Phân tích, đánh giá và giảm thiểu sóng hài trong lưới điện khi có kết nối hệ thống pin năng lượng mặt trời

AC, 
ào s
ện từ điện cảm L v

2
ện áp định mức tại điểm đặt tụ.
ệc áp dụng các b
ện 
ấp, nh
V

ự t
ức sau [5
. P
. 
0 
ư
à kh
 i
. 
ương quan gi
đ
. Vđ

là t
ới điện để có thể kết nối hệ thống PV một 
ư
ả năng lọc hiệu quả. 
ưu. B
r (current ripple); gi
à t
ưng cu

ần số định mức l
ớc m
ổn thất c
-
à ch
ộ lọc n
ộn cảm c
ược xác định bởi công thức [5
fsw
àng l
7]: 
 hệ
ài th
u
 là t
ữa công suất phản kháng trong 
ớn, công suất phản kháng chảy 
à các chuy
K
 thố
. 
iện pháp để giới hạn sóng h
ụ động l
ức năng của nó l
ày ch
ộn dây. 
ần số chuyển mạch của van 
ỹ thuật điều khiển & Điện tử
ng pin năng lư
àng l
ư
ỉ cho phép sóng h
ữa tổn thất do chuyển 
ược chọn trong khoảng 
ới điện, P
à m
 ir 
ớn, dẫn đến tổn thất 
ển mạch c
ột ph
ược lựa chọn theo 
càng nh
ên cu
ợ
à cho m
đm 
ng m
ương pháp 
ỏ, tổn thất 
àng nhi
ộn cảm L. 
là công su
ặt trời.
ột dải 
ài có 
-7]:
(10)
”
ài 
à 
ài 
ưu 
(9)
ều. 
ất 
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, 6 - 2020 91
3. MÔ PHỎNG HỆ THỐNG PV NỐI LƯỚI 
Mô hình hệ thống PV kết nối lưới trong phần mềm Matlab/Simulink được giới thiệu 
trong hình 8. Đây là mô hình được thiết kế dựa trên cơ sở lý thuyết trình bày ở phần 2 của 
bài báo với công suất hệ thống PV là 100 kW, điện áp đầu ra của bộ DC-DC là 500V, điện 
áp đầu ra của bộ DC-AC là 260V. 
Hình 8. Mô hình hệ thống PV nối lưới điện đơn giản. 
Để đánh giá ảnh hưởng sóng hài của hệ thống PV nối lưới, tác giả xem xét hai trường 
hợp với hai lưới điện khác nhau. Trường hợp thứ nhất kết nối hệ thống PV vào nguồn công 
suất vô cùng lớn (hình 8). Trường hợp thứ hai là kết nối các hệ thống PV vào lưới điện 
IEEE-13 nút như hình 9 [12]. Với mỗi trường hợp, tác giả tiến hành mô phỏng khi không 
có bộ lọc và khi có bộ lọc và so sánh chỉ số THDv. 
Tác giả đã mô hình hoá các phần tử lưới điện trong phần mềm Matlab/Simulink. Sau 
đó, các mô phỏng với nhiều kịch bản xâm nhập PV khác nhau được thực hiện. 
Hình 9. Lưới điện IEEE-13 nút. 
3.1. Đánh giá ảnh hưởng của hệ thống PV đến chỉ số THDv trong lưới điện 
3.1.1. Trường hợp 1: Kết nối hệ thống PV vào lưới điện đơn giản 
Trong trường hợp này, lưới còn có các thành phần sóng hài bậc cao với tổng độ biến 
dạng sóng hài điện áp là 5,01% (hình 10), vượt quá giới hạn cho phép [2-4]. Điều này là 
do khi kết nối nguồn PV vào lưới, trong hệ thống PV có các bộ biến độ điện tử công suất 
tạo ra sóng hài và làm cho tăng độ méo sóng hài trong lưới. 
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
L. Đ. Tùng, N. Q. Minh, “Phân tích, đánh giá  hệ thống pin năng lượng mặt trời.” 92 
Hình 10. Phân tích biến đổi Fourier FFT ( Fast Fourier Transform) điện áp trong lưới 
điện (trường hợp 1). 
3.1.2. Trường hợp 2: Kết nối các hệ thống PV vào lưới điện IEEE-13 nút 
Hình 11. Mô hình hoá lưới điện IEEE-13 nút và các nguồn PV trong Matlab/Simulink. 
Lưới điện IEEE- 13 nút gồm: 2 nút nguồn, 7 phụ tải với cấp điện 13,8kV, tổng công 
suất phụ tải là 9280 kW (hình 9). Đây là lưới điện chuẩn do IEEE nghiên cứu xây dựng, 
dùng để chuyên nghiên cứu tác động của các nguồn gây ra sóng hài [12]. Căn cứ vào số 
liệu trong [12], tác giả đã xây dựng lưới điện IEEE-13 nút trong phần mềm 
Matlab/Simulink (hình 11). 
