Xây dựng mô hình của inverter có khả năng điều khiển công suất tác dụng và công suất phản kháng trong hệ thống điện mặt trời nối lưới khi xảy ra sự cố ngắn mạch

 V ướ (13) 


 

= 
⍵
 ⍵

 

+ 






 
ướ
ướ
  (14) 
Các phương trình tương đương là: 
V = V_ướ − ⍵LI ; V = V_ướ + ⍵LI (15) 
Do đó, điện áp tham chiếu là: 
V = V_ả ồ + V_ướ − ⍵LI  (16) 
V_ = V_ả ồ + ⍵LI (17) 
Các điện áp tham chiếu (ba pha) sau đó được so sánh 
với dạng sóng tam giác ở tần số không đổi để điều khiển 
các công tắc BẬT hoặc TẮT của bộ hòa lưới. 
Hình 7. Sơ đồ khối sơ đồ của PLL 
Sơ đồ điều khiển đã được thể hiện trong hình 8. Trong 
hình này, vòng khóa pha (PLL) giữ tín hiệu đầu vào tham 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 4 (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 34
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
chiếu với tín hiệu đầu ra được đồng bộ hóa theo bộ hòa 
lưới và pha. Cấu trúc PLL cơ bản nhất bao gồm một khối 
đầu đo pha để tạo một tín hiệu lỗi pha giữa tín hiệu đầu 
vào và tín hiệu đầu ra của PLL [12]. Hình 7 là sơ đồ khối sơ 
đồ của PLL. K và K được chọn trong mô hình này lần lượt 
là 0,16 và 2,51. Bộ điều khiển PI của điều khiển dòng được 
thiết kế theo cách tương tự với PLL với K và K là 9,701 và 
2405, tương ứng. 
Dựa vào những công thức trên có thể phân tích được 
trong trường hợp sự cố ngắn mạch, việc điểu khiển tăng 
giảm công suất phản kháng và công suất tác dụng sẽ ảnh 
hưởng đến lưới điện. Vì công suất tác dụng phụ thuộc vào 
I hiện tại, do đó, để cung cấp công suất thực cho lưới điện, 
I phải được điều chỉnh để tuân theo tín hiệu tham chiếu 
được chỉ định I_, công suất phản kháng vào lưới được 
đặt thành 0. Do đó I_ = 0. Điện áp và dòng điện hiện tại 
V và I của các mảng PV được sử dụng để tính toán đầu 
ra công suất tác dụng của bộ hòa lưới cung cấp cho lưới 
điện. Đối với hệ số công suất đồng nhất, lệnh I_ được 
đặt thành 0. 
Hình 8. Mô hình chi tiết hệ thống điều khiển 
Vậy khi xảy ra sự cố, điện áp sẽ giảm xuống trong khi 
dòng điện lại tăng. Khi đó khả năng điều khiển P và Q của 
hệ thống cũng bị ảnh hưởng nhưng vẫn thực hiện được 
yêu cầu cung cấp công suất đưa lên lưới trong quá trình 
xảy ra sự cố. Sau khi tăng công suất phản kháng phát lên 
lưới thì điện áp tại điểm ngắn mạch được cải thiện và dòng 
điện ngắn mạch giảm, như vậy có thể thực hiện chức năng 
hỗ trợ vượt qua sự cố của inverter (Low Voltage Ride 
Through) giúp hệ thống điện tránh tan rã khi xảy ra sự cố, 
đặc biệt trong điều kiện tỷ trọng lớn các nguồn điện dùng 
inverter nối lưới. 
4. KẾT QUẢ MÔ PHỎNG 
Mô phỏng hoạt động trên hệ thống sử dụng các tầm 
pin năng lượng mặt trời gồm 22x250 module nối tiếp - 
song song được kết nối lại với nhau với thông số của hệ 
thống được cho trong bảng 1. Kết quả mô phỏng thực hiện 
dưới điều kiện môi trường tiêu chuẩn. Ta sẽ tiến hành mô 
phỏng trong 2 trường hợp và phân tích khả năng điều 
khiển công suất của inverter. Trường hợp đầu tiên là khi hệ 
thống hoạt động trong điều kiện lưới điện không có sự cố 
có xét đến sự thay đổi của bức xạ mặt trời và trường hợp 
thứ hai đánh giá khả năng điều khiển của hệ thống khi có 
sự cố ngắn mạch 3 pha chạm nhau xảy ra trên lưới. 
