ĐỀ TÀI PHÂN TÍCH, MÔ HÌNH HÓA VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT KẾT NỐI LƯỚI

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BỘ MÔN KỸ THUẬT ĐIỆN -o0o - ĐỒ ÁN ĐỀ TÀI: PHÂN TÍCH, MƠ HÌNH HĨA VÀ THIẾT KẾ “HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT KẾT NỐI LƯỚI” GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ SVTH: Cao Đức Huy MSSV: 1911228 TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 12 NĂM 2022 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Trường Đại học Bách Khoa- ĐHQG TpHCM ĐỒ ÁN MÔN HỌC Khoa Điện-Điện tử Bộ môn Cung Cấp Điện -o0o -Cán hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Sinh viên thiết kế: Cao Đức Huy MSSV: 1911228 Ngày nhận đề tài: Ngày hồn thành: Đề tài: Phân tích, mơ hình hóa thiết kế “Hệ thống biến đổi công suất kết nối lưới” NHIỆM VỤ THIẾT KẾ A- NỘI DUNG 1- Giới thiệu hệ thống biến đổi công suất: 2- Các dạng sơ đồ hệ thống biến đổi kết nối lưới: (sơ đồ, đặc điểm, ưu khuyết điểm) 3- Phân tích sơ đồ hệ thống điều khiển biến đổi kết nối lưới 4- Kỹ thuật điều khiển 5- Tính tốn: mạch lọc, mạch điều khiển 6- Mơ hình mơ phỏng- kết quả, kết luận B- MƠ PHỎNG: Sử dụng MATLAB Simulink SỐ LIỆU VỀ NGUỒN: Điện áp TP.HCM ngày 26 tháng 12 năm 2022 Chủ nhiệm môn Cán hướng dẫn Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………… TP.HCM, ngày 26 tháng 12 năm 2022 Cán hướng dẫn LỜI NÓI ĐẦU Việt nam quốc gia phát triển, nhu cầu lượng ngày tăng Để đảm bảo phát triển bền vững đặc biệt cân lượng quốc gia tương lai, Việt nam tập trung nghiên cứu phát triển nguồn lượng lượng mặt trời nguồn lượng hiệu tương lai Để khai thác sử dụng lượng mặt trời cách hiệu việc nghiên cứu nghịch lưu có hiệu suất cao cho hệ thống pin mặt trời (PV) vấn đề cần quan tâm Việc mơ phỏng, tính tốn tìm hiểu lí thuyết để nắm nguyên lý vận hành hệ thống biến đổi cơng suất nối lưới vơ bổ ích cho việc vận dụng lý thuyết học điện tử công suất năm vừa qua May mắn thay, em nhận đề tài “Phân tích, mơ hình hóa thiết kế “Hệ thống biến đổi công suất kết nối lưới” thầy Nguyễn Văn Nhờ phân cơng Cùng với nỗ lực tìm hiểu, giúp đỡ bạn thầy cô, đặc biệt thầy Nguyễn Văn Nhờ-giảng viên hướng dẫn Đồ án 2, em hồn thành đề tài Dù hoàn thành, trình thực khơng thể tránh khỏi sơ sót Em hi vọng sai sót nhận góp ý điều chỉnh từ thầy để em tiếp thu nhiều kinh nghiệm cho bây giờ, vận dụng cho trình làm sau Một lần nữa, em xin cảm ơn thầy cô Bộ môn Kỹ Thuật Điện, chuyên ngành Cung cấp điện kiến thức quý báu giảng viên hướng dẫn-PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ tận tình giúp đỡ em hồn thành đề tài Em xin chân thành cảm ơn ! Sinh viên thực Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Mục Lục CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 1.1 Bộ nghịch lưu nối lưới cho pin mặt trời………………………………………………5 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI KẾT NỐI LƯỚI 2.1 Hệ thống biến đổi AC-DC kết nối lưới dùng nguồn lượng mặt trời……………6 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ KẾT NỐI LƯỚI 3.1 Bộ biến đổi DC/DC………………………………………………………………… 3.2 Bộ nghịch lưu DC/AC……………………………………………………………….10 CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN LÝ THUYẾT 4.1 Tính tốn mạch cơng suất……………………………………………………………15 4.2 Tính tốn mạch lọc………………………………………………………………… 18 CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH, MƠ PHỎNG…………………………………… ……….19 CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG……………………………………………… 27 CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN …………………………………………………………… 29 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CÁC SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BIẾN ĐỒ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT 1.1 Bộ nghịch lưu nối lưới: Chức năng: Bộ biến tần biến đổi điện chiều DC thành điện xoay chiều AC Ứng dụng: Bộ biến tần: Biến đổi điện DC → AC để hòa lưới điện truyền tải điện, truyền động điện động xoay chiều, gia nhiệt cảm ứng, cung cấp điện cho máy móc thiết bị điện tiêu thụ điện xoay chiều công suất lớn,… 1.2 Các yêu cầu kĩ thuật tiêu chí đánh giá - Độ méo dạng sóng hài THD: 6.5% (Điều Thơng tư 39/2015/TT-BCT ngày 18/11/2015 Bộ Cơng Thương) - Dịng rị khơng q 300 mA ( IEC 60439-1) - Hiệu suất không 95% Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 2: MỘT SỐ SƠ ĐỒ HỆ THỐNG BIẾN ĐỔI KẾT NỐI LƯỚI 2.1 Các sơ đồ hệ thống biến đổi kết nối lưới điện mặt trời Hình 1: Sơ đồ hệ thống nối lưới pin mặt trời Sơ đồ nguyên lí hệ thống nối lưới bản: Hình 2: Sơ đồ ngun lí Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ H bridge inverter: Hình 3: Bộ biến đổi DC/AC cầu H CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH SƠ ĐỒ KẾT NỐI LƯỚI Hình 4: Sơ đồ khối 3.1 Bộ biến đổi DC/DC Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Bộ biến đổi DC/DC hệ thống nguồn Pin mặt trời lựa chọn Boost Converter (hay gọi tăng áp chiều) có cấu trúc hình 2, điều khiển cho hệ Boost Converter lấy tín hiệu vào điện áp đo từ dàn Pin mặt trời Upv, đầu điều khiển Udc để đưa tới đầu vào cho nghịch lưu Inverter DC/AC, trình chuyển đổi điện áp có can thiệp thuật tốn MPPT Trong nghiên cứu này, nhóm thực sử dụng thuật tốn bám cơng suất cực đại nhiễu loạn quan sát P&O (Perturb and Observer algorithm) Đây phương pháp đơn giản sử dụng thơng dụng nhờ đơn giản thuật tốn việc thực dễ dàng Thuật toán xem xét tăng, giảm điện áp theo chu kỳ để tìm điểm làm việc có cơng suất lớn Nếu biến thiên điện áp làm công suất tăng lên biến thiên giữ nguyên chiều hướng tăng giảm Ngược lại, biến thiên làm cơng suất giảm xuống biến thiên có chiều hướng thay đổi ngược lại Khi điểm làm việc có cơng suất lớn xác định đường cong đặc tính biến thiên điện áp dao động xung quanh điểm MPPT Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 5: Thuật tốn P&O Bộ điều khiển MPPT đo giá trị dòng điện I điện áp V, sau tính tốn độ sai lệch ∆P, ∆V kiểm tra: - Nếu ∆P ∆V > tăng giá trị điện áp tham chiếu Vref - Nếu ∆P ∆V < giảm giá trị điện áp tham chiếu Vref Sau cập nhật giá trị thay cho giá trị trước V, P tiến hành đo thông số I, V cho chu kỳ làm việc Cấu trúc tổng thể hệ điều khiển DC/DC cho hình Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN MẠCH CƠNG SUẤT, MẠCH LỌC, MẠCH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Tính tốn mạch cơng suất: Chọn pin mặt trời nối tiếp, nhánh, chọn loại Pin SunPower SPR-305E-WHT-D, công suất 5,5KW, hệ thống điện mặt trời nối lưới pha hiệu hộ dân dụng nằm khoảng 3-5KW nên ta chọn pin mặt trời gần với mức dân dụng bình thường Chọn nhiệt độ cố định 25oC, xạ cho thay đổi theo hàm Repeating Sequence Stair Điện áp máy phát khoảng 307V < 400V (điện áp cần hòa vào lưới) nên cần dùng mạch Boost tăng áp Hình 10: Chọn pin mặt trời Bộ biến đổi DC-DC kiểu tăng áp ( Boost Converter) Tần số đóng ngắt 🡪 tần số sóng mang (tam giác) chọn >= tần số đóng ngắt chọn kHz 15 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 11: Bộ tăng áp DC/DC Yêu cầu thiết kế: Input: Vin = 305VDC Output: Vout = 400VDC Dòng điện định mức linh kiện Diode: ID = K P/3Up = 5500/3.307 = 11,94 A Trong K hệ số an toàn chọn lựa linh kiện Điện áp định mức khóa bán dẫn S1: VD = VS = K Up = 307 = 614V Dòng điện định mức khóa bán dẫn S1: ID = IS = 11,94 