(LUẬN văn THẠC sĩ) nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp của nhà máy điện mặt trời

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC QUY NHƠN LƯƠNG TRỌNG VŨ NGHIÊN CỨU CẢI THIỆN CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số : 8520201 Người hướng dẫn: TS Lê Thái Hiệp download by : skknchat@gmail.com LỜI CAM ĐOAN Tơi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu khoa học độc lập riêng Các số liệu sử dụng phân tích luận án có nguồn gốc rõ ràng, công bố theo quy định Các kết nghiên cứu luận án tự tìm hiểu, phân tích cách trung thực, khách quan phù hợp với thực tiễn Việt Nam Các kết chưa công bố nghiên cứu khác Tác giả luận văn Lương Trọng Vũ download by : skknchat@gmail.com MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN MỤC LỤC DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Nội dung mục đích nghiên cứu Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Cấu trúc luận văn Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 TỔNG QUAN VỀ NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 1.1.1 Giới thiệu lượng mặt trời 1.1.2 Vai trò lượng mặt trời 1.1.3 Bức xạ mặt trời 1.1.4 Tính toán lượng xạ mặt trời 10 1.2 PIN MẶT TRỜI – CẤU TẠO VÀ NGUYÊN LÝ 17 1.2.1 Cấu tạo pin mặt trời 18 1.2.2 Nguyên lý hoạt động 19 1.2.3 Đặc tính làm việc pin mặt trời 22 1.2.4 Ứng dụng 26 download by : skknchat@gmail.com 1.3 MƠ HÌNH BIẾN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN NĂNG 30 1.3.1 Mơ hình hệ thống lượng mặt trời cấp điện độc lập 31 1.3.2 Mơ hình hệ thống độc lập kết hợp lượng mặt trời nguồn lượng khác 32 1.3.3 Mơ hình hệ thống lượng mặt trời kết nối lưới 33 1.4 NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 36 1.4.1 Tổng quan nhà máy điện mặt trời giới Việt Nam 36 1.4.2 Cấu trúc phần điện nhà máy điện mặt trời nối lưới quốc gia 39 1.5 KẾT LUẬN CHƯƠNG 42 Chương CÁC BỘ ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT TRONG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 43 2.1 CẤU TRÚC MẠCH ĐỘNG LỰC 43 2.2 BỘ CHUYỂN ĐỔI DC/DC 43 2.2.1 Bộ chuyển đổi Boost 44 2.2.2 Bộ chuyển đổi Buck 47 2.2.3 Bộ chuyển đổi Buck - Boost 50 2.3 NGHỊCH LƯU 53 2.3.1 Nghịch lưu pha 54 2.3.2 Nghịch lưu ba pha 56 2.4 PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU CHẾ PWM 59 2.5 NGUYÊN LÝ ĐIỀU CHẾ VECTOR KHÔNG GIAN 61 download by : skknchat@gmail.com 2.6 CÁC CẤU TRÚC HỆ CHUYỂN ĐỔI ĐIỆN MẶT TRỜI THÀNH ĐIỆN XOAY CHIỀU PHA 68 2.6.1 Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng 68 2.6.2 Cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng 69 2.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 70 Chương PHÂN TÍCH CHẤT LƯỢNG ĐIỆN ÁP CỦA NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 71 3.1 MƠ HÌNH NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 71 3.1.1 Hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng 71 3.1.2 Hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng 72 3.2 MƠ HÌNH PIN MẶT TRỜI 73 3.3 MƠ HÌNH BỘ CHUYỂN ĐỔI BOOST 74 3.4 MƠ HÌNH BỘ NGHỊCH LƯU 76 3.4.1 Sơ đồ nghịch lưu 76 3.4.2 Vịng khóa pha 77 3.5 KHÂU ĐIỀU KHIỂN PHÁT XUNG 80 3.5.1 Mơ hình theo phương pháp điều chế PWM 80 3.5.2 Mơ hình theo phương pháp điều chế vector khơng gian 85 3.