Hệ thống Photovoltaic kết nối lưới điện một pha không sử dụng máy biến áp

97
Hệ thống Photovoltaic . . .
HỆ THỐNG PHOTOVOLTAIC KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN 
MỘT PHA KHÔNG SỬ DỤNG MÁY BIẾN ÁP
Phạm Hữu Thái *, Lê Chí Kiên**, Vũ Thế Đảng***
TÓM TẮT
Cấu trúc Neutral Point Clamped (NPC) do có hiệu suất cao, dòng rò và nhiễu điện từ thấp 
nên nó được sử dụng một cách rộng rãi trong các hệ thống phát điện phân tán. Tuy nhiên nhược 
điểm chính của bộ nghịch lưu NPC là không cân bằng phân bố tổn thất ở các linh kiện bán dẫn, dẫn 
đến không cân bằng phân bố nhiệt. Bằng cách sử dụng cấu trúc NPC tích cực, vấn đề phân bố tổn 
thất công suất được giảm bớt. Do đó chiến lược điều khiển cấu trúc này là điểm mấu chốt. Bài báo 
này trình bày kỹ thuật điều khiển một bộ nghịch lưu ANPC 3 bậc kết nối giữa giàn Pin năng lượng 
mặt trời với lưới điện 1 pha không sử dụng máy biến áp mới để sự phân bố tổn thất tốt hơn. Đồng 
thời thực hiện một phần nhỏ của việc hòa đồng bộ giữa PV-lưới sử dụng kỹ thuật vòng khóa pha và 
bộ điều chỉnh PI. Hệ thống đề xuất được kiểm tra bằng việc mô phỏng sử dụng Simulink/Matlab 
nhằm xem xét, đánh giá khả năng của bộ nghịch lưu nối lưới.
Từ khóa: ANPC, PV-lưới, không sử dụng máy biến áp
A 3LEVEL_ANPC INVERTER FOR TRANSFORMERLESS SINGLE PHASE 
GRID CONNECTED PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
ABSTRACT
The Neutral Point Clamped topology due to high efficiency, low leakage current and 
electromagnetic Interference (EMI), its integration is widely used in the distributed generation 
(DG) systems. However the main disadvantage of the NPC inverter is given by an unequal 
distribution of the losses in the semiconductor devices, which leads to an unequal distribution of 
temperature. By using the Active NPC (ANPC) topology, the power losses distribution problem 
is alleviated. Therefore, the control strategy is a key issue in this topology. This paper presents a 
new technique to control for 3Level – ANPC inverter, which connected Photovoltaic array with a 
single phase grid transformerless, for better losses distribution. Also, performs a small part of the 
PV-grid synchronization using a phase lock loop (PLL) and PI regulator. The proposed system has 
been tested by simulation using Simulink/Matlab to consider and evaluate the ability of the grid-
connected inverter.
Key word: PV-grid, ANPC, transformerless, 
Kỹ thuật – Công nghệ
* ThS. GV. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 
** TS .GV. Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM 
*** ThS. GV. Trường ĐH Kinh tế Kỹ Thuật Bình Dương
98
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
1. GIỚI THIỆU:
Với việc gia tăng công suất năng lượng tái 
tạo, các hệ thống Photovoltaic (PV) kết nối 
lưới, đặc biệt các hệ thống điện một pha công 
suất thấp (từ 1kW đến 10kW), đang trở thành 
một trong những thành phần quan trọng nhất 
trong hệ thống phát điện phân tán (DG). Trong 
khi đó, hệ thống PV công suất thấp thường là 
hệ thống của tư nhân, mà cần phải cung cấp 
cho người sử dụng lợi nhuận tối đa thông qua 
hiệu suất cao, tuổi thọ lâu dài, giá thành thấp, 
nhỏ và an toàn.