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.129e+04 , THD= 5.01%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, 6 - 2020 93
Trong nghiên cứu này, các nguồn PV được xem xét đặt ở nút điện áp cao 13,8kV như 
nút 6, 9 và 11 và tại nút điện áp thấp 0,4kV (nút 2). Nguồn PV kết nối vào nút 2 được mô 
phỏng như hệ thống PV đặt tại nhà dân, phục vụ cho nhu cầu năng lượng của hộ gia đình. 
Kết nối lưới cho phép mô hình năng lượng này hoạt động linh hoạt hơn (có thể bán điện 
lại cho công ty điện khi thừa), thúc đẩy thị trường đầu tư, sử dụng PV trong tư nhân, trong 
các hộ gia đình. 
Để có thể nghiên cứu đánh giá tác động của sóng hài khi kết nối PV vào lưới IEEE 13 
nút một cách toàn diện, tác giả đề xuất 5 kịch bản sau: 
- Kịch bản 1: Không kết nối PV vào lưới điện. 
- Kịch bản 2: Một nguồn PV 100kW được lắp tại nút 6. 
- Kịch bản 3: Một nguồn PV 100kW được lắp đặt tại nút 6, một nguồn PV 
100kW được lắp tại nút 11. 
- Kịch bản 4: Một nguồn PV 100kW được lắp tại tại nút 6, một nguồn PV 
100kW được lắp tại nút 11, một nguồn PV 100kW được lắp tại nút 9. 
- Kịch bản 5: Một nguồn PV 100kW được lắp tại nút 6, một nguồn PV 100kW 
được lắp tại nút 11, một nguồn PV 100kW được lắp tại nút 9, một nguồn PV 
100kW được lắp tại nút 2 (hình 12). 
 Kết quả của THDv tại nút 3, 6, 9 và 2 cho các trường hợp được thể hiện trong bảng 1. 
a) Nút 2: THDv = 4,16%. 
b) Nút 3: THDv = 3,4%. 
c) Nút 6: THDv = 3,41% 
d) Nút 9: THDv = 3,41% 
Hình 12. Phân tích biến đổi Fourier FFT các sóng điện áp ở kịch bản 5 (trường hợp 2). 
Kết quả ở bảng 1 cho thấy rằng khi tỷ trọng công suất PV tăng lên, chỉ số THDv tại các 
nút trong lưới điện cũng tăng lên đáng kể. Cấp điện áp của vị trí đặt nguồn PV cũng có tác 
động đến biến dạng sóng hài điện áp. Khi nguồn PV được đặt tại thanh cái cùng cấp điện 
áp cao như nút 6, 9 và 11, kết quả cho thấy những biến dạng sóng hài điện áp tại các nút 
xấp xỉ nhau. Tuy nhiên, khi có nguồn PV được đặt tại nút điện áp thấp, chẳng hạn như nút 
2, thì giá trị THDv tại nút đó sẽ tăng nhiều sơn so với các nút điện áp cao. Các kết quả đã 
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.057e+04 , THD= 4.16%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.099e+04 , THD= 3.40%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.099e+04 , THD= 3.41%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.5
1
1.5
2
2.5
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.099e+04 , THD= 3.41%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
L. Đ. Tùng, N. Q. Minh, “Phân tích, đánh giá  hệ thống pin năng lượng mặt trời.” 94 
chứng minh rằng vị trí của nguồn PV tại nút điện áp cao có thể giảm thiểu tác động của 
biến dạng sóng hài điện áp trong hệ thống điện [3, 4]. 
Bảng 1. Kết quả tính toán THDv cho các kịch bản (trường hợp 2). 
Kịch bản 
mô phỏng 
Nút 2 Nút 3 Nút 6 Nút 9 Nút 11 
Kịch bản 1 0.04% 0.04% 0.04% 0.04% 0.04% 
Kịch bản 2 0,93% 0,94% 0,94% 0,94% 0,94% 
Kịch bản 3 1,83% 1,85% 1,85% 1,85% 1,85% 
Kịch bản 4 2,69% 2,72% 2,72% 2,72% 2,72% 
Kịch bản 5 4,16% 3,4% 3,41% 3,41% 3,41% 
3.2. Đánh giá chỉ số THDv khi có bộ lọc sóng hài 
Áp dụng các công thức (9) và (10), ta xác định thông số một bộ lọc LC: Cuộn cảm L = 
0,5mH, điện dung C=140,72 F và tần số cộng hưởng fr=600Hz. 
Bộ lọc thông thấp này được đặt ở đầu ra bộ DC/AC khi kết nối hệ thống PV vào lưới 
điện. 
Hình 13. Phân tích biến đổi Fourier FFT điện áp lưới điện khi có bộ lọc (Trường hợp 1). 
Hình 13 là kết quả phân tích biến đổi Fourier FFT điện áp lưới khi có bộ lọc trong trường 
hợp kết nối hệ thống PV vào lưới điện đơn giản (trường hợp 1). Chúng ta nhận thấy chỉ số 
THDv chỉ còn 1,45%. Như vậy, việc sử dụng bộ lọc là có tác dụng và thực sự cần thiết khi 
xem xét các dự án phát triển các nguồn năng lượng mặt trời sử dụng pin quang điện. 
Tiếp tục nghiên cứu với lưới điện IEEE-13 nút, các kịch bản mô phỏng được thực hiện 
như mục 3.1.2. Kết quả phân tích biến đổi Fourier (FFT) sóng điện áp tại các nút quan 
trọng được thể hiện trong hình 14. Bảng 2 là kết quả THDv cho 4 kịch bản. 
Bảng 2. Kết quả tính toán THDv cho các kịch bản (Khi có bộ lọc). 
Kịch bản Nút 2 Nút 3 Nút 6 Nút 9 Nút 11 
Kịch bản 2 0,15% 0,15% 0,15% 0,15% 0,15% 
Kịch bản 3 0,29% 0,29% 0,29% 0,29% 0,29% 
Kịch bản 4 0,43% 0,43% 0,43% 0,43% 0,43% 
Kịch bản 5 1,34% 0,56% 0,56% 0,56% 0,56% 
So sánh kết quả chỉ số THDv trong bảng 2 và bảng 1 cho chúng ta thấy hiệu quả của 
việc sử dụng bộ lọc sóng hài. Bộ lọc đã giúp giảm thiểu rất nhiều độ méo sóng hài trong hệ 
thống điện có sự kết nối hệ thống PV. 
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.128e+04 , THD= 1.45%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
Nghiên cứu khoa học công nghệ 
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 67, 6 - 2020 95
a) Nút 2: THDv = 1,34%. 
b) Nút 3: THDv = 0,56%. 
c) Nút 6: THDv = 0,56% 
d) Nút 9: THDv = 0,56% 
Hình 14. Phân tích biến đổi Fourier FFT các sóng điện áp ở kịch bản 5 (Khi có bộ lọc). 
Ở kịch bản 5, khi nguồn PV chiếm tới 4% tổng công suất phụ tải trong đó có một 
nguồn kết nối ở điện áp thấp, thì độ méo sóng hài vẫn được hạn chế ở giá trị thấp (hình 
14). Trong tương lai, khi công nghệ điện năng lượng mặt trời phổ biến hơn, nguồn PV 
được sử dụng rộng rãi, công suất phát tăng cao thì các bộ lọc sẽ góp phần quan trọng trong 
việc hạn chế độ méo sóng hài điện áp trong hệ thống điện. 
4. KẾT LUẬN 
Bài báo đã giới thiệu mô hình hệ thống PV kết nối lưới điện. Các phần tử của hệ thống: 
tế bào quang điện, bộ biến đổi DC-DC, bộ tìm điểm công suất cực đại MPPT, bộ nghịch 
lưu và bộ lọc thông thấp LC được nghiên cứu và trình bày dưới mô hình toán học cụ thể. 
Để đánh giá chỉ số THDv của lưới điện khi kết nối các nguồn PV, mô hình lưới điện chuẩn 
IEEE-13 nút được xây dựng trong phần mềm Matlab/Simulink. Kết quả mô phỏng với 
nhiều kịch bản, với mức độ thâm nhập của PV khác nhau, tại nhiều cấp điện áp đã minh 
chứng được ảnh hưởng gây ra sóng hài, làm méo sóng điện áp của hệ thống PV là rất lớn, 
đặc biệt khi kết nối vào cấp điện áp thấp. Ngoài ra, bài báo cũng đã đề xuất sử dụng bộ lọc 
thông thấp LC và minh chứng được tác dụng và khả năng của nó. Phân tích, đánh giá ảnh 
hưởng sóng hài của lưới điện do hệ thống kết nối nhiều nguồn năng lượng tái tạo khác 
nhau (pin mặt trời, điện gió) sẽ tiếp tục được đầu tư nghiên cứu. 
Lời cảm ơn: Tác giả cảm ơn sự hỗ trợ mô phỏng, tính toán của sinh viên Đổng Quí Cường và 
sinh viên Nguyễn Quang Thắng (trường ĐHBK Hà Nội). 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. Quyết định số 1208/QĐ – TTg ngày 21/7/2011 của Thủ tướng Chính phủ phê duyệt 
quy hoạch phát triển điện lực quốc gia gia đoạn 2011 – 2020 có xét đến 2030. 
