Triệt tiêu thành phần một chiều của dòng điện nối lưới cho bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời

, điều khiển phát hiện dòng điện một 
chiều và phát hiện điện áp một chiều bơm vào lưới 
điện. Giải pháp chặn dòng điện DC bằng tụ điện là 
sử dụng một tụ điện nối liền giữa bộ nghịch lưu và 
lưới điện [6]. Nhưng giải pháp này có nhược điểm 
là đòi hỏi một tụ điện cồng kềnh, tốn kém và có thể 
gây thêm tổn thất. [7] đã trình bày một giải pháp 
để chặn dòng điện một chiều bằng cách sử dụng tụ 
điện ảo, tuy nhiên, phản ứng động của hệ thống điều 
khiển vòng kín bị ảnh hưởng bởi nó. Giải pháp điều 
khiển phát hiện dòng điện sử dụng cảm biến dòng 
để phát hiện dòng điện DC bơm vào lưới, nhưng 
hiệu quả của nó bị hạn chế bởi độ chính xác của 
cảm biến do đặc tính zero trôi đáng kể của cảm biến 
dòng hiệu ứng Hall. Để giải quyết vấn đề trôi tại 
điểm zero, một bộ nghịch lưu tự động hiệu chỉnh đã 
được Armstrong đề xuất [8]. Tuy nhiên, giải pháp 
này phức tạp hơn do yêu cầu xác định trạng thái 
chuyển đổi của cầu H để đo độ trôi zero vốn có của 
hệ thống.
Trong bài báo này, tác giả đầu tiên đi tiến hành 
xây dựng sơ đồ khối và xác định hàm truyền đạt 
của dòng điện đầu ra bộ nghịch lưu, từ đó phân tích 
nguyên nhân và đưa ra giải pháp để loại bỏ sự xuất 
hiện của thành phần DC ở dòng điện đầu ra. Cuối 
cùng kết quả thực nghiệm được trình bày để chứng 
minh sự đúng đắn của giải pháp đề xuất.
2. Sơ đồ cấu trúc của bộ nghịch lưu NLMT một 
pha nối lưới
Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ nghịch lưu 
NLMT một pha nối lưới không cách ly kiểu 2 tầng 
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology26 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019
được trình bày như trên Hình 1. Tầng phía trước 
hay chính là mạch điện tăng áp DC-DC, nó có chức 
năng dựa vào giá trị dòng điện iPV và điện áp u
PV
 đo 
được từ mảng PV để thực hiện điều khiển bám điểm 
công suất cực đại (Maximum Power Point Tracking 
– MPPT). Tầng phía sau là mạch nghịch lưu kiểu 
cầu H, và ở đây tác giả lựa chọn mạch vòng điện áp 
một chiều và mạch vòng dòng điện xoay chiều để 
điều khiển. Trong đó, mạch vòng bên ngoài thông 
qua điện áp một chiều đo được tại hai đầu của tụ 
điện là u
dc
 để thực hiện cân bằng năng lượng điện 
giữa đầu vào và đầu ra, mạch vòng bên trong kiểm 
soát sự cùng pha và cùng tần số giữa điện áp lưới 
điện u
g
 và dòng điện hòa lưới i
g
 nhằm đạt được hệ 
số công suất bằng 1.
Hình 1. Sơ đồ cấu trúc phần cứng của bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời một pha nối lưới không cách ly
a)
b)
Hình 2. Sơ đồ khối của hai vòng điều khiển phản hồi điện áp và dòng điện
3. Phân tích thành phần DC của dòng điện kết 
nối lưới
3.1. Hàm truyền đạt của dòng điện i
g
Hai vòng điều khiển phản hồi kín dòng điện 
và điện áp được sử dụng rất rộng rãi trong chiến 
lược điều khiển kết nối lưới. Hình 2(a) và Hình 2(b) 
tương ứng là sơ đồ khối điều khiển của vòng phản 
hồi điện áp bên ngoài và vòng phản hồi dòng điện 
bên trong. 
Trong Hình 2(a), giá trị điện áp sai lệch 
U U Udc
err
dc dc
ref= - đưa tới đầu vào bộ điều khiển điện 
áp G
u
(s); sau đó tín hiệu từ đầu ra của bộ điều khiển 
này là biên độ tham chiếu của dòng điện nối lưới 
được nhân với tín hiệu góc pha của điện áp lưới 
là sini từ đầu ra khối vòng khóa pha (PLL, Phase 
Locked Loop), nhằm tạo ra giá trị đặt tức thời của 
dòng điện kết nối lưới i (t) I ×sing
ref
g
ref i= . Tại vòng 
lặp dòng điện, tín hiệu đầu ra là dòng điện được kết 
nối lưới i
g
(t) có cùng pha và cùng tần số với điện áp 
lưới, sau khi đưa vào mạch cầu H thì sẽ thu được 
dòng điện một chiều i
dc
 ở đầu ra. 
Hình 2(b) là sơ đồ vòng lặp dòng điện, trong 
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019 Journal of Science and Technology 27
đó i (t) I ×sing
ref
g
ref i= là giá trị đặt tức thời của dòng 
điện nối lưới; G
i
(s) thể hiện hàm truyền đạt của bộ 
điều khiển dòng điện; G
H
(s) là hàm truyền đạt của 
mạch cầu H; GF(s) là hàm truyền đạt của khâu phản 
hồi điện áp lưới. Thông qua quá trình biến đổi, ta 
thu được hàm truyền đạt của dòng điện xoay chiều 
nối lưới như sau:
( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
( ) ( )
( ) ( ) ( )
s
s s
s s s
s s
s s s
I
Ls r G G
G G ×I
Ls r G G
G G 1 U
g
i H
i H g
r
I H
F H g
= + + + + +
-7 A
(1)
Từ biểu thức (1) thấy rằng, nếu 
1G s G sF H=_ _i i thì có thể loại bỏ ảnh hưởng 
của điện áp lưới U
g
(s) tới dòng điện đầu ra thông 
qua phương thức thực hiện bù điện áp lưới. Khi 
đó, dòng điện đầu ra I
g
(s) chỉ liên quan đến dòng 
điện tham chiếu I sg
r _ i. Trong kỹ thuật điều khiển 
số của bộ nghịch lưu nối lưới, dòng điện tham 
chiếu là sóng hình sin chuẩn do DSP (Digital Signal 
Controller) cung cấp, vì vậy ở trường hợp lý tưởng 
nhất thì trong dòng điện nối lưới sẽ không tồn tại 
thành phần dòng điện DC.
3.2. Phân tích thành phần DC của dòng điện kết 
nối lưới
Từ phân tích trong mục 3.1 có thể thấy rằng, 
với dòng điện tham chiếu là sóng hình sin tiêu 
chuẩn thì dòng điện đầu ra sẽ không tồn tại thành 
phần DC ở trường hợp lý tưởng. Tuy nhiên, do tồn 
tại độ lệch “Không” ở khâu đo lường của các cảm 
biến dòng điện, cảm biến điện áp; đồng thời do sự 
đóng cắt không đồng thời của các van công suất, 
vì vậy rất khó tránh khỏi sự có mặt thành phần DC 
trong dòng điện nối lưới. Hình 3 là sơ đồ vòng lặp 
dòng điện khi xem xét tới các yếu tố gây ra sự xuất 
hiện của thành phần DC. Trong đó, hàm truyền đạt 
của mạch nghịch lưu cầu H được coi như một khâu 
tỉ lệ, tức là: G
H
(s)=K
H
Tín hiệu up
* biểu thị thành phần một chiều xuất 
hiện do sự đóng cắt không đồng thời của các van 
công suất trong mạch cầu H; tín hiệu uw
* là thành 
phần một chiều tồn tại trong điện áp lưới và ie
* biểu 
thị lượng sai lệch xuất hiện ở khâu lấy mẫu dòng 
điện. Xem xét tới các thành phần DC khác nhau, bộ 
điều khiển dòng điện sử dụng là bộ điều chỉnh PI và 
có hàm truyền đạt như sau:
G s K s
K
i P
(i) I
(i)
= +_ i (2)
Xét tới sự ảnh hưởng của các thành phần DC 
khác nhau và coi dòng điện tham chiếu là sin chuẩn, 
ta thu được hàm truyền đạt của dòng điện đầu ra bộ 
nghịch lưu như sau:
I (s)
L.s r K .K s K .K
s.U (s) s.U (s) .K K .s K .K .I (s)
g 2
P
(i)
H I
(i)
H
w
*
p
*
H P
(i)
I
(i)
H e
*
=
+ + +
+ +-
7
7
A
A
(3)
Hình 3. Sơ đồ khối vòng lặp dòng điện bao gồm các 
thành phần một chiều
Hình 4. Đồ thị Bode của dòng điện đầu ra xét tới sự 
ảnh hưởng của các thành phần DC khác nhau
Đồ thị Bode của dòng điện đầu ra khảo sát tới 
sự ảnh hưởng độc lập của các thành phần DC khác 
nhau được trình bày trên Hình 4. Trong đó, K
H
=400; 
L = 5 mH; r = 5 mX; K 0,025P
(i) = ; K 100I
(i) = .