Bảng 1. Thông số kỹ thuật của hệ thống 
Thông số kĩ thuật của hệ thống 
Nhiệt độ 25oC 
Cường độ bức xạ 1000W/m2 
Công suất max của hệ thống pin 0,3MW 
Điện áp đầu ra DC-DC boost 1kV 
Điện áp dây hiệu dụng từ lưới 35kV 
Tần số 50Hz 
Điên cảm bộ lọc tích cực L =425.10-6 H 
Tụ liên kết DC-AC C =1950 .10-6 
Tần số đóng cắt IGBT 8kHz 
Máy biến áp Δ/y-0.6/35kV 560kVA 
Mô hình được mô phỏng trên phần mềm PSCAD. 
PSCAD rất phù hợp cho việc mô tả các hệ thống điều khiển, 
các bộ điện tử công suất. Do vậy việc xây dựng hệ thống 
mặt trời áp mái trên PSCAD sẽ giúp cho việc nghiên cứu các 
chế độ vận hành và điều khiển chính xác và thuận lợi. 
4.1. Vận hành bình thường 
Đồ thị thể hiện giá trị điện áp và dòng điện đầu ra của 
dàn pin mặt trời được trình bày ở hình 9. Giá trị điện áp và 
dòng điện của dàn pin sau khi hoạt động ổn định là 0,57kV 
và 0,53kA. Qua bộ tăng áp DC-DC, ta thu được đồ thị giá trị 
điện áp và dòng điện của hệ thống ở hình 10. 
Hình 9. Đồ thị điện áp và dòng điện đầu ra của hệ thống pin mặt trời 
Hình 10. Đồ thị điện áp và dòng điện đầu ra của bộ biến đổi tăng áp DC-DC 
Hệ thống điện mặt trời được tính toán có công suất 
phát vào khoảng 0,3MW. Bộ biến đổi tăng áp DC-DC theo 
đó được thiết kế có công suất lớn nhất là 0,5MW và điện áp 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 4 (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 35
đầu ra là 1kV. Ta có thể thấy rằng ở hình 10 điện áp đầu ra 
của bộ biến đổi DC-DC đạt giá trị 1kV sau khoảng thời gian 
2,5s từ khi hệ thống bắt đầu hoạt động và duy trì ổn định ở 
mức này. Giá trị dòng điện đo được từ bộ DC-DC là khoảng 
xấp xỉ 0,3kA. Sự hao tổn công suất từ dàn pin mặt trời qua 
bộ biến đổi tăng áp từ 0,57kV lên 1kV và qua inverter là 
khoảng 0,01MW 
Sau đó khi đi qua inverter ta thu được dạng sóng dòng 
điện và điện áp hình sin lần lượt ở hình 11 và 12. Tuy nhiên 
có thể thấy rõ dạng sóng dòng điện bị méo do sự ảnh 
hưởng của sóng hài gây ra bởi việc đóng cắt các van bán 
dẫn với tần số cao. 
Hình 11. Dạng sóng điện áp đầu ra inverter 
Hình 12. Dạng sóng dòng điện đầu ra inverter 
Để đánh giá tiêu chuẩn về yêu cầu tổng độ biến dạng 
sóng hài (THD%: Total Harmonic Distortion), hình 13 đưa ra 
dạng đồ thị thể hiện THD% của dòng điện và điện áp đầu 
ra inverter. Con số này được tính toán lần lượt ở mức 1,79% 
và 1,28% phù hợp với yêu cầu của Bộ Công Thương đưa ra 
trong Thông tư số 30/2019/TT-BCT cho hệ thống điện phân 
phối hạ áp. Có nhiều cách để cải thiện sóng hài dòng điện 
và điện áp của bộ inverter, điển hình là việc sử dụng máy 
biến áp dạng sao tam giác, các sóng hài dòng điện bội ba 
chạy trong cuộn dây phía nối sao sẽ có tổng đại số bằng 
không dẫn đến có thể giảm đáng kể loại biến dạng đơn lẻ 
bội ba này. Ngoài ra người ta thường thiết kế các bộ lọc 
sóng hài phía trước điểm hòa lưới có dạng phức tạp hơn 
như dạng LC hay LCL để có thể hạn chế tối đa việc sóng hài 
ảnh hưởng tới hệ thống. 