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI 86 3.6.1 Kết mô nhà máy điện mặt trời với hệ chuyển đổi sang điện xoay chiều pha dạng 87 download by : skknchat@gmail.com 3.6.2 Kết mô nhà máy điện mặt trời với hệ chuyển đổi sang điện xoay chiều pha dạng 88 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG 92 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 93 Kết luận 93 Kiến nghị 93 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 94 QUYẾT ĐỊNH GIAO ĐỀ TÀI LUẬN VĂN (bản sao) download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT * Tên tiếng việt PV: Pin lượng mặt trời PMT: Pin mặt trời NLMT: Năng lượng mặt trời NLTT: Năng lượng tái tạo DC-DC: Bộ biến đổi chiều – chiều DC-AC: Bộ biến đổi chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu) PLL: Vịng khóa pha * Tên tiếng anh MPPT: Maximum power pointtacking PWM: Pulse width modulation FACTS: flexible ac transmission system SVC: static-var compensators download by : skknchat@gmail.com DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1 Dải xạ điện từ Hình Góc nhìn mặt trời Hình Quá trình truyền lượng xạ mặt trời qua lớp khí Trái đất Hình Vị trí Trái đất mặt trời thay đổi năm Hình Quan hệ góc hình học tia xạ mặt trời mặt phẳng nghiêng 12 Hình Sơ đồ phân bố thành phần xạ khuyếch tán 15 Hình Các thành phần xạ lên bề mặt nghiêng 16 Hình Bức xạ trực xạ bề mặt nằm ngang nghiêng 17 Hình Cấu tạo pin mặt trời 18 Hình 10 Tế bào pin mặt trời 18 Hình 11 Các loại cấu trúc pin mặt trời 19 Hình 12 Nguyên lý hoạt động pin mặt trời 20 Hình 13 Hệ thống mức lượng (E1 dq0 Vabc (pu) wt Uabc_sin(pu) PI Sin_Cos Ud, Uq dq0 abc sin_cos U0 dq0 -> abc Uabc_ref Ud_ref (pu) 3-pha PLL Uq_ref (pu) >= oolea U Y NOT A U Y double -1 >= Uabc_ref Xung oolea U Y NOT B Xung tam giac Hình 18 Mơ hình theo phương pháp điều chế PWM cải tiến Kết dạng sóng dịng điện điện áp nghịch lưu theo phương pháp thứ 2: t (s) Hình 19 Dạng sóng điện áp dịng điện đầu nghịch lưu với phương pháp điều chế PWM theo Ud, Uq download by : skknchat@gmail.com 84 Giá trị điện áp đo đạt 380 V/ 380 V, tương đương với pu Như điện áp đầu phương pháp này, chưa xét vòng điều khiển hỗ trợ khác đạt giá trị mong muốn Do luận văn chọn phương pháp điều khiển để khảo sát ứng với phương pháp điều chế PWM + Ưu điểm điều khiển: - Tận dụng tốt dải biên độ điện áp máy phát cung cấp, vốn có giá trị nhỏ gió yếu - Dải điều khiển rộng so với mạch điều chỉnh tuyến tính - Giá trị trung bình điện áp (và dòng điện) cung cấp cho tải kiểm sốt cách thay đổi việc đóng cắt nguồn tải tắt với tốc độ nhanh Thời gian đóng lâu so với thời gian cắt, tổng công suất cung cấp cho tải cao - Tổn hao cơng suất thiết bị đóng cắt (Chuyển mạch) thấp Khi khóa chuyển mạch tắt khơng có dịng điện qua, bật nguồn đưa sang phụ tải, khơng có sụt áp thiết bị chuyển mạch Tổn hao cơng suất, tích điện áp dịng điện, hai trường hợp gần không PWM hoạt động tốt với điều khiển kỹ thuật số, mà tính chất bật/tắt, ta dễ dàng thiết lập chu kỳ làm việc cần thiết - PWM sử dụng để kiểm soát lượng điện cung cấp đến phụ tải mà chịu tổn hao qua điện trở việc phân phối điện đường dây truyền tải + Nhược điểm: - Điện tiêu thụ phụ tải số mà gián đoạn điện phân phối đến tải không liên tục - Cần mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao download by : skknchat@gmail.com 85 3.5.2 Mơ hình theo phương pháp điều chế vector khơng gian Mag abc 0 |U| /_pha Deg->Rad 1 NOT NOT sqrt(3)/2 m alpha -K- Va Valpha T1N >= Vb Vbeta NOT T2N floor S >= NOT Xung Tinh T1, T2 Tra bang xac dinh sector U NOT Hình 20 Mơ hình theo phương pháp điều chế vector không gian Trên sở phân tích biên độ điện áp đầu sau nghịch lưu so với