng rất nghiêm
ngặt đối với thiết bị nối lưới. Trong khi đó, các phương pháp giảm sóng hài cho nghịch
lưu nối lưới đã được công bố gần đây cho thấy hiệu quả chưa cao.
Xu hướng này dẫn tới sự phát triển các ứng dụng, mơ hình sản xuất năng lượng
nhỏ tại nhà dẫn đến sự phát triển các mơ hình hệ thống điện phân tán (DG). Hệ thống
DG này thường là các thiết bị, module nhỏ gần gũi với người dùng, bao gồm cả năng
lượng mặt trời, hệ thống năng lượng và pin nhiên liệu. Các hệ thống kết nối nguồn
năng lượng tái tạo vào nguồn AC phải cần nghịch lưu DC-AC một pha hoặc ba pha.
Đối với hệ thống điện mặt trời áp mái công suất nhỏ, bộ nghịch lưu DC/AC một pha là

phù hợp với dải công suất từ vài trăm W đến vài kW.
Như vậy, để thỏa mãn các tiêu chuẩn nối lưới nghiêm ngặt và góp phần nâng
cao chất lượng điện năng của hệ thống điện, cần phải có các nghiên cứu sâu hơn để
giảm sóng hài hiệu quả hơn cho các bộ nghịch lưu nối lưới. Và luận văn này sẽ đề xuất
phương pháp điều khiển dòng điện trong Inverter hòa lưới để giải quyết vấn đề sóng
hài.

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

6


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

CHƯƠNG II : MẠCH NGHỊCH LƯU ÁP MỘT PHA DẠNG CẦU H VÀ
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN.
1. Mạch nghịch lưu áp một pha dạng cầu .
Mạch nghịch lưu áp dạng cầu 1 pha (còn gọi là bộ nghịch lưu dạng cầu H) gồm
4 khóa công suất IGBT và 4 diode được mắc song song với chúng. Các khóa cơng suất
trên cùng một nhánh khơng được phép cùng dẫn.

(a)

(b)
Hình 2 : Bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu:
(a) Sơ đồ mạch. (b) Giản đồ đóng cắt và độ thị điện áp tải.

Các trạng thái đóng, cắt khóa cơng suất trong mạch bao gồm 4 trạng thái theo

quy tắc kích đóng đối nghịch nghĩa là cặp khóa chung nút tải như (S1, S4) và (S2,S3)
khơng được cùng trạng thái, tức là ln có một khóa đóng và khóa cịn lại cắt. Nếu
trạng thái cùng kích đóng thì sẽ dẫn đến việc ngắn mạch điện áp nguồn.
Ta quy ước trang thái đóng của khóa bằng giá trị 1 và trạng thái cắt của khóa
bằng 0. Hai phương trình dưới đây là điều kiện của các khóa công suất trong mạch
nghịch lưu áp một pha:
𝑆1 + 𝑆4 = 1
𝑆2 + 𝑆3 = 1
Một điều cần lưu ý để tránh hiện tượng ngắn mạch nguồn về các trạng thái đóng
cắt của các khóa cơng suất là khoảng thời gian chết deadband – là khoảng thời gian
cần thiết để mỗi khóa chuyển sang trạng thái khác hồn tồn. Thời gian này phụ thuộc

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

7


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

vào các đặc trưng linh kiện mà ta dùng, có thể biết được khi đọc datasheet của khóa.
Thời gian chết bắt đầu quá trình.
2. Kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin PWM trong điều khiển bộ nghịch lưu áp
một pha.
2.1. Tổng quan về kỹ thuật điều chế độ rộng xung sin PWM
Phương pháp điều chế độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) là
phương pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông để thay đổi
điện áp ngõ ra. Các xung PWM khi được biến đổi thì vẫn cùng một tần số nhưng khác
nhau về độ rộng:


Hình 3: Hai sóng PWM với chu kỳ nhiệm vụ khác nhau.
Trong đó : Duty Cycle : 𝐷 =

(0 < D <1) và T : là chu kỳ của xung PWM.

Hình 5 là một kết quả điều chế một xung PWM cơ bản và phổ biến:

Hình 4: Một cách điều chế PWM cơ bản
HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

8


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tun

Tín hiệu xung PWM được tạo thành dựa trên kỹ thuật analog, Được hiểu cơ bản
là so sánh về biên độ giữa tín hiệu sóng mang và sóng điều khiển để điều chế được
xung PWM. Như vậy, nếu muốn thu được một xung PWM có chu kỳ D thì ta chỉ cần
thay đổi biên độ của sóng điều khiển.
Tín hiệu xung PWM được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị điện tử ngày nay
vì các lợi ích mà nó mang lại như: ổn định chất lượng điện năng, … và đặc biệt là dễ
dàng để tạo ra một xung PWM cơ bản. Tuy vậy với những phương pháp phức tạp, ta
cần phải can thiệp để loại bỏ những thành phần mà ta mong muốn.
Có rất nhiều phương pháp để điều khiển bộ nghịch lưu áp như: phương pháp
điều biên, phương pháp điều chế độ rông xung sin (SPWM ), phương pháp điều rộng
xung cải biến ( MODIFIED SPWM ), phương pháp điều chế theo vectơ không gian
(SVPWM),… luận văn này chọn phương pháp điều chế độ rộng xung sin (SPWM).

2.2. Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sinusoidal Pulse-width
modulation).
Phương pháp điều chế độ rộng xung sin có hai dạng chính là Unipolar và
Bipolar. Đặc điểm chung của hai dạng này là điều dựa trên nguyên lý dựa vào
kỹ thuật Analog. Giản đồ đóng cắt các khóa cơng suất dựa trên cơ sở so sánh hai tín
hiệu sóng cơ bản là:


Sóng mang vcarrier thường ở dạng tam giác ở tần số cao.