Để cải thiện hiệu suất của các bộ nghịch 
lưu và giá cả hệ thống thấp hơn, các biến áp 
cách ly lưới điện thường được loại bỏ (chúng 
hay được sử dụng để bảo vệ người và tránh 
dòng rò giữa hệ thống PV và đất). Do đó, nhiều 
ứng dụng không máy biến áp được đề xuất 
[2], bao gồm cấu trúc HERIC, cấu trúc FB 
với DC Bypass, cấu trúc H5, cấu trúc NPC, 
cấu trúc Conergy NPC. Cấu trúc NPC được 
giới thiệu bởi Nabae, Takahashi và Akagi vào 
năm 1981, nó là một trong những cấu trúc bộ 
nghịch lưu kết nối đến lưới không sử dụng 
bất kỳ máy biến áp nào. So sánh với các cấu 
trúc khác, NPC vẫn có thể cho tổn thất chuyển 
mạch, sóng hài và dòng common mode thấp 
hơn, cải thiện đáng kể hiệu suất của bộ nghịch 
lưu và làm cho nó hấp dẫn hơn trong các ứng 
dụng quang điện (PV).
Trong khi đó nhược điểm chính của bộ 
nghịch lưu NPC là cho sự phân bố không đều 
tổn thất ở các thiết bị bán dẫn, mà nó sẽ dẫn 
đến không cân bằng phân bố nhiệt và giới hạn 
công suất ngõ ra của bộ nghịch lưu. 
Hình 1: Cấu trúc 3L-NPC một nhánh
Để giải quyết vấn đề trên bài báo đã thực 
hiện việc chọn cấu trúc NPC tích cực 3 bậc 2 
nhánh (3L – ANPC), như hình 2, để thực hiện 
việc kết nối lưới điện 1 pha. 
Hình 2: Một nhánh của 3L – ANPC
Các diode kẹp D1 và D2 của cấu trúc NPC 
được thay thế bằng 2 switch S
1C
 và S
3
, đây 
là các active switches với các anti-parallel 
diode ở cấu trúc ANPC, cho phép dòng điện 
qua 2 chiều. Bằng cách này, các khóa bổ sung 
sẽ cho phép nhiều hơn các trạng thái chuyển 
mạch và đảo mạch so với cấu trúc NPC. Vì 
số lượng các trạng thái chuyển mạch và đảo 
mạch được gia tăng mà có thể đạt được với 
cấu trúc ANPC so với NPC, nên nhiều chiến 
lược điều chế có thể thực hiện để điều khiển 
bộ nghịch lưu ANPC, [3]. Do đó, bằng cách 
sử dụng các kỹ thuật điều chế thích hợp, cân 
bằng tổn thất giữa các thiết bị bán dẫn có thể 
đạt được.
Đây cũng chính là lý do bài báo đề xuất 
một chiến lược điều khiển mới sử dụng kỹ 
thuật đa sóng mang với điện áp common 
mode trung bình để điều khiển bộ nghịch lưu 
3L-ANPC nhằm giải quyết vấn đề tổn thất 
công suất cũng như đảm bảo yêu cầu kết nối 
lưới điện 1 pha, [4]. Đồng thời tác giả giới 
thiệu một kỹ thuật đơn giản để bộ nghịch lưu 
hòa đồng bộ với lưới sử dụng kỹ thuật vòng 
khóa pha PLL và bộ điều chỉnh PI. Tất cả sẽ 
được mô phỏng bằng Simulink/Matlab.
99
Hệ thống Photovoltaic . . .
2. ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG
Sơ đồ khối toàn bộ hệ thống PV kết nối 
lưới điện 1 pha không sử dụng máy biến áp 
được thể hiện ở hình 3.
Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống đề xuất
Hệ thống bao gồm giàn PV, bộ tăng áp 
(DC/DC Boost converter), bộ nghịch lưu 
3L-ANPC, lưới và các bộ điều khiển. Để đảm 
bảo dòng công suất từ giàn PV đến lưới thì 
thật sự cần thiết khi sử dụng bộ tăng áp để đẩy 
điện áp DC lên cao, đặc biệt là khi không sử 
dụng máy biến áp. Hệ thống chỉ có thể vận 
hành khi điện áp DC-bus V
dc
 lớn hơn biên độ 
điện áp lưới [5].