A - Tính tốn chọn giá trị cho cuộn cảm L: Giá trị điện áp đầu vào Boost Uin, giá trị điện áp ngõ Boost Uout giá trị áp đầu vào inverter Tỉ số điều chế tăng áp: - Uin/Uout = 1- 307/400 = 0,2325 → Lmin = γ ¿ ¿ - = 0,2325 ¿ ¿ = 3,42.1 0−9 H Tính tốn chọn giá trị cho tụ điện C: Giá trị tụ điện C đảm bảo cho độ gợn sóng điện áp tụ khơng q 5% là: △ Uo Uo = γ ≤ RCfs 0.05 → C ≤ γ 0.05 Rfs = 0.2325 0.001.0 05 20 10 → C ≤ 0,2325 Bộ nghịch lưu : Dùng nghịch lưu cầu H pha: 16 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ (Hình 9) Bộ nghịch lưu áp pha gồm khóa bán dẫn tích hợp IGBT/Diode Hình 12: Diode Dịng điện định mức linh kiện Diode: ID = K P/3Up = 5500/3.307 = 11,94 A Trong K hệ số an toàn chọn lựa linh kiện Điện áp định mức khóa bán dẫn S1: VD = VS = K Up = 307 = 614V Dịng điện định mức khóa bán dẫn S1: ID = IS = 11,94 A 4.2 Tính tốn mạch lọc 17 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 13: Mạch lọc LCL Theo Kirchoff, mơ hình lọc viết mặt phằng phức: Các kiện ban đầu: Công suất hệ thống 5.5KW, điện áp dây lưới En = 311V, điện áp DC tụ liên lạc Vdc = 400V, tần số điện áp lưới f = 50hZ, tần số switching Fsw = 3khZ Các giá trị bản: zb = ( E n2 ¿/ Pn=17,58 Lb = zb/wn = 17,58 / π 50 = 0.06H Cb= 1/zb.wn = 1/17.58.2 π 50 = 1.81.1 0−4 F CHƯƠNG 5: MƠ HÌNH, MƠ PHỎNG Mơ hình tổng quan Simulink: 18 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 14: Sơ đồ tồn hệ thống Solar array: Hình 15: Chọn chỉnh định PV array Lấy khối PV array thư viện, chọn pin mặt trời nối tiếp, nhánh, chọn loại Pin SunPower SPR-305E-WHT-D 19 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 16: Chỉnh định thơng số Pin Tăng áp DC ( DC boost): Gồm có cuộn cảm L, khóa bán dẫn S, Diode tụ C Hình 17: Chỉnh định thơng số mạch tăng áp DC/DC Dựa theo điều kiện tính tốn giá trị điện cảm tối thiểu L để dòng điện ngõ DC – DC Boost phẳng mục ta chọn giá trị cài đặt cho L = 0.5e-3 (H) Dựa theo điều kiện tính tốn giá trị C để gợn sóng ngõ DC – DC Boost không 5% tính mục C ≤ 0,2325 , ta chọn giá trị đặt cho tụ C 500.1 0−6 20 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 18: Chỉnh định thơng số tụ C Nghịch lưu cầu H: Hình 19: Nghịch lưu cầu H 21 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Mạch lọc LCL: Hình 20: Chỉnh định mạch lọc LCL Nguồn lưới: Hình 21: Nguồn phía lưới Vịng khóa pha PLL: Hình 22: Vịng khóa pha PLL 22 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Thuật tốn P&O: Hình 23: Thuật tốn P&O Hình 24: P&O 23 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ function Do= P_O(DP,DV,Incr,Dold) if DP>0 if DV>0 Do=Dold-Incr; else Do=Dold+Incr; end else if DV >0 Do=Dold+Incr; else Do=Dold-Incr; end end Điều khiển điện áp DC: Hình 25: Mô tả điều khiển điện áp DC 24 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Điều khiển cộng hưởng tỷ lệ PR: Hình 26: Mơ hình điều khiển PR Tính tốn dịng đặt: Hình 27: Tính tốn dịng đặt 25 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ (Cơng thức tính dịng đặt Iref) Điều khiển tạo xung cho mạch nghịch lưu cầu H: Hình 28: Điều khiển tạo xung cho mạch nghịch lưu Giám sát: Hình 29: Scope2 26 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 6: KẾT QUẢ MƠ PHỎNG Hình 30: Scope Hình 31: Scope Sóng hài: 27 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ Hình 32: Vg Hình 33: iG 28 Đồ án GVHD: PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ CHƯƠNG 7: KẾT LUẬN Đồ án xây dựng khảo sát hệ điều khiển cho biến đổi Các vòng điều khiển dòng điện, điện áp chiều trung gian đưa phân tích thiết kế Đồ án xây dựng mơ hình mơ biến đổi nghịch lưu nguồn áp mang đầy đủ ý nghