ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN CUNG CẤP ĐIỆN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI SVTH HÁN VĂN NHỨT MSSV 1512370 GVHD PGS TS NGUYỄN VĂN NHỜ TPHCM, THÁNG 12, NĂM 2021 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em dành tình yêu ngôi trường Bách Khoa thân thương trong những năm qua là nơi rèn luyện, là nơi mà em có quá nhiều kỷ niệm Em gửi lời cảm ơn đến các bộ môn, các thầy đã tạo điều kiện tốt.
ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MƠN: CUNG CẤP ĐIỆN LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP MƠ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG ĐIỀU KHIỂN BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT ĐIỆN MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI SVTH: HÁN VĂN NHỨT MSSV: 1512370 GVHD: PGS.TS NGUYỄN VĂN NHỜ TPHCM, THÁNG 12, NĂM 2021 LỜI CẢM ƠN Lời đầu tiên, em dành tình u ngơi trường Bách Khoa thân thương năm qua nơi rèn luyện, nơi mà em có nhiều kỷ niệm Em gửi lời cảm ơn đến môn, thầy tạo điều kiện tốt để chúng em học tập, trau dồi kiến thức Bách Khoa Thứ hai, em xin gửi trân trọng lòng biết ơn đến thầy Nguyễn Văn Nhờ Thầy hướng dẫn em từ luận văn đến Những công sức, lời dạy, lời khuyên thầy hành trang, tài sản quý giá quãng đời sinh viên Thứ ba, em cảm ơn thầy cô dành thời gian để chỉnh sửa, nhận xét để luận văn Những nhận xét ln động lực để em hoàn thiện, phát triển luận văn ngày tốt Cuối cùng, cảm ơn gia đình, người bạn thân nhất, sánh vai suốt thời gian Những lời động viên, an ủi lúc khó khăn nhân tố giúp em thực luận văn cách tốt Thành phố Hồ Chí Minh,ngày 28 tháng 12 năm 2021 Sinh viên thực Hán Văn Nhứt NHẬN XÉT LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP CỦA CÁN BỘ PHẢN BIỆN GVHD DANH SÁCH HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN Hội đồng chấm luận văn tốt nghiệp, thành lập theo định số ngày Hiệu trưởng Trường Đại học Bách Khoa TP.HCM ………………………………………… – Chủ tịch …………………………… – Thư ký 3 …………………………… – Ủy viên …………………………… – Ủy viên …………………………… – Ủy viên TÓM TẮT LUẬN VĂN Ngành lượng mặt trời ngành phát triển giới Năng lượng mặt trời nguồn lượng vô tận để khai thác sử dụng hiệu Đặc biệt, Việt Nam quốc gia thích hợp để phát triển ngành cơng nghiệp điện mặt trời, mang lại hiệu kinh tế cao nguồn lượng gây nhiễm mơi trường Đề tài: “Mơ hình mơ điều khiển biến đổi công suất điện mặt trời kết nối lưới” gồm chương: - Chương 1: Tổng quan lượng mặt trời (lịch sử phát triển, tình hình phát triển điện mặt trời ngồi nước, giới thiệu hệ thống điện mặt trời hòa lưới, ) - Chương 2: Các biến đổi PV kết nối lưới,các tăng áp,giảm giảm,tăng giảm áp,bộ biến đổi DC sang AC - Chương 3: Điểm làm việc có cơng suất cực đại MPPT,trong chương tìm hiểu cụ thể giải thuật : quan sát nhiễu loạn ( P&0 )Và Thuật toán tăng tổng dẫn (INC) - Chương 4: Tính tốn mơ hệ thống điện mặt trời kết nối lưới,tính tốn mơ cho hệ thống điện măt trời có cơng suất 100kw dùng matlab Simulink để mô - Chương 5: kết luận phương hướng phát triển Danh sách viết tắt PV – (Photovoltaic) pin mặt trời, biến quang thành điện P&O – (Perturb & Observe) thuật toán quan sát nhiễu loạn để đạt đƣợc điểm cực đại INC – (Incremental Conductance) thuật toán tăng tổng dẫn để đạt điểm cực đại MPPT – (Maximum Power Point Tracking) dị tìm điểm làm việc có cơng suất cực đại PWM – (pulse width modulation) phương pháp điều chế độ rộng xung VOC – (Voltage Oriented Control) phương pháp điều định hướng điện áp Nội dung Danh mục hình ảnh CHƯƠNG 1: KHẢO SÁT PV VÀ CÁC ĐẶT TÍNH 1.1 Tổng quan lượng mặt trời Năng lượng Mặt trời nguồn luợng tái tạo quan trọng mà thiên nhiên ban tặng cho hành tinh đồng thời nguồn gốc nguồn lượng tái tạo khác lượng gió, lượng sinh khối, lượng dịng sơng… Năng lượng Mặt trời nói vơ tận, nhiên để khai thác, sử dụng nguồn lượng cần phải biết đặc trưng tính chất nó, đặc biệt tới bề mặt Quả đất Hình 1.1 nguồn lượng tái tạo trái đất theo năm Mỗi ngày trái đất nhận 1600.109 (GWh) tương ứng 25% xạ mặt trời đến phía khơng khí bề mặt trái đất, 30% phản xạ lại không gian, 45% bị chuyển đổi thành nhiệt Năng lượng mà lượng mặt trời cung cấp cho người dùng 109 (GWh) mà hoạt động người cần dùng 140*106 (GWh) Nếu người dùng hệ thống lượng mặt trời cần ngày khai thác lượng mặt trời ta dùng 27 năm Mặt trời xạ lượng theo dãy rộng, nhiên tia xạ tạo tượng quang điện Chỉ có tia xạ (ứng với bước sóng ( λ ) có lượng lớn mức lượng kích hoạt electron (tuỳ chất bán dẫn) có khả tạo tượng quang điện Phân tích điển hình phổ lượng mặt trời tác động lên pin quang điện silicon Trên biểu đồ phổ lượng mặt trời ta thấy: “20,2 % lượng mặt trời tổn hao tác dụng có lượng thấp lượng band gap (hiểu mức lượng tối thiểu để kích hoạt electron khỏi trạng thái tĩnh chúng) silicon (hν < Eg) 30,2 % khác bị vùng lượng (hν > Eg) Chỉ có 49,6 % lượng hữu ích thu pin quang điện” Pin quang điện 1.2.1 Tế bào quang điện Tế bào quang điện diode bán dẫn dùng để chuyển đổi xạ từ mặt trời thành dòng điện chiều (DC) Một số tế bào chuyển đổi xạ hồng ngoại (IR) tia cực tím thành điện chiều Chính xác tế bào quang điện cell pin mặt trời (solar cell) Một cell pin thường tạo điện áp từ 0.5-0.6V Thường để tạo thành pin mặt trời người ta thường ghép 60 đến 72 tế bào quang điện Một pin khơng tạo cơng suất sử dụng mong muốn, người ta thường kết hợp nhiều pin để tạo thành chuỗi pin kết hợp module lượng mặt trời gọi hệ thống lượng mặt trời Hình 1.2 Một tế bào quang điện Phân loại: pin lượng gồm loại phổ biến tế bào quang điện Mono Poly Hình 1.3 Tế bào quang điện mono poly Tế bào quang điện Mono: Các tế quang điện pin lượng mặt trời Mono làm silicon đơn tinh thể, có độ tinh khiết cao, thường có giá trị đắt so với tế bào khác Các góc tế bào nhìn giống bị cắt bớt, tạo thành hình bát giác Tấm pin