TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 114
XÂY DỰNG BỘ LỌC CÔNG SUẤT TÍCH CỰC GIẢM TỔNG ĐỘ MÉO
SÓNG HÀI CHO HỆ THỐNG QUANG ĐIỆN
CONSTRUCTION OF AN ACTIVE POWER FILTER TO REDUCE TOTAL
HARMONIC DISTORTION FOR PHOTOVOLTAIC SYSTEMS
Nguyễn Công Hiếu1,*, Nguyễn Đình Đức1, Nguyễn Thành Đạt1,
Nguyễn Danh Hiệp2, Nguyễn Thanh Tùng2, Hà Thị Hoài Thu3
1Lớp Điện 04 - K16, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
2Lớp Điện 04 - K17, Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
3Khoa Điện, Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội
*Email: conghieu860@gmail.com
TÓM TẮT
Hệ thống pin quang điện PV đang ngày càng phổ biến và phát triển, theo đó chất lượng điện năng mà hệ thống này
cung cấp cho các phụ tải cũng cần được cải thiện, đặc biệt là giảm thiểu ảnh hưởng từ sóng hài. Bài báo đề xuất một mô
hình hệ thống quang điện nối lưới, bao gồm một bộ tăng áp sử dụng thuật toán bám điểm công suất cực đại, bộ biến đổi
điện tử công suất ba pha kết hợp với bộ lọc công suất tích cực kiểu Shunt. Mô hình được mô phỏng trên công cụ
Matlab/Simulink cho kết quả tổng độ méo sóng hài của hệ thống đạt chuẩn theo yêu cầu.
Từ khóa: Hệ thống quang điện, Bộ lọc công suất tích cực kiểu Shunt, Sóng hài, Tổng độ méo sóng hài.
ABSTRACT
Photovoltaic Voltage (PV) systems are increasingly popular and advanced, so the quality of electricity that system
provides to loads also needs to be improved, especially minimizing the influence of harmonics. This paper proposes a PV
model system connect with grid. The system including a boost converter using the Maximum Power Point Tracked, a
Three-Phase power electronic converter combined with Shunt Active Power Filter (SAPF). The model is simulated on the
Matlab/Simulink tool, resulting in the Total Harmonics Distortion (THD) of the system meeting the required standards.
Keywords: Photovoltaic Voltage Systems, Shunt Active Power Filter, Harmonics, Total Harmonics Distortion.
1. GIỚI THIỆU
Cải thiện chất lượng điện năng cho những nguồn năng
lượng tái tạo hiện đang là những vấn đề quan trọng trong hệ
thống điện trong thời gian gần đây. Hệ thống điện mặt trời
nối lưới ngày nay đang trở nên phổ biến với khả năng tạo ra
điện năng từ nguồn năng lượng sạch đóng góp một phần
công suất không nhỏ trong hệ thống điện. Hệ thống bao gồm
mô hình hệ thống pin quang điện PV kết hợp với bộ chuyển
đổi tăng áp DC/DC bằng bộ điều khiển bám điểm công suất
cực đại (MPPT) để tối ưu sản lượng công suất phát ra của
tấm pin [1, 2]. Sau đó bộ tăng áp DC/DC được liên kết với
bộ chuyển đổi nghịch lưu nguồn DC/AC (VSC) cho phép
hệ thống PV chuyển nguồn điện sang xoay chiều. Hệ thống
tải phi tuyến chỉnh lưu ba pha diode tạo nhiều sóng hài dòng
điện khiến dòng điện bị biến dạng làm ảnh hưởng lớn đến
hệ thống [4]. Với một hệ thống điện phần trăm tổng độ méo
sóng hài (%THD) không được vượt quá 5% so với tiêu
chuẩn, nhóm tác giả đã xây dựng bộ lọc công suất tích cực
kiểu Shunt (Shunt-APF) làm giảm thiểu sóng hài cho hệ
thống. Dòng điện bị làm méo sẽ hấp thụ dòng điện của bộ
lọc cho ra dòng điện tổng có dạng hình sin. Chức năng bù
sóng hài của bộ tụ được điều khiển thông qua VSC [5, 6].
Bộ lọc công suất tích cực (APF) được thiết kế thành
công dựa theo lý thuyết công suất tức thờithường được sử
dụng cho hệ thống điện lưới quốc gia, hiện nay với sự gia
tăng của các nguồn năng lượng sạch được bơm công suất
vào lưới thì việc tạo ra một bộ lọc đáp ứng tốt với nguồn
công suất không ổn định đang là một vấn đề cấp thiết [7].
Công suất từ nguồn PV không ổn định gây ảnh hưởng đến
quá trình lọc, nhóm tác giả đã thành công trong việc thiết
kế một bộ lọc Shunt-APF có khả năng lọc tốt cả khi công
suất của hệ thống không ổn định. Nguồn PV được kết hợp
bơm công suất vào lưới đẩy mạnh khả năng lọc của Shunt-
APF [6, 8].
Phần dưới của bài báo sẽ được trình bày theo trình tự
sau. Phần 2 giới thiệu nhanh hệ thống PV nối lưới và bộ lọc
Shunt-APF, mô tả các bộ điều khiển của hệ thống được đề
cập. Phần 3 đánh giá kết quả thu được dựa trên các trường
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 115hợp thử nghiệm trong môi trường Matlab/simulink. Cuối
cùng, kết luận và những đề xuất được rút ra ở Phần 4.
2. MÔ HÌNH HỆ THỐNG PIN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI
Các mảng pin mặt trời bao gồm các tấm pin được nối
song song và các chuỗi song song sẽ được nối tiếp với nhau
để có được công suất phát ra phù hợp. Mô hình động của tế
bào PV được thể hiện ở hình 1.
Hình 1. Mạch tương đương của tế bào quang điện
Dòng điện đầu ra I bằng dòng điện phát ra ánh sáng IL,
trừ đi dòng điện điốt Id và dòng điện song song nối đất Ish.
Điện trở nối tiếp RS biểu thị điện trở trong của dòng điện.
Điện trở shunt RSh tỉ lệ nghịch với dòng điện rò xuống đất.
Trong một tế bào PV lý tưởng, tế bào quang điện không có
điện trở nối tiếp và không có dòng rò xuống đất. Hiệu suất
chuyển đổi PV nhạy cảm với những thay đổi nhỏ trong RS
nhưng không nhạy cảm với những thay đổi trong RSh. Một
sự gia tăng nhỏ trong RS có thể làm giảm đáng kể sản lượng
PV[5].
Đa phần các hệ thống điều khiển hệ thống PV nối lưới
hoạt động dựa trên tiêu chí tối ưu hóa công suất đầu ra và
cung cấp năng lượng vào lưới điện. Sơ đồ điều khiển kết
nối hệ thống PV vào lưới được thể hiện trong hình 2.
Hình 2. Mô hình hệ thống PV nối lưới
Công suất tấm pin mặt trời sẽ được Bộ tăng áp DC/DC
tối ưu hóa dựa vào thuật toán MPPT P&O. Sau đó, dòng
điện 1 chiều sẽ được chuyển qua dòng điện 3 pha xoay chiều
bằng bộ nghịch lưu VSC, dòng điện sau VSC sẽ được lọc
và kết hợp cùng lưới cấp điện cho tải.
Mạch tăng áp một chiều DC/DC
Mạch tăng áp một chiều DC/DC được tích hợp với bộ
điều khiển MPPT trong hệ thống năng lượng mặt trời (PV)
có vai trò quan trọng trong việc tối ưu hóa hiệu suất và ổn
định dòng điện một chiều trước khi đi vào bộ biến đổi điện
tử công suất nghịch lưu DC/AC (VSC) [1-3]. Hình 3 thể
hiện mô hình bộ chuyển đổi tăng áp.