giá trị mong muốn, điều chỉnh tính tốn thời gian T1, T2 để phát download by : skknchat@gmail.com 86 xung theo nguyên lý SVPWM Góc pha điện áp đo lưới điều khiển tham chiếu để nghịch lưu phù hợp nhằm đảm bảo hòa lưới + Ưu điểm điều khiển: - Phương pháp điều chế vector không gian phương pháp thay vector điện áp ba pha đối xứng thành vector quay khơng gian Như thay phải tính ba pha ta cần tính tốn hệ trục hai pha theo độ lớn góc pha đại lượng vector quay - Là phương pháp có tính đại, phương pháp có giá trị điện áp tốt dạng sóng dịng điện tải gần sin - Giá trị sóng hài điện áp thấp + Nhược điểm: - Điện tiêu thụ phụ tải số mà gián đoạn điện phân phối đến tải không liên tục - Cần mạch điện tử bổ trợ - giá thành cao 3.6 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG NHÀ MÁY ĐIỆN MẶT TRỜI Các thơng số nhà máy: - Công suất định mức 52,8 MW, chia làm 24 cụm 2,2 MW; - Điện áp định mức cụm điện mặt trời 800 VDC nghịch lưu thành điện xoay chiều pha 380 V; - Các cụm 2,2 MW đấu chung với vào lưới 22 kV nhà máy nối vào máy biến áp tưng áp 22kV/110kV download by : skknchat@gmail.com 87 3.6.1 Kết mô nhà máy điện mặt trời với hệ chuyển đổi sang điện xoay chiều pha dạng + v - C Nha may dien mat troi 52,8 MW Discrete, Ts = 5e-005 s rm sign s A a aA A a aA A bB B b bB B b bB B cC C c cC C c cC C 63 MVA 0,4/22 kV + v - rm sign s 382.8 63 MVA 110 kV 22/110 kV 22 kV Tai dia phuong 10 MW 22 kV rms 50 Hz 1.1e+005 Luoi 110 kV C B + v - 2.21e+004 aA A B A rm sign s Dieu chinh dien ap SVPWM Phat xung SV PWM Uabc_inv (pu) UabcInv alpha Uabc_sin (pu) Uabc110 m m Xung z alpha g UabcInv IabcInv Vabc_inv (pu) Uabc_inv (pu) Iabc_inv (A) Vref (pu) Xung Uabc_ref Uabc_ref Ud_ref (pu) z Uabc22 (pu) UabcInv Uabc_sin(pu) Phat xung PWM Mag Uabc22 abc UabcInv Uabc110 Dieu chinh dien ap PWM Phase Iabc22 Iabc22 (A) Uabc110 Iabc110 Uabc110 (pu) Iabc110 (A) Uinv (pu) Mag Uabc110 UabcInv UabcInv Uabc22 Uabc22 abc Phase Hình 21 Sơ đồ mô nhà máy điện mặt trời nối lưới 110 kV dạng t (s) t (s) Hình 22 Điện áp đầu nghịch lưu download by : skknchat@gmail.com 88 Như nhận xét sơ hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng có nhược điểm biên độ điện áp bị ảnh hưởng thời tiết bên Tuy nhiên với việc điều khiển tốt dao động biên thuộc giới hạn cho phép (± %) theo tiêu chuẩn quốc gia 3.6.2 Kết mô nhà máy điện mặt trời với hệ chuyển đổi sang điện xoay chiều pha dạng + v - rms sign + v - 2.206e+004 rms sign A aA A a aA A a aA A B bB B b bB B b bB B C cC C c cC C c cC C Discrete, Ts = 5e-005 s + v - rms sign 381.8 63 MVA 110 kV 22/110 kV 22 kV Tai dia phuong 10 MW 22 kV rms 50 Hz Luoi 110 kV B C 63 MVA 0,4/22 kV A Nha may dien mat troi 52,8 MW 1.1e+005 Dieu chinh dien ap SV PWM Phat xung SV PWM m Uabc (pu) UabcInv alpha Uabc_sin (pu) Uabc110 m Xung z alpha g UabcInv IabcInv Vabc_inv (pu) Uabc_inv (pu) Iabc_inv (A) UabcInv Vref (pu) Xung Uabc_ref Uabc_ref Ud_ref (pu) z Mag Uabc22 UabcInv abc Uabc_sin(pu) Uabc110 Dieu chinh dien ap PWM Phase Iabc22 Uabc110 Iabc110 Phat xung PWM Mag Uabc110 abc UabcInv UabcInv Uabc22 Uabc22 Phase Hình 23 Sơ đồ mô nhà máy điện mặt trời nối lưới 110 kV dạng download by : skknchat@gmail.com 89 Dạng sóng điện áp đầu nghịch lưu hình sau: t (s) t (s) Hình 24 Dạng sóng điện áp đầu nghịch lưu Dạng sóng dịng điện điện áp lưới 22 kV hình sau: t (s) Hình 25 Dạng sóng dịng điện điện áp lưới 22 kV Kết mô tương đồng với nhận xét sơ hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng có ưu điểm biên độ điện áp không bị ảnh hưởng thời tiết bên ngồi Từ luận văn phân tích sâu đặc tính kỹ thuật dạng để có nhìn chuẩn áp dụng dạng Dưới kết đánh giá sóng hài đầu nghịch lưu điện áp lưới 22 kV: download by : skknchat@gmail.com 90 Hình 26 Kết phân tích sóng hài đầu nghịch lưu đấu nối nhà máy điện mặt trời vào lưới download by : skknchat@gmail.com 91 Hình 27 Kết phân tích sóng hài lưới 22 kV Như kết phân tích sóng hài sau nghịch lưu (có lọc LC) lưới 22 kV cho thấy sau qua máy biến áp biên độ sóng hài cải thiện phần sóng hài download by : skknchat@gmail.com 92 3.7 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương luận văn xây dựng mô hình mơ nhà máy điện mặt trời với hai dạng chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha Qua kết mô cho thấy chất lượng điện áp hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng có ưu điểm dạng Như luận văn khuyến nghị nên sử dụng hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha dạng cho nhà máy điện mặt trời để cải thiện chất lượng điện áp download by : skknchat@gmail.com 93 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Luận văn đã: + Giới thiệu tổng quan điện mặt trời số mô hình nhà máy điện điện mặt trời nối lưới + Giới thiệu tổng quan biến đổi điện tử công suất phù hợp với việc kết nối điện mặt trời với lưới điện nguyên cứu phương pháp điều khiển Xây dựng cấu trúc hệ chuyển đổi điện mặt trời thành điện xoay chiều pha + Tiến hành xây dựng mơ hình điều khiển phát xung nhà máy điện mặt trời nối lưới, sau tiến hành mơ phần mềm Matlab/simulink để đánh giá chất lượng điện áp + Tiến hành phân tích kết mơ để đánh giá chất lượng điện áp nhà máy điện mặt trời nối lưới Kiến nghị Do nhiều yếu tố chủ quan mà luận văn chưa chế tạo mơ hình thử nghiệm Trong thời gian sau tác giả phối hợp với bên liên quan để tiến hành chế tạo thử nghiệm download by : skknchat@gmail.com 94 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nam Anh (2019), nhà máy điện mặt trời khánh thành Ninh Thuận, NDH, Địa chỉ:http://ndh.vn/4-nha-may-dien-mat-troi-cungkhanh-thanh-tai-ninh-thuan-20190427044353454p145c151.news, [truy cập ngày 27/04/2019] [2] Anh Dũng (2019), Phó Thủ tướng Trương Hịa Bình dự Lễ khánh thành cụm nhà máy điện mặt trời Đắk Lắk, Báo ảnh Dân tộc Miền núi, Địa chỉ: https://m.dantocmiennui.vn/xa-hoi/pho-thu-tuong-truong-hoabinh-du-le-khanh-thanh-cum-nha-may-dien-mat-troi-tai-dak-lak /228485 html, [truy cập ngày 09/04/2019] [3] TS Hoàng Dương Hùng (2007), Năng lượng mặt trời lý thuyết ứng dụng, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật [4] Khoa Điện- Điện tử (2014), Một số cách biến đổi điện áp DC-DC sử dụng Boost Buck, Đại học Duy Tân, Địa chỉ: http://kdientu.duytan.edu.vn/vi-vn/hoc-lieu/mot-so-cach-bien-doi-dienap-dc-dc-su-dung-cac-bo-boost-va-buck/, [truy cập ngày 20/04/2019] [5] Kingtek (2018), Top 10 dự án Điện mặt trời lớn giới Địa chỉ: http://kingteksolar.com.vn/tin-tuc/top-10- du- an-dien-mat-troi -lon- nhat-the-gioi.html, [truy cập ngày 20/04/2019] [6] Hương Mai (2018), Khởi cơng nhà máy điện mặt trời điện gió Fujiwara, Tạp chí Mơi trường, Địa chỉ: http://tapchimoitruong.vn/pages/article.aspx?item=Kh%E1%BB%9Fic%C3%B4ng-Nh%C3%A0-m%C3%A1y-%C4%91i%E1%BB%87nm%E1%BA%B7t-tr%E1%BB%9Di-v%C3%A0- download by : skknchat@gmail.com 95 %C4%91i%E1%BB%87n-gi%C3%B3-Fujiwara-B%C3%ACnh%C4%90%E1%BB%8Bnh-48325, [truy cập ngày 03/4/2019] [7] Nangluongvietnam.vn (2019), Khánh