2.1. Khối PLL
Vòng khóa pha PLL là hệ thống vòng kín 
hồi tiếp, trong đó tín hiệu hồi tiếp dùng để 
khóa tần số và pha của tín hiệu ra theo tần số 
và pha của tín hiệu vào [6], với tín hiệu vào là 
điện áp lưới, có sơ sồ khối như hình:
Hình 4: Sơ đồ khối của khối PLL
Chức năng của các khối:
+ Tách sóng pha: so sánh pha giữa tín hiệu 
vào và tín hiệu ra của VCO để tạo ra tín hiệu 
sai lệch V
d
(t).
+ Lọc thông thấp: lọc gợn của điện áp 
V
d
(t) để trở thành điện áp biến đổi chậm và 
đưa vào mạch khuếch đại 1 chiều.
+ Khuyết đại một chiều: khuếch đại điện 
áp 1 chiều V
dk
(t) để đưa vào điều khiển tần số 
của mạch VCO.
+ VCO (Voltage Controlled Oscillator): 
bộ dao động mà tần số ra được điều khiển 
bằng điện áp đưa vào.
Trong đề tài này, tác giả muốn sử dụng kỹ 
thuật PLL để thực hiện việc khóa pha và tần 
số của điện áp lưới để đáp ứng nhu cầu kết nối 
lưới, đặc biệt là bám theo tần số lưới với ngõ 
vào là điện áp lưới V
g
.
Hình 5: Sơ đồ khối của khối PLL trong 
Simulink/Matlab
2.2. Khối bộ điều chỉnh PI (PI regulator):
Để thực hiện việc đồng bộ kết nối lưới của 
bộ PV 1 pha lên lưới, ngoài việc sử dụng kỹ 
thuật PLL, ta phải kết hợp với bộ điều chỉnh 
PI để thực hiện việc điều khiển bộ nghịch 
lưu cho phù hợp nhằm sai số giữa dòng tham 
chiếu và dòng nối lưới. Ngõ ra PLL là wt 
được đưa vào khối tạo dòng tham chiếu trước 
khi được đưa vào bộ điều chỉnh PI, với đoạn 
code ở phụ lục A.
Hình 6: Khối dòng tham chiếu I
ref
100
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 7: Khối PI Regulator
Dòng của bộ nghịch lưu I
g 
được đo và 
feed back đến bộ so sánh với dòng tham 
chiếu I
ref
. Dòng I
ref
 đạt được bằng cách đo 
điện áp lưới và chuyển đổi qua PLL và đưa 
về khối tạo dòng tham chiếu. Điều này được 
thực hiện đảm bảo rằng I
g
 luôn bám theo 
lưới và luôn đồng bộ giữa PV và lưới. Sai 
lệch dòng tức thời e được đưa đến bộ điều 
khiển tích phân – tỷ lệ. Khâu tích phân (I) 
trong bộ PI cải thiện việc dò tìm, bằng cách 
giảm sai số tức thời giữa dòng tham chiếu 
và dòng thực tế [7], Phân phối của khâu tích 
phân (đôi khi còn gọi là reset) tỉ lệ thuận 
với cả biên độ sai số lẫn quảng thời gian xảy 
ra sai số. Tổng sai số tức thời theo thời gian 
(tích phân sai số) cho ta tích lũy bù đã được 
hiệu chỉnh trước đó. Tích lũy sai số sau đó 
được nhân với độ lợi tích phân và cộng với 
tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển. Biên độ 
phân phối của khâu tích phân trên tất cả tác 
động điều chỉnh được xác định bởi độ lợi 
tích phân,K
i
. Khâu tỷ lệ (P) hay còn gọi là 
độ lợi làm thay đổi giá trị đầu ra, tỷ lệ với 
giá trị sai số hiện tại. Đáp ứng tỷ lệ có thể 
được điều chỉnh bằng cách nhân sai số đó 
với hằng số K
p
.
Như [7], bằng cách chọn tần số điều chế 
là 10KHz, độ lợi trước khâu tích phân được 
chọn là 150MHz/10KHz = 15000 và độ lợi 
khâu tỷ lệ là 25. Với tần số đồng hồ (Clock 
frequency) là 150MHz.