Hình 3. Sơ đồ mạch tăng áp một chiều DC/DC
Hệ thống PV có một điểm hoạt động công suất tối đa gọi
là điểm công suất cực đại MPP. Tuy nhiên điểm MPP không
cố định khi các điều kiện về bức xạ và nhiệt độ môi trường
thay đổi [9-11]. Hệ thống PV tạo ra công suất tối đa tương
ứng với điểm uốn của đường cong I-V biểu diễn trong hình
4.
Hình 4. Đường cong đặc tính của PV
Điện áp và dòng điện tại điểm công suất cực đại là Vmax
và Imax. Trong bài báo này, chu kì chuyển mạch được tối
ưu hóa bằng bộ điều khiển MPPT sử dụng thuật toán
P&O[2].
Hình 5. Thuật toán MPPT P&O
Thuật toán P&O trước hết đo điện áp và dòng điện thực
tế từ đó tích của điện áp và dòng điện cung cấp công suất
thực tế của hệ thống PV. Sau đó, nó sẽ kiểm tra điều kiện
xem ΔP=0 hay không. Nếu điều kiện này được thỏa mãn thì
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 116điểm vận hành là MPP. Nếu nó không thỏa mãn thì hãy
kiểm tra một điều kiện khác ΔP >0, Nếu điều kiện này được
thỏa mãn thì hãy kiểm tra ΔV>0 đó, nếu nó thỏa mãn thì nó
cho biết điểm vận hành nằm ở phía bên trái của MPP. Nếu
điều kiện ΔV>0 không được thỏa mãn thì điều đó cho thấy
điểm vận hành nằm ở phía bên phải của MPP. Quá trình này
được lặp lại liên tục cho đến khi đạt MPP.
Mô hình bộ biến đổi công suất
Dòng điện từ hệ thống PV được đưa vào bộ điều khiển
điện tử công suất DC/AC trước khi cấp vào lưới điện. Bộ điều
khiển điện áp đưa vào bộ điều khiển dòng điện tín hiệu tham
chiếu IDCref để có thể điều chỉnh dòng điện hệ thống PV đưa
vào lưới [12]. Sơ đồ khối của bộ điều khiển điện áp một chiều
và bộ điều khiển dòng điện được minh họa ở hình 6.
Hình 6. Bộ điều khiển dòng điện và điện áp một chiều
Dòng điện trên điện kháng đầu ra của bộ biến đổi được
điều chế trên trục quay vuông góc dq. Vecto tín hiệu đầu ra
bộ điều khiển ,
di qi
U U
được tính toán theo công thức.
di td q d
qi td d q
U V Li V
U V Li V
(1)
Bộ lọc sóng hài tích cực
Bộ lọc công suất tích cực dạng Shunt (SAPF) sử dụng
bộ điều khiển dựa trên lý thuyết công suất tức thời (lý thuyết
p-q) [7]. Dòng điện và điện áp được chuyển từ tọa độ a-b-c
sang tọa độ α-β-0 bằng phép biến đổi Clarke [6, 11], sau đó
tính toán các thành phần công suất tức thời theo lý thuyết
p-q:
0 0
1 1 1
2 2 2
( ) ( )
2 1 1
( ) 1 ( )
3 2 2
( ) ( )
3 3
02 2
a a
b b
c c
v i v i
v i v i
v i v i
(2)
Các giá trị công suất tức thời p và q được tính toán trên
hệ trục tọa độ αβ:
v v i
p
v v i
q
(3)
Trong đó:
p là công suất thực tức thời.
q là công suất ảo tức thời.
p= p+ p
q= q +q
(4)
Thông thường, các thành phần công suất tức thời p và q
chứa hai thành phần cơ bản: thành phần dc (là những thành
phần ổn định, kí hiệu p và q) có thể loại bỏ bằng bộ lọc
thông thấp hoặc bộ lọc thông cao (LPF hoặc HPF) [10, 13).