Sóng điều khiển vm ở dạng sin thường ở tần số thấp.
Về sóng mang vcarrier có tần số càng cao thì lượng sóng hài bậc cao bị khử càng

nhiều. Tuy nhiên tần số đóng cắt cao phải bị giới hạn bởi những yếu tố như: tổn hao
phát sinh do quá trình đóng cắt các khóa cơng suất tăng theo; Bên cạnh đó, các khóa
cơng suất có thời gian tắt và thời gian mở riêng (dead-band) [5].
Về sóng điều khiển vm , sóng điều khiển mang thơng tin về độ lớn trị hiệu dụng
và tần số sóng hài cơ bản của điện áp ngõ ra. Trong bộ nghịch lưu áp một pha ta có thể
dùng một sóng điều khiển (phương pháp Bipolar ) hoặc hai sóng điều khiển dạng sin

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

9


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên


ngược pha nhau ( phương pháp Unipolar ). Trong phạm vi luận văn này chúng ta chỉ
xem xét đến phương pháp Unipolar.
Phương pháp Unipolar tương đối phức tạp khi dùng một sóng mang và hai sóng
điều khiển lệch pha nhau 1800, dựa trên kỹ thuật tín hiệu Analog để điều chế độ rộng
xung PWM cấp cho các khóa cơng suất. Các cặp khóa cơng suất phía trên và dưới trên
cùng một nhánh phải đảm bảo đúng điều kiện để tránh tình trạng ngắn mạch nguồn và
sẽ dùng 2 sóng PWM được tạo ra 2 chế độ lệch nhau 1800 khi so sánh biên độ của
chúng với sóng mang.

Hình 5: Dạng sóng của phương pháp Unipolar
Như vậy, ta sẽ có 4 trạng thái của mạch:

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

10


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Hình 6: Các trạng thái hoạt động của bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu.
Bảng dưới đây cho thấy 3 bậc của bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu dùng
phương pháp Unipolar và các trạng thái của từng khố cơng suất:
Bảng 1: Các trạng thái điện áp ứng với các trạng thái đóng cắt của các khóa cơng
suất:
V load

S1


S2

S3

S4

+ Vdc

1

1

0

0

- Vdc

0

0

1

1

0

1


0

1

1

0

1

0

0

Khi phân tích Fourier ta có được sóng hài cơ bản tương tự với phương pháp

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

11


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

Hình 7: FFT của hai phương pháp Unipolar ở tần số đóng cắt 2 KHz
Một điều quan trọng, ta cũng dễ thấy rằng tần số điện áp AC từ bộ nghịch lưu
chính là tần số của sóng điều khiển. Như vậy, nếu muốn thay đổi tần số điện áp AC, ta
có thể dựa vào việc thay đổi tần số sóng điều khiển.

Kết luận: Phương pháp Unipolar có hiệu quả cao hơn, luận văn đề xuất chọn
phương pháp Unipolar để điều khiển bộ nghịch lưu áp một pha dạng cầu. Bên cạnh đó,
để đảm bảo tốt chất lượng điện năng thì chúng ta cần loại bỏ các hài bậc cao. Và giải
pháp đó sẽ được trình bày tiếp tục các phần sau của luận văn này.

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

12


LUẬN VĂN THẠC SĨ

CBHD: PGS.TS. Nguyễn Đình Tuyên

CHƯƠNG III : NGHIÊN CỨU GIẢI THUẬT PLL
1. Giới thiệu về PLL
Pha, biên độ và tần số của điện áp là những thông tin vô cùng quan trọng đối
với việc vận hành của hệ thống nghịch lưu hoà lưới. Trong rất nhiều ứng dụng, việc
nhận biết nhanh và chính xác góc pha, biên độ và tần số của điện áp là một điều cần
thiết để đảm bảo độ chính xác giữa tín hiệu tham chiếu và tín hiệu đầu ra. Bài viết này
trình bày về giải thuật vịng khố pha (PLL) cho hệ thống nghịch lưu hồ lưới một
pha.
Gần đây có rất nhiều sự quan tâm đến các giải thuật PLL (Phase – Locked
Loop) cho hệ thống điện mặt trời hoà lưới, và PLL là một giải thuật tiêu biểu để phát
hiện pha của điện áp lưới. Để phát hiện góc pha này, giải thuật PLL cần có một hệ
thống điện áp trực giao. Hệ thống điện một pha có ít thơng tin hơn hệ thống điện ba
pha đối với điều kiện hoà lưới, vì vậy nhiều phương pháp tiến bộ được xem xét để tạo
ra một hệ thống điện áp vuông pha.
Nhiệm vụ chính của cấu trúc PLL là cung cấp một tần số và pha tham chiếu,
liên quan đến việc đồng bộ hóa dịng điện đầu ra của Inverter với điện áp lưới. Cũng

sử dụng cấu trúc PLL, các thông số điện áp lưới, chẳng hạn như biên độ và tần số điện
áp lưới, có thể được theo dõi. Giám sát điện áp lưới được sử dụng để đảm bảo rằng các
hoạt động của hệ thống hoà lưới tuân thủ các yêu cầu, tiêu chuẩn về hoạt động trong
điều kiện biến dạng tiện ích phổ biến như méo dạng sóng hài, sụt áp, mất điện áp, biến
đổi tần số và nhảy pha.

HVTH: Bùi Quang Trọng - MSHV 1870257

13