Luận văn Thạc sĩ Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa vào lưới điện một pha

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LÊ TẤN CƯỜNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LÊ TẤN CƯỜNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành: 60520202 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH, tháng năm 2018 CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM Cán hướng dẫn khoa học : PGS.TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị chữ ký) Luận văn Thạc sĩ bảo vệ Trường Đại học Công nghệ TP HCM ngày 28 tháng năm 2018 Thành phần Hội đồng đánh giá Luận văn Thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị Hội đồng chấm bảo vệ Luận văn Thạc sĩ) TT Họ tên Chức danh Hội đồng PGS TS Ngô Cao Cường Chủ tịch PGS TS Huỳnh Châu Duy Phản biện TS Võ Hoàng Duy Phản biện PGS TS Nguyễn Hùng TS Đoàn Thị Bằng Ủy viên Ủy viên, Thư ký Xác nhận Chủ tịch Hội đồng đánh giá Luận sau Luận văn sửa chữa (nếu có) Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn TRƯỜNG ĐH CƠNG NGHỆ TP HCM CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM PHÒNG QLKH – ĐTSĐH Độc lập – Tự – Hạnh phúc TP HCM, ngày 20 tháng năm 2018 NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ tên học viên: Lê Tấn Cường Giới tính: Nam Ngày, tháng, năm sinh: 08/06/1993 Nơi sinh: Quảng Ngãi Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện MSHV: 1541830018 I- Tên đề tài: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu lượng mặt trời giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo nguyên lý pin quang điện (PV); loại hệ thống PV nối lưới độc lập - Thiết kế biến tần kết nối lưới pha, thông số biến tần, xác định kích thước tụ điện liên kết DC - Tính tốn thiết kế, lựa chọn thơng số cho lọc đầu - Thiết kế điều khiển điện áp DC, đồng hóa lưới, điều khiển dịng điện - Mơ hình hóa mơ hệ thống PV kết nối lưới pha matlab/ simulink - Nhận xét đánh giá kết mô - Kết luận III- Ngày giao nhiệm vụ: 15/02/2017 IV- Ngày hoàn thành nhiệm vụ: 20/6/2018 V- Cán hướng dẫn: PGS TS Nguyễn Thanh Phương CÁN BỘ HUỚNG DẪN KHOA QUẢN LÝ CHUYÊN NGÀNH (Họ tên chữ ký) (Họ tên chữ ký) LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu riêng tơi Các số liệu, kết nêu Luận văn trung thực chưa công bố cơng trình khác Tơi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực Luận văn cảm ơn thơng tin trích dẫn Luận văn rõ nguồn gốc Học viên thực Luận văn Lê Tấn Cường LỜI CÁM ƠN Xin cảm ơn Trường Đại học Kỹ thuật Cơng nghệ thành phố Hồ Chí Minh, PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG, Q Thầy Cơ tận tình truyền đạt kiến thức tạo điều kiện tốt cho lớp 15SMD21 cá nhân tơi suốt học trình nghiên cứu học tập thạc sỹ trường Với lịng tri ân sâu sắc, tơi muốn nói lời cảm ơn đến Thầy PGS TS NGUYỄN THANH PHƯƠNG, người nhiệt tình hướng dẫn bảo cho tơi suốt thời gian thực nghiên cứu Cám ơn tất bạn khóa học, người chung chí hướng đường tri thức để tất có kết ngày hơm Cảm ơn gia đình người thân động viên, hỗ trợ suốt thời gian thực nghiên cứu Xin trân trọng chân thành gửi lại tất nơi lòng tri ân sâu sắc Tp Hồ Chí Minh, ngày 20 tháng năm 2018 Người thực luận văn Lê Tấn Cường TĨM TẮT I Mục đích nghiên cứu, khách thể đối tượng nghiên cứu đề tài : Luận văn tập trung vấn đề liên quan đến thiết kế điều khiển hệ thống điện lượng mặt trời hòa vào lưới điện pha, sử dụng lọc LCL để tối ưu hóa chất lượng điện năng, giảm sóng hài trước hịa vào lưới, cụ thể: Tính tốn thiết kế, lựa chọn thông số cho lọc đầu ra, từ chọn cấu hình phù hợp cho lọc II Nhiệm vụ nghiên cứu giới hạn đề tài : Nhiệm vụ nghiên cứu - Tìm hiểu lượng mặt trời giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo nguyên lý pin quang điện (PV); loại hệ thống PV nối lưới độc lập - Thiết kế biến tần kết nối lưới pha, thông số biến tần, xác định kích thước tụ điện liên kết DC - Tính tốn thiết kế, lựa chọn thông số cho lọc đầu - Thiết kế điều khiển điện áp DC, đồng hóa lưới, điều khiển dịng điện - Mơ hình hóa mơ hệ thống PV kết nối lưới pha matlab/ simulink - Đánh giá kết mô - Kết luận Giới hạn đề tài Do giới hạn thời gian điều kiện nghiên cứu nên đề tài giới hạn vấn đề sau: Thiết kế điều khiển hệ thống điện lượng mặt trời hòa vào lưới điện pha mơ dùng chương trình Matlab/Simulink mà khơng đề cập việc tính tốn thiết kế panel PV, khơng thiết kế thi cơng mơ hình thực, khơng đề cập đến toán kinh tế để lựa chọn lọc LCL ABSTRACT I The purposes, the objects and the subjects of the research study The thesis focuses on the issues related to design controls solar power system integrated into the single phase power grid, use LCL filter to max the power quality, perfect mixer before making on grid, detail: Calculations accounting, select parameters for the filter filter from the selected configuration configuration for filter II The procedures and the limitations of the research study: the procedures of the research study - Find the sky quality and solutions using effect; Structure and principle of photovoltaics (PV); Types of PV systems connected and independent - Design of single phase power inverter, parameters of inverter, determines the size of the DC link capacitor - Design calculations, select the parameters for the output filter - Design of DC voltage control, grid synchronization, current control - Modeling and simulation of single phase PV system by matlab / simulink - Evaluate the results of simulation| - Conclusion the limitations of the research study Due to the limited time and research conditions, the topic is limited to the following issues: Design controls solar power system integrated into the single phase power grid and simulation using Matlab / Simulink not to mention the design of PV Panels, no real construction design, not to mention the economics of choosing LCL filters MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN LỜI CÁM ƠN TÓM TẮT ABSTRACT MỤC LỤC DANG MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC BẢNG DANG MỤC CÁC HÌNH VẼ MỞ ĐẦU 1 Đặt vấn đề Tính cần thiết Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 3.1 Ý nghĩa khoa học 3.2 Ý nghĩa thực tiễn Mục đích nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu 5.1 Lý thuyết 5.2 Mô Tên đề tài Bố cục luận văn Kết luận CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Các hệ thống PV kết nối lưới 1.1.1 Biến tần đơn tập trung 1.1.2 Biến tần hai cấp 1.2 Các điều kiện hòa đồng 1.2.1 Điều kiện tần số 1.2.2 Điều kiện điện áp 1.2.3 Điều kiện pha 1.2.4 Đồng vị pha hai hệ thống lưới 1.3 Các điều khiển VSI 1.4 Giảm kích thước tụ điện DC 1.5 Kỹ thuật đồng hóa lưới 11 1.6 Mục tiêu 12 CHƯƠNG THIẾT KẾ BIẾN TẦN KẾT NỐI LƯỚI MỘT PHA 13 2.1 Thông số kỹ thuật biến tần 13 2.2 Cấu hình mạch đóng cắt 14 2.3 Tụ điện liên kết DC 15 2.3.1 Tụ điện phân so với tụ phim 15 2.3.2 Xác định kích thước tụ điện liên kết DC 18 2.4 Thiết kế lọc đầu 19 2.4.1 Tính tốn lựa chọn giá trị cho cuộn dây tụ điện 20 2.4.2 Cấu hình lọc 21 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 24 3.1 Bộ điều khiển dòng điện 24 3.1.1 Mơ hình 25 3.1.2 Bộ điều khiển cộng hưởng tỷ lệ 26 3.1.3 Tính ổn định vịng kín 29 3.2 Phương pháp đồng lưới 31 3.2.1 Bộ ước lượng điện áp lưới 32 3.2.1.1 Mô công cụ ước lượng điện áp lưới 34 3.2.2 Biên độ điện áp lưới danh định 38 3.2.3 Dòng điện tham chiếu đồng hóa 40 3.2.4 Thảo luận phương pháp đồng lưới đề xuất 40 3.3 Bộ điều khiển điện áp 41 3.3.1 Mơ hình vịng lặp điện áp 42 3.3.2 Bộ bù điện áp DC 45 3.4 Thực điều khiển kỹ thuật số 45 3.4.1 Nghiên cứu tần số đóng cắt 47 3.4.2 Định dạng đơn vị số cố định 47 65 Kết mô điện áp Thông số điện áp DC Thông số điện áp AC Nhận xét: Từ dạng sóng hình 4.26 kết mô ta thấy điện áp DC ban đầu từ 311V-331V có giá trị RMS 322V qua điều khiển nghịch lưu thành AC dạng sóng hình sin có biên độ dao động từ -250V đến 250V có giá trị RMS 176V 66 Kết mơ dịng điện Thơng số dịng DC Thơng số dịng AC Nhận xét: Từ dạng sóng hình 4.26 kết mơ ta thấy dịng điện DC ban đầu từ 20A có giá trị RMS 20A qua điều khiển nghịch lưu thành dòng AC dạng sóng hình sin có biên độ dao động từ -50A đến 44A có giá trị RMS 33A 67 Hình 4.27: Tín hiệu i_ac qua điều khiển dùng lọc L Kết mô i_ac dùng lọc L 68 4.5.3 dùng lọc LC Hình 4.28: Sơ đồ hịa đồng dùng lọc LC Hình 4.29: Dạng sóng hịa đồng dùng lọc LC 69 Kết mô điện áp Thông số điện áp DC Thông số điện áp AC Nhận xét: Từ dạng sóng hình 4.29 kết mô ta thấy điện áp DC ban đầu từ 311V-331V có giá trị RMS 322V qua điều khiển nghịch lưu thành AC dạng sóng hình sin có biên độ dao động từ -250V đến 250V có giá trị RMS 176V 70 Kết mơ dịng điện Thơng số dịng DC Thơng số dịng AC Nhận xét: Từ dạng sóng hình 4.29 kết mơ ta thấy dịng điện DC ban đầu từ 20A có giá trị RMS 20A qua điều khiển nghịch lưu thành dịng AC dạng sóng hình sin có biên độ dao động từ -41A đến 44A có giá trị RMS 33A 71 Hình 4.30: Tín hiệu i_ac qua điều khiển dùng lọc LC Kết mô i_ac dùng lọc LC 72 4.5.4 dùng lọc LCL Hình 4.31: Sơ đồ hòa đồng dùng lọc LCL Hình 4.32: Dạng sóng hịa đồng dùng lọc LCL Kết mô điện áp 73 Thông số điện áp DC Thông số điện áp AC Nhận xét: Từ dạng sóng hình 4.32 kết mơ ta thấy điện áp DC ban đầu từ 311V-331V có giá trị RMS 323V qua điều khiển nghịch lưu thành AC dạng sóng hình sin có biên độ dao động từ -250V đến 250V có giá trị RMS 168V 74 Kết mơ dịng điện Thơng số dịng DC Thơng số dịng AC Nhận xét: Từ dạng sóng hình 4.32 kết mơ ta thấy dòng điện DC ban đầu từ 20A có giá trị RMS 20A qua điều khiển nghịch lưu thành dịng AC dạng sóng hình sin có biên độ dao động từ -50A đến 50A có giá trị RMS 33A 75 Hình 4.33: Tín hiệu i_ac qua điều khiển dùng lọc LCL Kết mô i_ac dùng lọc LCL 76 Nhận xét chung: Kết thu từ dạng sóng bảng kết mô ta thấy chu kỳ T từ 0.004-0.013 (s) không dùng lọc LCL giá trị điện áp dao động từ 254V-310V tức ∆V= 56V, dùng lọc L, LC, LCL giá trị điện áp tăng lên 311V 331V độ dao động lại giảm xuống ∆V= 20V Trong chu kỳ T từ 0.001-0.01 (s) không dùng lọc LCL giá trị biên độ dòng điện dao động từ -51A đến 51A tức ∆A= 102A, dùng lọc L, LC, LCL giá trị biên độ dòng điện dao động giảm từ -50A đến 50A tức ∆A= 100A Kết luận: Từ kết ta nhận thấy tín hiệu dịng điện điện áp ban đầu DC chưa ổn định qua biến tần nghịch lưu thành AC có dạng