Từ Hình 4 có thể thấy rằng, với bộ điều khiển 
dòng điện lựa chọn là bộ điều chỉnh PI, thì thành 
phần nhiễu DC của 2 yếu tố ảnh hưởng là up
* và uw
* 
sẽ bị suy giảm khi truyền tới cuối đầu ra; và uw
* nói 
chung có ảnh hưởng không đáng kể nên có thể bỏ 
qua; trong khi đó ie
* không có bất kỳ sự suy hao nào. 
Do đó, có thể kết luận rằng thành phần DC trong 
dòng điện xoay chiều đầu ra bộ nghịch lưu chủ yếu 
gây ra bởi độ lệch “Không” của giá trị lấy mẫu dòng 
điện, và biên độ của thành phần DC trong dòng điện 
đầu ra giống như phần bù DC của kênh phản hồi 
nhưng ngược pha.
Vì vậy, thông qua phân tách thành phần DC 
của dòng điện đầu ra là có thể loại bỏ thành phần 
DC của hệ thống.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology28 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019
3.3. Phương án đề xuất triệt tiêu thành phần DC 
của dòng điện nối lưới
Hình 5. Sơ đồ khối của vòng lặp dòng điện với quá 
trình phân tách thành phần DC
Để triệt tiêu thành phần DC, trước tiên sử 
dụng mạch lọc thông thấp để phân tách thành phần 
DC của dòng điện đầu ra, sau đó tiến hành vòng lặp 
điều khiển kín đối với thành phần DC đã phân tách 
ở đầu ra. Sơ đồ khối của vòng lặp dòng điện với 
quá trình phân tách thành phần DC được thể hiện 
trên Hình 5. Trong đó hàm truyền đạt của mạch lọc 
thông thấp để phân tách thành phần DC được thể 
hiện trong biểu thức sau:
G s
R.C.s 1
K
0,306.s 1
100
D
D= + = +_ i (4)
Ngoài ra, để giảm thành phần DC do sai lệch 
trong quá trình lấy mẫu thì trong chương trình điều 
khiển chức năng hiệu chỉnh điểm “Không” sẽ được 
khởi động; mỗi lần bật nguồn, phần bù sai lệch của 
kênh đo tín hiệu thành phần DC và kênh đo tín hiệu 
dòng điện xoay chiều sẽ được đo lường trước khi 
thực hiện nối lưới. Thêm nữa, để giảm thành phần 
DC gây ra bởi sự trôi của giá trị lấy mẫu điện áp thì 
trong thực nghiệm bộ lọc thông cao sẽ được sử dụng 
để lọc các giá trị được lấy mẫu. Và trong khi loại bỏ 
sự trôi của quá trình lấy mẫu điện áp, đặc tính sớm 
pha của bộ lọc thông cao sẽ bù cho độ trễ pha của 
vòng lặp dòng điện, làm tăng hệ số công suất của 
dòng điện đầu ra. Hàm truyền của bộ lọc thông cao 
được thể hiện ở biểu thức (5):
 G s
s 20
s
HF = +_ i (5)
Lúc này, góc pha được bù bởi bộ lọc thông cao 
là khoảng 10 đến 1,50.