Vì có thể điều khiển độc lập công suất phản kháng và 
công suất tác dụng nhờ việc chuyển đổi hệ quy chiếu nên 
hệ thống có thể điều chỉnh để yêu cầu giữ cố định hệ số 
công suất đầu ra cosphi khi có sự thay đổi về nhiệt độ hay 
cường độ bức xạ. Hình 14 mô tả đồ thị giá trị của công suất 
phản kháng Q và công suất tác dụng P trong điều kiện lưới 
không gặp sự cố theo thời gian. 
Hình 13. Tổng biến dạng sóng hài THD% của dòng điện và điện áp inverter 
Hình 14. Đồ thị giá trị công suất tác dụng và công suất phản kháng thay đổi 
theo thời gian 
Trong 10 giây đầu tiên, hệ thống hoạt động ổn định với 
hệ số công suất được đặt là 0,95 trong điều kiện cường độ 
bức xạ là 1000W/m2 với P = 0,295MW và Q = 0.097MVar. Ở 
giây thứ 10, ta thực hiện thay đổi cho cường độ bức xạ đột 
ngột xuống còn 800W/m2 ngay lập tức giá trị P và Q cũng 
lần lượt được điều chỉnh một cách nhanh chóng xuống 
P = 0,238MW và Q = 0,078MVar. Quá trình quá độ này diễn 
ra trong khoảng 2 giây. 
Ngoài ra khi điều kiện thời tiết thuận lợi khả năng điều 
chỉnh công suất phản kháng Q được thể hiện trong hình 15 
khi giá trị Q đặt được thay đổi và P được phát toàn bộ công 
suất. Trong hình 15 tại thời điểm ban đầu hệ số công suất 
bằng 0,95 sau đó lần lượt thay đổi thành 1 và 0,9 ở thời 
điểm giây thứ 6 và thứ 8. 
Current THD%= 1,79% 
Voltage THD%= 1,28% 
 CÔNG NGHỆ 
 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 56 - Số 4 (8/2020) Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn 36
KHOA HỌC P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619
Hình 15. Đồ thị thể hiện khả năng thay đổi Q của inverter theo hệ số cosphi 
4.2. Lưới gặp sự cố ngắn mạch 
Trong trường hợp này ta đặt công suất phản kháng sinh 
ra cố định là 0,1MVar cũng như điều kiện thời tiết tiêu 
chuẩn cường độ bức xạ 1000W/m2 ở nhiệt độ 25oC. Khi xảy 
ra sự cố ngắn mạch 3 pha chạm nhau, điện áp lưới bị giảm 
đột ngột cùng với dòng điện ngắn mạch lớn có khả năng 
dẫn đến sự thay đổi trong hệ thống PV. Ở mô phỏng này 
ngắn mạch xảy ra với điện trở ngắn mạch là 1Ω. Hình 17 
thể hiện giá trị điện áp hiệu dụng của lưới khi xảy ra sự cố 
vào giây thứ 8 trong 4 trường hợp xét tới là khi điện áp hiệu 
dụng giảm xuống lần lượt 0,1pu, 0,3pu, 0,7pu và 0,9pu, thời 
gian xảy ra sự cố là 0,5 giây. 
Hình 16. Mô phỏng hiện tượng ngắn mạch 3 pha chạm nhau 
Hình 17. Điện áp hiệu dụng của lưới khi xảy ra sự cố 
Khi đó khả năng điều khiển P và Q của hệ thống cũng bị 
ảnh hưởng. Trong trạng thái hoạt động bình thường và ổn 
định công suất tác dụng và công suất phản kháng P0, Q0 
của hệ thống lần lượt là 0,29MW và 0,1MVar. Có thể thấy 
trong hình 18 và 19, P và Q sinh ra trong thời gian bị sự cố 
của trường hợp sụt áp mức 0,9pu và 0,7pu gần như không 
đáng kể. Sự thay đổi rõ rệt chỉ xảy ra khi điện áp giảm 
xuống mức 0,3pu và 0,1pu. Lúc này hệ thống không còn 
duy trì được việc cung cấp P và Q một cách ổn định. Đối với 
trường hợp điện áp giảm còn 0,3pu, P và Q xuống ngay lập 
tức chỉ còn khoảng 75% và 70% so với giá trị P0 và Q0. 