sóng hình sin chưa ổn định, nên để ổn định điện áp đầu hịa lên lưới phải qua lọc LCL dạng sóng sin có độ ổn định cao hơn, nhấp nhơ sóng hài thấp Tóm lại: dùng lọc LCL cho dạng sóng có sóng hài thấp chất lượng sóng tốt khơng dùng lọc, dùng lọc L, LC 77 CHƯƠNG KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI 5.1 KẾT LUẬN Luận văn nghiên cứu giới thiệu hệ thống PV kết nối lưới, điều khiển VSI, kỹ thuật đồng hóa lưới giảm kích thước tụ điện DC Mặc dù luận văn khơng phải tập trung nghiên cứu giảm kích thước tụ điện DC thiết kế lọc đầu để đảm vấn đề kinh tế ổn định dạng sóng chất lượng sóng đầu ra, giảm lượng lớn sóng hài, em đưa phần phân tích tìm hiểu tụ điện phân so với tụ phim phân tích ưu nhược điểm từ xác định loại tụ phù hợp, xác định kích thước tụ điện liên kết DC, lựa chọn thông số phù hợp cho cuộn dây, tụ lọc điện trở giảm sốc từ thiết kế lọc đầu LCL Xây dựng mơ hình điều khiển dịng điện, phương pháp đồng hóa lưới mơ hình điều khiển điện áp DC Tính tốn lựa chọn thông số kỹ thuật biến tần lọc LCL để mô hệ thống điện lượng mặt trời hòa lưới pha sử dụng phần mềm MATLAB – SIMULINK Kết cho thấy hệ thống làm việc tin cậy, đảm bảo độ xác qua điều khiển, biến tần, kết đảm bảo: + Điện áp từ pin quang điện qua điều khiển, biến tần tần số với điện áp lưới + Điện áp từ pin quang điện qua điều khiển, biến tần trùng pha với điện áp lưới + Điện áp từ pin quang điện qua điều khiển, biến tần có trị số biên độ với điện áp lưới 5.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN TRONG TƯƠNG LAI Luận văn sử dụng tài liệu thầy cô giáo, Viện sỹ, Giáo sư, Tiến sỹ, quan chuyên ngành cung cấp ghi nhận phần tài liệu tham khảo Qua kết trình bày luận văn, mạch điều khiển dừng lại mơ phỏng, từ mở hướng nghiên cứu Nghiên cứu phát triển lý thuyết hệ thống điều khiển thơng minh nhằm thiết kế hồn chỉnh hệ thống lưới điện thơng minh (Smart Grid System), xây dựng mơ hình mô hoạt động hệ thống điện mặt trời nối lưới, đáp ứng cách linh 78 hoạt yêu cầu công suất lưới điện Vấn đề mang lại hiệu to lớn việc khai thác sử dụng hiệu nguồn lượng sạch; Ứng dụng nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn lượng mặt trời Nội dung đề tài nghiên cứu hệ thống nối lưới pha – công suất vừa (3kW) cho hộ gia đình nên phát triển theo hướng xây dựng hệ thống nối lưới pha, hệ thống nối lưới pha kết hợp với lượng gió Sau cùng, nỗ lực làm việc hướng dẫn bảo tận tình thầy giáo PGS.TS Nguyễn Thanh Phương song điều kiện thời gian không cho phép nên nội dung đề tài nghiên cứu cịn nhiều thiếu sót hạn chế Kính mong hội đồng giám khảo, thầy cô, bạn bè đồng nghiệp đóng góp ý kiến để luận văn tăng thêm giá trị khoa học thực tiễn Xin chân thành cảm ơn! 79 Phụ lục C Bảng sóng hài cho chế độ chuyển đổi biến tần Bảng C.1: Sóng hài tổng quát 𝑉𝐴𝑜 cho độ lớn 𝑚𝑓 ... TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HCM - LÊ TẤN CƯỜNG THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA LUẬN VĂN THẠC SĨ Chuyên ngành: Kỹ thuật điện Mã số ngành:... khiển hệ thống điện lượng mặt trời hòa vào lưới điện pha Bố cục luận văn Luận văn thực theo bố cục nội dung sau: Chương 1: Giới thiệu chung Chương 2: Thiết kế biến tần kết nối lưới pha Chương 3: Thiết. .. KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA VÀO LƯỚI ĐIỆN MỘT PHA II- Nhiệm vụ nội dung: - Tìm hiểu lượng mặt trời giải pháp sử dụng hiệu quả; cấu tạo nguyên lý pin quang điện (PV); loại hệ thống