2.3. Giải thuật PWM đề xuất điều khiển 
3L-ANPC:
Để khắc phục nhược điểm của các chiến 
lược điều khiển xem xét ở [3] ta sử dụng kỹ 
thuật điều khiển đa sóng mang với điện áp 
common mode trung bình. 
Do bộ nghịch lưu được chọn là cấu trúc 
3 bậc nên ta chọn 2 sóng mang để điều khiển 
bộ nghịch lưu 2 nhánh [1]. Để thuận tiện cho 
việc điều khiển chỉ chọn một nhánh như hình 
2 để thực hiện chiến lược điều khiển, nhánh 
còn lại tương tự.
Quy tắc điều khiển, kích đối nghịch:
S
1
 + S
1C
 = 0; S
2
 + S
2C
 = 0; S
3
 + S
3C
 = 0
Ba trạng thái áp nghịch lưu của pha A 
như bảng sau:
Bảng 1: Trạng thái đóng cắt của các switch
VAO S1 S2 S3 S1C S2C S3C
V
dc 1 1 1 0 0 0
V
dc
/2 0 1 0 1 0 1
0 0 0 0 1 1 1
Từ bảng trạng thái, ta xét điện áp điều 
khiển nằm trong hai khoảng 0 ≤ u
đk1 
< 1 và 1 
≤ u
đk1 
≤ 2 được trình bày ở hình 9.
So sánh sóng mang C
1
, C
2
 với các u
đk1
 để tạo xung kích cho các cặp switch, cụ thể:
Dễ dàng chứng minh rằng:
Nếu 0 ≤ u
đk1 
< 1→ U
AO
= Vdc.uđk1 Nếu 1 ≤ uđk1 < 2→ UAO= 
Vdc.u
đk1
 2 2
Việc so sánh này thể hiện ở hình 8.
101
Hệ thống Photovoltaic . . .
Hình 8 : Khối so sánh giữa sóng mang và tín hiệu điều khiển cho nhánh A và B 
trong Simulink/Matlab
Hình 9: So sánh sóng điều khiển với sóng mang
+ Giải thuật tính toán u
đkj
 cho bộ nghịch lưu một pha 2 nhánh 3L – ANPC:
Cấu trúc 3L-ANPC 2 nhánh sử dụng trong đề tài xét như hình 10.
Hình 10: Cấu trúc 3L-ANPC 2 nhánh trong Simulink/Matlab
102
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Với cấu trúc như trên để tìm áp điều khiển ta có giải thuật tổng quát như sau:
Hình 11: Giải thuật tìm áp điều khiển
Ta có thể phân tích điện áp tải của bộ nghịch lưu áp một pha dạng 2 nhánh (mạch cầu) tương 
tự như bộ nghịc lưu áp ba pha
Hình 12: Giải thuật tìm áp điều khiển trong 
Simulink/Matlab
2.4. Bộ MPPT cải tiến:
Nhằm để thực hiện việc dò tìm công suất 
điểm làm việc cực đại trong đề tài này sử 
dụng giải thuật MPPT cải tiến, với lưu đồ giải 
thuật như sau: Hình 13: Lưu đồ giải thuật P&O cải tiến.
103
Hệ thống Photovoltaic . . .
- Mô hình Simulink cải tiến như sau:
Hình 14: Mô hình Simulink của khối MPPT cải tiến.
3. MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG
3.1. Chọn thông số mô hình:
Hình 15: Hệ thống PV-lưới đề xuất
Để tiến hành thực hiện mô phỏng hệ thống 
PV kết nối lưới điện 1 pha sử dụng cấu trúc 
3L-ANPC với giải thuật đề xuất, các giá trị 
được chọn như bảng 2 và 3.