4. Thực nghiệm và đánh giá kết quả
4.1. Các thông số thực nghiệm chính
Mảng quang điện thực hiện trong thực nghiệm 
là bộ thiết bị mô phỏng quang điện CHROMA-
2150H và công suất tối đa của bộ nghịch lưu là 1500 
W; giá trị cuộn cảm trong mạch tăng áp BOOST là 
L
b
 = 2 mH và van bán dẫn được lựa chọn là IGBT 
loại IKW75N60T. Tính toán và lựa chọn tụ điện kết 
nối giữa mạch tăng áp BOOST và mạch nghịch lưu 
có giá trị là C 2400 Fdc n= , cuộn cảm lọc đầu ra 
mạch nghịch lưu L = 5mH, mô đun IGBT cầu H thực 
hiện nhiệm vụ nghịch lưu là F4-50R06W1E3 và lựa 
chọn chip vi điều khiển DSP TMS320F28335. 
4.2. Kết quả thực nghiệm
Hình 6(a) và Hình 6(b) tương ứng là dạng 
sóng điện áp lưới và dòng điện đầu ra mạch nghịch 
lưu nối lưới với trường hợp đầy tải và non tải. Từ 
kết quả dễ dàng kết luận rằng, góc lệch pha giữa 
dòng điện đầu ra mạch nghịch lưu nối lưới luôn 
luôn đồng pha với điệp áp lưới.
(a) Trường hợp với công suất tải là 485 W
(b) Trường hợp với công suất tải là 1492 W
Hình 6. Kết quả thực nghiệm
Để đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất, 
trong thực nghiệm đã sử dụng thiết bị phân tích chất 
lượng điện năng PW3198 để tiến hành kiểm tra chất 
lượng dòng điện đầu ra mạch nghịch lưu nối lưới. 
Kết quả thể hiện trong Bảng 1.
Bảng 1 trình bày kết quả đo độ méo sóng hài 
THD, hệ số công suất và thành phần dòng điện một 
chiều bơm vào lưới của dòng điện đầu ra mạch 
nghịch lưu nối lưới trong các trường hợp công suất 
tải khác nhau khi không và có sử dụng giải pháp 
đề xuất. Kết quả chỉ ra rằng, giải pháp đề xuất có 
hiệu quả trong việc triệt tiêu thành phần một chiều 
của dòng điện nối lưới. Thêm nữa, trong tất cả các 
trường hợp hệ số công suất của thiết bị luôn lớn hơn 
0,999, thành phần DC luôn nhỏ hơn 0,5% và chỉ số 
THD luôn nhỏ hơn 5% khi công suất tải lớn hơn 
30% công suất định mức.