lượng gồm nhiều tế bào mono đơn hiển thị hình có hoa văn kim cương nhỏ màu trắng có cơng dụng tối ưu hóa hiệu suất giảm chi phí thành phần Ưu điểm loại tế bào quang điện tạo thành pin có hiệu suất sử dụng cao thời gian sử dụng dài, đặc biệt hoạt động tốt điều kiện ánh sáng yếu Nhược điểm pin lượng mặt trời Mono có giá thành đắt so với pin khác •Tế bào quang điện Poly: Tế bào quang điện pin lượng mặt trời Poly làm tế bào silicon đa tinh thể, chế tạo từ khối silicon vng đúc nóng chảy, làm mát làm cứng lại cách cẩn thận Đây loại tế bào sử dụng phổ biến có mức độ giãn nở chịu nhiệt độ cao trình sản xuất đơn giản, tốn nên giá thành thấp so với dịng pin Mono Vì có giá thành thấp nên tế bào quang điện Poly có hiệu suất nhiều so với tế bào Mono 1.2.2 Đường cong đặc tính I-V pin quang điện Tấm pin lượng mặt trời tác dụng xạ mặt trời (hở mạch ) tạo điện áp hở mạch khơng có dịng điện Khi pin mặt trời ngắn mạch tạo dịng điện ngắn mạch Isc lại khơng có điện áp Khi pin kết nối với tải tạo dịng điện điện áp, từ tạo công suất sử dụng Để biết giá trị cơng suất ta phải xem xét đặc tuyến I-V tin đặc tuyến I-V tải Hình 1.4 Tấm pin hở mạch, ngắn mạch nối với tải Đặc tuyến I-V ta có hiểu đường cong với điểm đầu (Isc, Voc=0) với điểm cuối (Isc=0, Voc) Có ba điểm quan trọng đường cong là: - Dòng ngắn mạch Isc - Điện áp hở mạch Voc - Điểm công suất cực đại PM 10 Hình 4.3 Đường đặc tính V-I đặc tính cơng suất dãy pin điều kiện xạ 1000W/m2 ,750W/m2 , 500W/m2 , 100W/m2 T=250C 4.2 Thiết kế biến đổi DC-DC Bộ biến đổi DC-DC sử dụng Boost Converter Bộ Boost gồm có khóa đóng ngắt IGBT, diode cuộn dây mắc thành sơ đồ sau Hình 4.4 Sơ đồ mạch Boost Converter Hình 4.5 Mơ hình mạch Boost Converter Matlab 4.2.1 Tính tốn thơng số cho mạch boost Thơng số để tính tốn: Điện áp đầu vào pin: Vin=Vmpp=273V Điện áp ngõ : Vo=500V Công suất lắp đặt : P=100kw Tần số lấy mẫu :F=5kHz Độ gợn điện áp: V=1% Độ gợn dòng : I=5% Tính tốn: Điện áp ngõ : Io=P/Vo=100000/500=200A I=0.05 *Io* Vo/Vin =0.05*200*500/273=17A V=0.01*Vo=0.01*500=5V Duty : D=1-Vin/Vo =1-273/500 =0.42 Tính tốn cuộn cảm L: L= = =0.00143 (H) Chọn L= 1.25mH Tính tốn Tụ C : C= = =3360µF Chọn Tụ C=4000 µF Bộ điều khiển cho Boost Converter lấy tín hiệu vào điện áp từ dàn Pin Mặt trời UPV, xuất tín hiệu UDC để đưa tới đầu vào nghịch lưu DC/AC Bộ Boost Converter thực nhiệm vụ chuyển đổi điện áp chiều từ 273,5V lên 500V Trong trình chuyển đổi điện áp có can thiệp điều khiển lấy điểm công suất dàn Pin cực đại MPPT Để mảng PV hoạt động tối ưu cần điểu khiển mạch Boost đẩy công suất mảng PV đạt cực đại Phương pháp để dị điểm cơng suất cực đại pin phương pháp nhiễu loạn quan sát (P&O - Perturb and Observe) Hình 4.6 Sơ đồ mạch boost kết hợp với MPPT Bên khối MPPT điều khiển theo phương pháp P&O function D = PandO(Param, V, I) % MPPT controller based on the Perturb & Observe algorithm % D output = Duty