[2]. IEEE Std 519-1992, "IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic 
Control in Electrical Power Systems," IEEE, New York, 1993. 
[3]. A. F. Abdul Kadir, A. Mohamed and H. Shareef, “Harmonic impact of Different 
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.055e+04 , THD= 1.34%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.099e+04 , THD= 0.56%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.099e+04 , THD= 0.56%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000
0
0.05
0.1
0.15
0.2
0.25
0.3
Frequency (Hz)
Fundamental (60Hz) = 1.099e+04 , THD= 0.56%
M
a
g
 (
%
 o
f 
F
u
n
d
a
m
e
n
ta
l)
Kỹ thuật điều khiển & Điện tử 
L. Đ. Tùng, N. Q. Minh, “Phân tích, đánh giá  hệ thống pin năng lượng mặt trời.” 96 
Distributed Generation Units on Low Voltage Distribution System,” IEEE 
International Electric Machines & Drives Conference, (2011), pp.1201-1206. 
[4]. Farhoodnea, Masoud & Mohamed, Azah & Shareef, Hussain & Zayandehroodi, 
Hadi, “Power quality impact of grid-connected photovoltaic generation system in 
distribution networks,” IEEE Student Conference on Research and Development 
(2012), pp. 1-6. 
[5]. M. Azri and N. A. Rahim, "Design analysis of low-pass passive filter in single-phase 
grid-connected transformerless inverter," 2011 IEEE Conference on Clean Energy 
and Technology (CET), Kuala Lumpur, 2011, pp. 348-353. 
[6]. Hyosung Kim and Kyoung-Hwan Kim, "Filter design for grid connected PV 
inverters," 2008 IEEE International Conference on Sustainable Energy Technologies, 
Singapore, (2008), pp. 1070-1075. 
[7]. Wang, T.C.Y, Zhihong, Y., Sinha, G., and Yuan, X, “Output Filter Design for a 
Grid-interconnected Three- Phase Inverter,” Power Electronics Specialist 
Conference (2003), pp. 779-784. 
[8]. Đoàn Đức Tùng, Nguyễn Minh Nhất, “Hạn chế sóng hài từ nguồn năng lượng mặt 
trời qua việc sử dụng bộ lọc ứng dụng lý thuyết công suất tức thời kép,” Tạp chí 
KHCN – Đại học Đà Nẵng, 11(132), (2018), trang: 92-96. 
[9]. F. Zheng, M. Ding and J. Zhang, "Modelling and simulation of grid-connected PV 
system in DIgSILENT/powerfactory," 2nd IET Renewable Power Generation 
Conference (RPG 2013), Beijing, 2013, pp. 1-6. 
[10]. M. A. G. de Brito, L. P. Sampaio, G. Luigi, G. A. e Melo and C. A. Canesin, 
"Comparative analysis of MPPT techniques for PV applications," 2011 International 
Conference on Clean Electrical Power (ICCEP), Ischia, 2011, pp. 99-104. 
[11]. A. Safari and S. Mekhilef, "Simulation and Hardware Implementation of Incremental 
Conductance MPPT With Direct Control Method Using Cuk Converter," in IEEE 
Transactions on Industrial Electronics, vol. 58, no. 4, pp. 1154-1161, April 2011. 
[12]. IEEE Task Force on Harmonics Modeling and Simulation, “Test systems for 
harmonics modeling and simulation”, IEEE Trans on Power Delivery, Vol. 14, No. 1 
(1999), pp. 579-587. 
ABSTRACT 
ANALYSIS, ASSESSMENT AND MITIGATION OF HARMONIC DISTORTION 
IN THE GRID-CONNECTED PV SYSTEM 
 Photovoltaic power systems are becoming increasingly popular due to their 
advantages compared to traditional energy sources. But besides that, this system 
also causes negative effects on the electrical power system quality. In this paper, the 
author focuses on researching and evaluating the total voltage harmonic distortion 
THDv in the distribution grid connected PV system. Furthermore, the paper 
presents a solution for eliminating high harmonic waves, by the LC filter. The study 
has carried out by the model of the PV system and the grid of the IEEE-13 node 
built on the Matlab/Simulink software. The simulated results show the accuracy and 
practicality of the research. 
Keywords: Electrical and electronic engineering; Electrical engineering; Grid-connected PV system; 
Harmonics in the electrical power system. 
Nhận bài ngày 16 tháng 08 năm 2019 
Hoàn thiện ngày 06 tháng 11 năm 2019 
Chấp nhận đăng ngày 12 tháng 6 năm 2020 
Địa chỉ: Bộ môn hệ thống điện, viện Điện, trường ĐHBK Hà Nội. 
 *Email: tung.leduc1@hust.edu.vn.