ISSN 2354-0575
Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019 Journal of Science and Technology 29
Bảng 1. Thông số chất lượng điện năng với công suất tải thay đổi
trong trường hợp không và có sử dụng giải pháp đề xuất
P(W)
THD (%) PF (%) DC (%)
Không sử 
dụng giải 
pháp đề xuất
Sử dụng 
giải pháp đề 
xuất
Không sử 
dụng giải 
pháp đề xuất
Sử dụng 
giải pháp đề 
xuất
Không sử 
dụng giải 
pháp đề xuất
Sử dụng 
giải pháp đề 
xuất
295 8,56 6,47 99,25 99,98 -0,75 -0,2
369 7,42 5,26 99,18 99,98 -0,69 -0,14
485 7,08 4,39 99,15 99,97 -0,63 -0,17
660 6,55 3,27 99,14 99,97 -0,58 -0,11
740 5,80 3,02 99,12 99,96 -0,56 -0,08
835 5,34 2,72 98,56 99,96 -0,45 -0,12
932 4,67 2,59 98,25 99,95 -0,41 -0,07
1065 4,32 2,46 98,24 99,95 -0,39 -0,13
1210 4,15 2,20 98,11 99,95 -0,28 -0,02
1305 4,03 2,01 97,78 99,95 -0,32 -0,09
1379 3,89 1,94 97,63 99,95 -0,25 -0,07
1492 3,86 1,86 97,50 99,95 -0,25 0,01
5. Kết luận
(1) Trong kỹ thuật điều khiển số với bộ nghịch 
lưu, độ lệch “Không” của giá trị lấy mẫu là nguyên 
nhân chính gây ra sự xuất hiện của thành phần DC 
trong dòng điện nối lưới;
(2) Với vòng lặp dòng điện sử dụng bộ điều 
chỉnh PI, nó thể lọc nhiễu DC một cách hiệu quả 
nhưng không thể loại bỏ sự trôi DC của kênh phản 
hồi dòng điện;
(3) Bằng cách thêm khâu phân tách thành 
phần DC của dòng điện nối lưới, sau đó tiến hành 
vòng lặp điều khiển kín đối với thành phần DC đã 
phân tách, từ đó sẽ triệt tiêu có hiệu quả thành phần 
DC ở dòng điện nối lưới.
Tài liệu tham khảo
[1]. Kerekes, T., Teodorescu, R., Rodriguez, P., Vazquez, G., and Aldabas, E., A New High-Efficiency 
Single-Phase Transformerless PV Inverter Topology. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 
2011, 58, pp. 184-191.
[2]. Infield, D. G., Onions, P., Simmons, A. D. and Smith, G. A., Power quality from multiple grid-
connected single-phase inverters. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004, 19, pp. 1983-1989.
[3]. Blewitt, W. M., Atkinson, D. J., Kelly, J. and Lakin, R. A., Approach to low-cost prevention of 
DC injection in transformerless grid connected inverters. IET Power Electronics, 2010, 3, pp. 111-119.
[4]. AS 4777.2, Grid connection of energy system via inverters Part 2: inverter requirements Australia. 
2002.
[5]. IEEE 929-2000, IEEE Recommended Practice for Utility interface of photovoltaic (PV) Systems, 
3 April, 2000.
[6]. González, R., López, J., Sanchis, P. and L. Marroyo, Transformerless inverter for single-phase 
photovoltaic systems. IEEE Trans. Power Electron., 2007, no. 2, pp. 693-697. 
[7]. Guo, X., Wu, W., Herong, W. and G. San, DC injection control for grid-connected inverters based 
on virtual capacitor concept. Proc. IEEE Electrical Machines and Systems Conf., Wuhan, China, 
2008, pp. 2327-2330.
[8]. Armstrong, M., Atkinson, D. J. C., Johnson, M. and T. D. Abeyasekera, Auto-calibrating DC 
link current sensing technique for transformerless, grid connected, H-Bridge inverter systems. IEEE 
Trans. Power Electron, 2006, 5, pp. 1385-1393.
ISSN 2354-0575
Journal of Science and Technology30 Khoa học & Công nghệ - Số 23/Tháng 9 - 2019
SUPPRESSION OF THE DC COMPONENT IN GRID INJECTION CURRENT
FOR PHOTOVOLTAIC GRID-TIED INVERTERS
Abstract:
This work deals with identifying the main causes of DC component appearance by analyzing the 
relationship between the DC component in grid injection current and the deviation existing in sampling 
value of AC voltage and AC current. Then the DC component is separated through a low-pass filter circuit. 
The DC component is eliminated by an appending closed-loop control. Simultaneously, a high pass filter 
(HPF) is introduced to filter sampling voltage value, which suppressed the deviation of the sampling 
voltage value. In addition, the phase delay existing in the current loop, which improves the power factor, 
will be compensated by the phase leading of the HPF. Eventually, the effectiveness of the proposed method 
is verified through the test of the total harmonic distortion (THD) index, the power factor, and the DC 
component index of the grid-injection current under different load conditions.
Keywords: Grid-tied inverter; DC component; Harmonics; Low pass filter.