Bảng 2: Thông số lưới, bộ nghịch lưu
Thông số
Điện áp lưới V
g
U
RMS
=220V
Dòng lưới I
g
(Khi cường độ chiếu sáng 
1000W/m2, hệ số điều chế 
bằng 1)
I
RMS
=6A
Tần số lưới f=50Hz
Điện áp ngõ ra bộ DC/DC V
dc
=311V
Ri 0.01𝛺
Li 5e-3H
Rg 0.05 𝛺
Lg 1e-4H
Tần số đóng cắt 10kHz
Thông số Ký 
hiệu
Độ 
lớn
Đơn 
vị
Công suất tại 
MPP
P
p
110 W
Điện áp tại MPP V
p
17 V
Dòng điện tại 
MPP
I
p
6,47 A
Điện áp hở mạch V
OC
21,3 V
Dòng điện ngắn 
mạch
I
SC
7,48 A
Số cell trong 1 
môđun
n 72 cell
Nhiệt độ cơ bản T 25 0C
 Bảng 3: Thông số môđun PV EC-110-G.
Ta chọn 12 môđun PV EC-110-G để mô 
phỏng hệ thống.
104
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
3.2.Mô hình các khối của PV Block trong Matlab/Simulink:
Hình 16: Khối PV Block
Bên trong khối này như sau:
Hình 17: Các khối bên trong của PV Block
 3.3. Mô hình PV:
Được viết dưới dạng Model
Hình 18: Sơ đồ khối mô hình mô phỏng PV module
105
Hệ thống Photovoltaic . . .
Hình 19: Chi tiết bên trong sơ đồ khối mô hình mô phỏng PV module
3 Sơ đồ và mô hình DC-DC converter
+ Sơ đồ mạch:
Hình 20: Sơ đồ mạch DC-DC boost converter kết nối PV panel
+ Mô hình của DC –DC boost converter lý tưởng trong Matlab
Hình 21: Khối boost converter
Bên trong khối Boost DC – DC:
Hình 22: Bên trong khối boost converter
106
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG HỆ THỐNG TRÊN MATLAB/SIMULINK
4.1. PV module
Hình 23: Đường đặc tính I-V và P-V
4.2. Boost DC – DC converter
Với việc chọn các thông số như trong hình bên dưới:
Hình 24: Chọn thông số cho bộ DC/DC
Ta có dạng sóng: Insolation (chiếu độ) 200, 400, 600, 1000; V
PV
; I
PV
; P
boost
 với giải thuật 
MPPT cải tiến:
Hình 25: Dạng sóng Insolation; V
PV
; I
PV
; P
boost
107
Hệ thống Photovoltaic . . .
Hiệu suất, Duty cycle, V
PV
, I
ref
, V
out
 của bộ Boost converter:
Hình 26: Hiệu suất, Duty cycle, V
PV
, I
ref
, V
out
 boost converter
4.3. Tín hiệu điều khiển và sóng mang
Với hệ số điều chế là 1 ta được:
Hình 27: Dạng sóng tín hiệu điều khiển
Hình 28: Dạng sóng tín hiệu điều khiển khi phóng to
108
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
4.4. Dòng và áp tải của bộ 3L-ANPC:
Với tải RL: R= 13.8 𝛺; L= 0.1194H, cường độ chiếu sáng 1000 W/m2
Hình 29: Dạng sóng áp tải và dòng tải với hệ số điều chế M=1
4.5. Dòng và áp của bộ nghịch lưu hòa đồng bộ:
 + Hệ số điều chế 1, cường độ chiếu sáng 1000 W/m2
Hình 30: Dạng sóng dòng và áp bộ nghịch lưu khi hòa đồng bộ với M=1
 Phân tích FFT đối với dòng bộ nghịch lưu hòa lưới:
Bảng 4: Tổng méo dạng sóng hài của dòng điện, M=1, 
1000 W/m2
Tổng méo dạng sóng hài: 3.76%
Phân tích FFT đối với áp bộ nghịch lưu hòa lưới:
109
Hệ thống Photovoltaic . . .
Bảng 5: Tổng méo dạng sóng hài của áp, M=1, 
1000 W/m2
Tổng méo dạng sóng hài: 0.54%
+ Hệ số điều chế 1, cường độ chiếu sáng 300W/m2
Hình 31: Dạng sóng dòng và áp bộ nghịch lưu khi hòa đồng bộ với M=1, 
cường độ chiếu sáng 300W/m2
Phân tích FFT đối với dòng bộ nghịch lưu hòa lưới:
Bảng 6: Tổng méo dạng sóng hài của dòng điện, M=1, 300W/m2
Tổng độ méo dạng dòng bộ nghịch 4.13%
+ Hệ số điều chế 0.8, cường độ chiếu sáng600 W/m2
110
Taïp chí Kinh teá - Kyõ thuaät
Hình 32: Dạng sóng dòng và áp bộ nghịch lưu với M=0,8; 600 W/m2
Phân tích FFT đối với áp bộ nghịch lưu hòa lưới:
Bảng 7: Tổng méo dạng sóng hài của áp, M=0.8; 
600 W/m2
Tổng méo dạng sóng hài: 4.9%
Theo tiêu chuẩn kết nối lưới như bảng 7, cũng như bảng 8,thì ta thấy dùng bộ nghịch lưu 
3L-ANPC dùng để kết nối lưới điện 1 pha hoàn toàn khả dụng với độ méo dạng sóng hài rất 
nhỏ. Điều này chứng tỏ với chiến thuật đề xuất là phù hợp.
Bảng 8: Phần trăm méo dạng cho phép
a: Thậm chí các sóng hài được giới hạn đến 25% của các giới hạn hài bậc lẻ (odd harmonic) trên.
b: Tất cả các giới hạn được cho như phần trăm của tỉ số thành phần dòng cơ bản.
111
Hệ thống Photovoltaic . . .
Bảng 9: Tóm tắt các tiêu chuẩn kết nối PV với lưới
5. KẾT LUẬN
Với việc chọn bộ nghịch lưu 3L-ANPC 
đã khắc phục được nhược điểm cố hữu của 
bộ nghịch lưu NPC đó là đảm bảo cân bằng 
phân bố tổn thất công suất cũng như phân bố 
về nhiệt trên các thiết bị bán dẫn. Ngoài ra đề 
tài này đã đề xuất một giải thuật điều khiển cấu 
trúc ANPC thực hiện việc kết kết nối giàn PV 
với lưới một cách thành công, thể hiện qua độ 
méo dạng sóng hài của bộ nghịch lưu bơm vào 
lưới rất thấp, đạt được tiêu chuẩn kết nối lưới 
đề ra. Đặc biệt đề tài này cũng giới thiệu một 
cách cơ bản kỹ thuật hòa đồng bộ nối PV với 
lưới thông qua kỹ thuật PLL và bộ điều chỉnh 
PI khi có sự sai lệch về dòng bơm lên lưới và 
dòng tham chiếu.Tuy nhiên, trong các nghiên 
cứu tiếp theo cần giải quyết tốt hơn nữa giải 
thuật điều chế bộ nghịch lưu ANPC bằng các 
giải thuật cao hơn, chẳng hạn: giải thuật triệt 
tiêu sóng hài chọn lọc (Selective Harmonic 
Elimination –SHE) kết hợp với giải thuật gen 
(Genetic Algorithm). Và nâng cao hơn nữa kỹ 
thuật hòa đồng bộ giữa PV và lưới khi có nhiều 
yếu tố tác động lên hệ thống PV, cũng như lưới.
 TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. Nguyễn Văn Nhờ, Điện tử công suất 1, Nhà xuất bản ĐHQG, 2009, 300 trang
[2]. Kereles, Transformerless photovoltaic Inverters Connected to the grid, IEEE 2006.
[3]. D. Floricau, E.Floricau and M.Dumitrescu, Natural Doubling of the Apparent Switching Frequency 
using Three-level ANPC Converter, Nonsinusoidal Currents and Compensation, 2008. ISNCC 
2008. International School on 10-13 June 2008 Page (s): 1 – 6 
[4]. Soeren Baekhoej Kjaer, A Review of Single-Phase Grid-Connected Inverters for Photovoltaic 
Modules, IEEE Transactions On Industry Applications, VOL. 41, NO. 5, September/October 2005.
[5]. J.Selvaraj, Digital PI Current Control for Grid Connected PV Inverter, IEEE 2008.
[6] Mihai Ciobotaru , Offset rejection for PLL based synchronization in grid-connected converters, 
IEEE 2008
[7]. J.Selvaraj, Digital PI current control for grid connected PV inverter, IEEE 2