cycle of the boost converter (value between and 1) % % Enabled input = to enable the MPPT controller % V input = PV array terminal voltage (V) % I input = PV array current (A) % % Param input: Dinit = Param(1); %Initial value for D output Dmax = Param(2); %Maximum value for D Dmin = Param(3); %Minimum value for D deltaD = Param(4); %Increment value used to increase/decrease the duty cycle D % ( increasing D = decreasing Vref ) % persistent Vold Pold Dold; if isempty(Vold) Vold=0; Pold=0; Dold=Dinit; end P= V*I; if (P - Pold)> if (V-Vold) >0 D = Dold - deltaD; else D = Dold + deltaD; end else if(V-Vold)>0 D = Dold + deltaD; else D = Dold - deltaD; end end if D > Dmax || D < Dmin D=Dold; end Dold=D; Vold=V; Pold=P; Sau có hệ số D để đưa tín hiệu vào khối IGBT cần so sánh với sóng mang Sóng mang chọn sóng tam giác có tần số 5kkHz Các giá trị đầu điều khiển boost phương pháp P&O Hình 4.7 Đặc tính dịng điện áp pin mơ matlab Hình 4.8 Đồ thị đầu vào boost converter Hình 4.9 Điện áp đầu boost 4.3 Thiết kế mạch điều khiển cho nghịch lưu áp pha DC/AC Để điều khiển cho nghịch lưu DC/AC có hai cách điều khiển điều khiển dịng điều khiển áp Nhưng phương pháp điều khiển dòng cách phổ biến để điều khiển nối lưới Điều khiển dịng điện có thuận lợi nhạy với điện áp dịch pha biến dạng điện áp lưới, dịng sóng hài giảm tới mức nhỏ Trong điện áp điều khiển kết tăng mức điện áp nghịch lưu dịng sóng hài lớn xuất điện áp lưới bị méo hay biến dạng Nếu hệ thống điện mặt trời làm việc chế độ độc lập với lưới điện áp điều khiển chọn cách tự nhiên Nhưng hệ thống làm việc chế độ nối lưới điều khiển dịng cách thức điều khiển ưu Mạch điều khiển nghịch lưu tạo tín hiệu điều khiển hoạt động IGBT, tín hiệu điều khiển nghịch lưu thiết kế theo kiểu điều chế độ rộng xung (PWM) Tuy nhiên để giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp đầu người ta sử dụng điều chế véc tơ khơng gian (SVM) Hình 4.10 Sơ đồ mô điều khiển nghịch lưu DC/AC Hình 4.11 Thơng số mạch điều khiển nghịch lưu DC/AC Điện áp Ud Uq thu đầu điều khiển dòng Hai điện áp tính tốn để đưa tín hiệu điện áp đặt Uref_abc hợp lý cho phát xung điều khiển sử dụng phương pháp điều chế SVM nghịch lưu DC/AC Hình 4.12.Sơ đồ mơ tả điều khiển nghịch lưu DC/AC Hình 4.13 khối tính tốn Id_ref Dòng điện Id giá trị Iq = đưa tới khâu điều chỉnh dịng Hình 4.14 Khâu điều chỉnh dịng Hình 4.15 khối tính tốn Uabc_ref Hình 4.16.Mơ tả mạch vịng khóa pha PLL khối đo lường Hình 4.17 Mạch điều khiển tồn hệ thống Hình 4.18 Điện áp dịng điện nghịch lưu nối lưới Hình 4.19 Dịng điện Id Iq Hình 4.20 Cơng Suất Nghịch lưu kết nối lưới CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 5.1 Kết luận Luận văn tìm hiểu nội dung sau: Tìm hiểu nguồn lượng mặt trời phương pháp khai thác, sử dụng Tổng quan nguồn lượng mặt trời nước,Cụ thể đưa sơ đồ nguyên lý hệ thống; cấu tạo, nguyên lý làm việc sơ đồ thay phận hệ thống điện Vài nét lý thuyết hòa đồng hệ thống điện NLMT với lưới.Tìm hiểu đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới.Tính tốn tiến hành mô phần mềm Matlab – Simulink đưa kết mô 5.2 Hướng phát triển Nghiên cứu ảnh hƣởng dòng điện điện áp lên thiết bị khỉ hòa luới Và từ phát triển hệ thống điện mặt trời cơng suất lớn, hịa lưới điện mặt trời vào lưới điện quốc gia, giải vấn đề thiếu điện trầm trọng - Nghiên cứu kết hợp lượng mặt trời lượng gió - Nhà nước cần có sách đầu tư nhân lực, khuyến khích doanh nghiệp nước để sản xuất thiết bị điện mặt trời nhằm làm giảm chi phí giả điện mặt trời cao TÀI LIỆU THAM KHẢO Bùi Đức An (2018) Thiết kế inverter hòa lưới sử dụng điều khiển On-Off PID Luận văn đại học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Mai Quốc Thông, Cao Minh Thoại (2017) Nguyên cứu mô pin quang điện (PV Simulator) nghịch lưu pha nối lưới cho pin quang điện (PV Inverter) Luận văn đại học, Đại học Bách Khoa Tp.HCM Nguyễn Văn Tấn, Dương Minh Quân, Trần Anh Tuấn, Phạm Văn Kiên, Lê Hồng Lâm, Hà Hải Long (2018) So sánh thuật tốn bắt điểm cơng suất cực đại phương pháp mô thực nghiệm, 65-66 https://vi.scribd.com/doc/111341644/ Kharagpur (Version EE IIT) Fly-back Type Switched Mode Power Supply ed:https://nptel.ac.in/courses/Webcourse-contents/IIT%20Kharagpur/Power%20Electronics/PDF/L-22(DP)(PE) %20((EE)NPTEL).pdf Texas Instruments (2017) Digitally Controlled Solar Micro Inverter Design using C2000 Piccolo Microcontroller User’s Guide, Texas Instruments Mihail hristov Antchev, Mariya Petkova, Ivailo Milanov Pandiev, Eltimir Stoimenov, Angelina Tomova, Hristo Antchev (2013) International journal of electrical engineering & technology (IJEET), 58-59 “Flyback transformer design instructions,” ed: https://www.fujielectric.com/products/semiconductor/model/power_supply/technical/box/ pdf/Fly-Back_transformer_Design_Rev_1_0_E.pdf “Simulation of mppt control system with DC/DC bidirection converter in boost mode for pv system,” ed: https://workshopcleaned.sciencesconf.org/file/191626 10 Gandham Krishna Kanth, T Lova Lakshmi, M Gopichand Naik (2017) Modelling of PR Controller For A Grid Connected Single Phase Inverter International Journal of Engineering Development and Research,202-203 ... Đề tài: “Mơ hình mơ điều khiển biến đổi công suất điện mặt trời kết nối lưới? ?? gồm chương: - Chương 1: Tổng quan lượng mặt trời (lịch sử phát triển, tình hình phát triển điện mặt trời nước, giới... thống điện mặt trời đấu nối vào lƣới điện hạ áp phải nối đất trực tiếp 30 - Hệ thống điện mặt trời phải tự ngắt kết nối xảy cố điện từ lƣới điện phân phối Hệ thống điện mặt trời phải tự ngắt kết nối. .. với lưới điện phân phối xảy cố nội hệ thống điện mặt trời 31 CHƯƠNG 2: CÁC BỘ BIẾN ĐỔI PV KẾT NỐI LƯỚI 2.1 LÝ THUYẾT HỆ THỐNG ĐIỆN NLMT KẾT NỐI LƯỚI Trong thực tế gặp nhiều hệ thống điện mặt trời