Thành phần còn lại là thành phần ac ( là thành phần dao
động, kí hiệu p
và q
) sau khi đi qua bộ điều khiển sẽ đưa
ra các giá trị tính toán thành phần dòng điện méo ref
C
i
và
ref
C
i
.
Ngoài ra, sự truyền thêm năng lượng đến từ tụ điện để
duy trì điện áp ở mức cố định gây ra bởi một lượng công
suất thực dư, được kí hiệu là
loss
p
ref
C loss
ref
C
p p p
q q
(5)
-1
-
ref ref
CC
ref ref
CC
v v
ip
v v
iq
(6)
Sử dụng phép biến đổi Clarke ngược đưa thành phần
dòng điện méo ref
C
i
và ref
C
i
từ tọa độ α-β-0 về tọa độ a-b-c
để tạo ra dòng điện tham chiếu của bộ lọc.
1 0
2 1 3
-
3 2 2
1 3
- -
2 2
ref
aC ref
C
ref
bC ref
C
ref
cC
ii
ii
i
(7)
Sử dụng bộ điều khiển trể để kiểm soát và duy trì giá trị
ổn định xung quanh giá trị tham chiếu ref
abcC
i [12, 14]. Bộ
điều khiển cho bộ lọc tích cực dạng shunt được thể hiện
trong hình 7.
Hình 7. Bộ điều khiển Shunt-APF
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 1173. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
Thông số của hệ thống PV nối lưới
Bảng 1 là thông số của hệ thống gồm có thông số phía
lưới, thông số của bộ lọc công suất tích cực Shunt-APF bao
gồm điện áp của tụ thông số điện dung và thông số bộ điều
khiển PI.
Bảng 1. Thông số hệ thống trong mô phỏng
Kết quả của hệ thống PV nối lưới
Công suất của PV được thể hiện ở hình 8 khi kết hợp với
bộ điều khiển Bám điểm công suất cực đại (MPPT), khi đó
công suất của PV là công suất cực đại với lượng bức xạ mà
tấm pin mặt trời được nhận.
Hình 8. Công suất đầu ra của PV
Hình 9. Điện áp hệ thống PV trước VSC
Công suất của hệ thống PV khi kết hợp bộ điều khiển
MPPT tăng đến cực đại trong 2s để thích ứng với phản ứng
công suất đáp ứng động của tụ bù. Bao gồm 93kW công
suất tác dụng làm tro điện áp sau VSC có giá trị không thay
đổi là 700V.
Sau 1,5s công suất tác dụng của PV bắt đầu giảm xuống,
trong thời gian này tải phi tuyến được cung cấp bởi lưới.
Hình 10. Điện áp lưới
Hình 10 thể hiện điện áp của hệ thống luôn giữ ở 310V
cho thấy sự ổn định điện áp và tần số của hệ thống ở mọi
trường hợp có tụ lọc.
Hình 11a). Dòng điện của tải phi tuyến
Hình 11b). Dòng điện tụ lọc Shunt APF
Hình 11c). Dòng điện của lưới
Hình 11a đưa ra dòng điện tải phi tuyến có thể thấy từ
hình vẽ dòng tải chứa nhiều thành phần sóng hài gẩy ảnh
hưởng đến dòng điện lưới. Hình 11b thể hiện dòng điện bù
vào của hệ thống bộ Shunt-APF để làm triệt tiêu sóng hài
trong dòng điện nguồn. Dòng nguồn sau khi kết hợp với PV
và bộ lọc Shunt-APF được đóng vào 0,75s trong hình 11c
dòng điện nguồn đã trở thành hình sin do sóng hài đã bị triệt
tiêu.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HANOI UNIVERSITY OF INDUSTRY Tập san SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC Số 14 ● 2024 118Kết quả so sánh tổng độ sóng hài
Nhóm tác giả so sánh tổng độ méo sóng hài (THD) ở ba
trường hợp:
- Trường hợp 1: Ngắt tụ lọc ra khỏi hệ thống PV nối
lưới
- Trường hợp 2: Hệ thống PV nối lưới được gắn bộ lọc
Hình 12 a). Trường hợp 1
Hình 12 b). Trường hợp 2
Hình 12 là THD trong hai Trường hợp của hệ thống PV
nối lưới.
THD của dòng điện trong mỗi Trường hợp hoạt động
được phân tích bằng cách sử dụng biến đổi Fourier (FFT)
biểu diễn trong hình 12, so sánh giữa các trường hợp dể thấy
được ưu diểm của Shunt-APF kết hợp với hệ thống PV.
Trong Trường hợp 1 chỉ có lưới và tải (THD = 22,24%), khi
tích hợp Shunt-APF vào hệ thống ở Trường hợp 2 tổng độ
méo sóng hài đã giảm đáng kể (THD = 2,18%).
4. KẾT LUẬN
Xây dựng bộ lọc công suất tích cực giảm thiểu sóng hài
cho hệ thống PV nối lưới mang lại những lợi ích nhất định
cho hệ thống lưới điện trong việc cải thiện chất lượng điện
năng khi hệ thống mang tải phi tuyến. Khi xuất hiện các yếu
tố gây mất cân bằng như thay đổi bức xạ, gây ra thay đổi
tần số, công xuất, giảm khả năng đáp ứng nhu cầu năng
lượng của phụ tải phi tuyến. Kết quả mô phỏng cho thấy bộ
lọc công suất tích cực có thể đáp ứng được khi công suất hệ
thống chịu sự thay đổi của nguồn PV [14, 15].
Bài báo đề xuất sử dụng hệ thống PV tích hợp bộ lọc
công suất tích cực kiểu Shunt (SAPF) vào lưới điện chung
nhằm giảm thiếu lượng sóng hài dòng điện do tải phi tuyến
gây ra cho dòng điện lưới.
Kết quả mô phỏng và so sánh trong bài báo cho thấy vai
trò của hệ thống PV kết hợp với SAPF và đưa ra những thay
đổi tích cực của dòng điện nguồn.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]. N. Abd Rahim and J. Selvaraj. Hysteresis Current Control and Sensorless MPPT for Grid-Connected Photovoltaic
Systems.
[2]. B. Xiao, L. Hang, J. Mei, C. Riley, L. M. Tolbert, and B. Ozpineci, 2015. Modular Cascaded H-Bridge Multilevel
PV Inverter with Distributed MPPT for Grid-Connected Applications, IEEE Trans Ind Appl, vol. 51, no. 2, pp. 1722–1731,
Mar. 2015, doi: 10.1109/TIA.2014.2354396.
[3]. N. R. Watson, T. L. Scott, and S. J. J. Hirsch, 2009. Implications for distribution networks of high penetration of
compact fluorescent lamps, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 24, no. 3, pp. 1521–1528, 2009, doi:
10.1109/TPWRD.2009.2014036.
[4]. A. Mishra, S. Chauhan, P. Karuppanan, and M. Suryavanshi, 2021. PV based shunt active harmonic filter for
power quality improvement, in Proceedings - IEEE 2021 International Conference on Computing, Communication, and
Intelligent Systems, ICCCIS 2021, Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., Feb. 2021, pp. 905–910. doi:
10.1109/ICCCIS51004.2021.9397214.
[5]. N. D. Tuyen and G. Fujita, 2015. PV-Active Power Filter Combination Supplies Power to Nonlinear Load and
Compensates Utility Current, IEEE Power and Energy Technology Systems Journal, vol. 2, pp. 32–42, 2015, doi:
10.1109/JPETS.2015.2404355.
[6]. P. Heckbert, 1995. Fourier Transforms and the Fast Fourier Transform (FFT) Algorithm.