Tương tự ở mức 0,1pu, giá trị P gần như không còn được 
duy trì, giá trị Q còn ở mức 25% so với Q0 nhưng dao động 
rất lớn. Ngoài ra trong quá trình quá độ khi chuyển từ chế 
độ sự cố sang vận hành bình thường ở mức 0,1pu và 0,3pu, 
P và Q đều tăng rất cao trong quá trình này, ảnh hưởng đến 
sự ổn định của hệ thống. 
Hình 18. Công suất tác dụng của PV khi xảy ra sự cố 
Hình 19. Công suất phản kháng của PV khi xảy ra sự cố 
Mặt khác, khi xảy ra sự cố, điện áp và dòng điện lưới 
thay đổi đột ngột khiến việc lấy các thông số tham chiếu 
cho bộ điều khiển inverter xảy ra sự dao động lớn. Sự cố 
này ảnh hưởng đến hoạt động của inverter cả trong và sau 
khi ngắn mạch. Khi ngắn mạch xảy ra quá trình quá độ giữa 
hai trạng thái làm cho dạng sóng của bộ inverter không 
còn giữ được hình sin mà méo hơn do ảnh hưởng bởi sóng 
hài. Đối với điện áp điều này được thể hiện rõ ràng khi sự cố 
xảy ra như hình 20 còn sự biến dạng của dạng sóng đổ thì 
xảy ra rõ nét ở thời điểm sau khi trạng thái sự cố kết thúc và 
kéo dài trong khoảng 2 giây như trong hình 21. Tuy nhiên 
sau khi xác lập lại chế độ hoạt động bình thường thì hệ 
thống vẫn cung cấp công suất với dạng sóng dòng điện và 
điện áp hình sin. 
Hình 20. Dạng sóng điện áp trong khoảng thời gian xảy ra sự cố sụt áp ở mức 
0,3pu 
P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 SCIENCE - TECHNOLOGY 
Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn Vol. 56 - No. 4 (Aug 2020) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 37
Hình 21. Dạng sóng dòng điện trong khoảng thời gian xảy ra sự cố sụt áp ở 
mức 0,3pu 
Đánh giá về sóng hài trong khoảng thời gian trước, 
trong và sau thời gian xảy ra sự cố có thể thấy được tổng độ 
biến dạng sóng hài thay đổi rất lớn, hầu hết đều tăng cao 
trong quá trình chuyển tiếp giữa hai trạng thái lưới vận 
hành bình thường và khi lưới gặp sự cố. Các thông số đo 
được đối với sóng hài của điện áp và dòng điện lớn nhất 
trong trường hợp sụt áp mức 0,3pu là 56% và 50%. Nhưng 
thông số này trở lại ở mức phù hợp với tiêu chuẩn rất 
nhanh sau khi sự cố kết thúc ở mức 3% đối với điện áp và 
3,9% đối với dòng điện. 
Theo dõi khả năng hỗ trợ lưới khi gặp sự cố bởi khả 
năng điều khiển công suất của bộ inverter thấy được rằng: 
khi tăng công suất phản kháng phát lên lưới thì dòng điện 
ngắn mạch giảm, như vậy có thể hỗ trợ việc bảo vệ hệ 
thống khi xảy ra sự cố. 
5. KẾT LUẬN 
Nghiên cứu này đã thể hiện rõ cấu trúc mô hình điều 
khiển và thuật toán áp dụng của hệ thống điện mặt trời. 
Đồng thời phần tích ảnh hưởng của hệ thống khi điều 
chỉnh P, Q trong điều kiện lưới điện vận hành bình thường 
và khi lưới gặp sự cố ngắn mạch ba pha chạm nhau. 