thành Nhà máy Điện mặt trời Phước Hữu, Tập đoàn điện lực Việt Nam, Địa chỉ: http://tietkiemnangluong.vn/d6/news/Khanh-thanh-Nha-may-Dienmat-troi-Phuoc-Huu-0-136-12204.aspx, [truy cập ngày 10/07/2019] [8] Thu Ngân (2018), Khánh thành nhà máy điện mặt trời TTC Phong Điền,Vneconnomy, Địa chỉ: http://vneconomy.vn/khanh-thanh-nhamay-dien-mat-troi-ttc-phong-dien-20181008092838595.htm, [truy cập ngày 13/5/2019] [9] Minh Phương (2018), Bình Định khởi công dự án điện mặt trời công suất 49,5 MW, Tập đoàn điện lực Việt Nam, Địa chỉ: http://tietkiemnangluong.vn/d6/news/Binh-Dinh-khoi-cong-du-andien-mat-troi-cong-suat-495-MW-115-109-11368.aspx, [truy cập ngày 02/04/2019] [10] Nguyễn Phùng Quang, Lê Anh Tuấn (2008), Điều chế điện áp cho nghịch lưu cầu pha: Giải vấn đề cách nhìn vector, Trung tâm Nguyên cứu triển khai công nghệ cao – Đại học Bách khoa Hà Nội [11] Minh Trân (2019), Ninh Thuận có thêm nhà máy điện mặt trời, Tuổi trẻ, Địa chỉ: https://tuoitre.vn/ninh-thuan-co-them-3-nha-may-dienmat troi-20190427143351131 htm, [truy cập ngày 24/04/2019] [12] PGS.TS Đặng Đình Thống, Hội đồng Khoa học - Hiệp hội Năng lượng Việt Nam, Xu phát triển lượng mặt trời, Địa chỉ: http://www.dienmattroivietnam.com/tin-tuc/xu-the-phat-trien-nangluong-mat-troi.html [13] Mahmoud Salem, Yousry Atia (2015), Control scheme towards download by : skknchat@gmail.com 96 enhancing power quality and operational efficiency of single-phase two-stage grid-connected photovoltaic systems, ScienceDirect, Journal of Electrical Systems and Information Technology 2, pp 314–327 [14] Marcelo Gradella Villalva, Jonas Rafael Gazoli, Ernesto Ruppert Filho (2009), Comprehensive Approach to Modeling and Simulation of Photovoltaic Arrays, IEEE transactions on power electronics, vol 24, No 5, 2009, pp 1198 – 1208 [15] Mateus F Schonardie and Denizar C Martins (2008), Three-Phase GridConnected Photovoltaic System With Active And Reactive Power Control Using dq0 Transformation, 2008 IEEE Power Electronics Specialists Conference, Greece, pp 1202 – 1207 [16] N.F Guerrero-Rodríguez, Alexis B Rey-Boue, Luis C Herrero-de Lucas, Fernando Martinez-Rodrigo, Control and synchronization algorithms for a grid-connected photovoltaic system under harmonic distortions, frequency variations and unbalances, ScienceDirect, Renewable Energy (80), 2015, pp 380 – 395 [17] Prajna Paramita Dash and Mehrdad Kazerani, Dynamic Modeling and Performance Analysis of a Grid-Connected Current-Source InverterBased Photovoltaic System, IEEE transactions on sustainable energy, vol 2, no 4, october 2011, pp 443 – 450 [18] Swathy Pillaia, Sushil Thale, Design and Implementation of a Three Phase Inverter for Renewable Energy Source with Unified Control Strategy, ScienceDirect, Energy Procedia (90), 2016, pp 673 – 680 download by : skknchat@gmail.com ... nối điện mặt trời với lưới chất lượng điện áp nhà máy điện mặt trời Phương pháp nghiên cứu + Nghiên cứu sở lý thuyết điện mặt trời biến đổi điện tử cơng suất + Tìm hiểu chức biến đổi điện tử công... dụng thiết bị điện tử cơng suất tính cấp thiết việc phát triển điện mặt trời Vì vậy, luận văn chọn đề tài ? ?Nghiên cứu cải thiện chất lượng điện áp nhà máy điện mặt trời? ?? để nghiên cứu hướng đến... quan điện mặt trời Chương 2: Các điện tử công suất nhà máy điện mặt trời Chương 3: Phân tích chất lượng điện áp nhà máy điện mặt trời download by : skknchat@gmail.com Chương TỔNG QUAN VỀ ĐIỆN MẶT