Khi lưới hoạt động ổn định, công suất tác dụng và công 
suất phản kháng cũng lần lượt được điều chỉnh một cách 
nhanh chóng. Ngoài ra khi điều chỉnh công suất phản 
kháng Q thì P vẫn có thể phát toàn bộ công suất. Khi lưới 
gặp sự cố ngắn mạch, các giá trị P, Q sau thời gian quá độ 
giữa hai trạng thái vẫn được điều khiển và cung cấp công 
suất đưa lên lưới khi xảy ra sự cố. 
Từ đó thấy được việc điều khiển công suất tác dụng và 
công suất phản kháng giúp hệ thống điện mặt trời làm việc 
hiệu quả ở điều kiện thường và nhanh chóng ổn định trở lại 
khi xảy ra sự cố. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1]. A. Yazdani, P. P. Dash, 2009. A Control Methodology and Characterization 
of Dynamics for a Photovoltaic (PV) System Interfaced with a Distribution Network. 
IEEE Transactions on Power Delivery, vol.24, no.3, pp.1538-1551. 
[2]. F. Blaabjerg, R. Teodorescu, M. Liserre, A. V. Timbus, 2006. Overview of 
Control and Grid Synchronization for Distributed Power Generation Systems. IEEE 
Transactions on Industrial Electronics, vol.53, no.5, pp.13981409. 
[3]. Prakash Kumar Hota, Babita Panda, Bhagabat Panda, 2016. Fault 
Analysis of Grid Connected Photovoltaic System. American Journal of Electrical 
Power and Energy Systems, vol.5, no.4, pp.35-44. 
[4]. H. Park and H. Kim, 2013. PV cell modeling on single-diode equivalent 
circuit. IECON Proc. (Industrial Electron. Conf., no. 8, pp. 1845–1849. 
[5]. H. Bellia, R. Youcef, M. Fatima, 2014. A detailed modeling of photovoltaic 
module using MATLAB. NRIAG J. Astron. Geophys., vol. 3, no. 1, pp. 53–61. 
[6]. K. Chatterjee, B. G. Fernandes, G. K. Dubey, 1999. An instantaneous 
reactive volt-ampere compensator and harmonic suppressor system. IEEE Trans. 
Power Electron., vol. 14, no. 2, pp. 381–392. 
[7]. S. A. Rahman, R. K. Varma, 2011. PSCAD/EMTDC model of a 3-phase 
grid-connected photovoltaic solar system. NAPS 2011 - 43rd North Am. 
Power Symp. 
[8]. W. Xiao, W. G. Dunford, 2004. A modified adaptive hill climbing MPPT 
method for photovoltaic power systems. PESC Rec. - IEEE Annu. Power Electron. 
Spec. Conf., vol. 3, pp. 1957–1963, 2004. 
[9]. T. Selmi, M. Abdul-Niby, L. Devis, A. Davis, 2014. P&O MPPT 
implementation using MATLAB/Simulink. 2014 9th Int. Conf. Ecol. Veh. Renew. 
Energies, EVER 2014. 
[10] . C. J. O’Rourke, M. M. Qasim, M. R. Overlin, J. L. Kirtley, 2019. A 
Geometric Interpretation of Reference Frames and Transformations: dq0, Clarke 
and Park. IEEE Trans. Energy Convers., vol.34, no. 4, pp. 2070 – 2083. 
[11] . E. Muljadi, M. Singh, V. Gevorgian, 2013. PSCAD Modules Representing 
PV Generator. https://www.nrel.gov/docs/fy13osti/58189.pdf 
[12]. B. Liu, F. Zhuo, Y. Zhu, H. Yi, F. Wang, 2015. A three-phase PLL 
algorithm based on signal reforming under distorted grid conditions. IEEE Trans. 
Power Electron., vol. 30, no. 9, pp. 5272–5283. 
AUTHORS INFORMATION 
Nguyen Duc Tuyen1, Le Van Luc2, Do Van Long1, Nguyen Huu Duc3 
1School of Electrical Engineering, Hanoi University of Science and Technology 
2Ishan International Pvt. Ltd. 
3Faculty of Energy Technology, Electric Power University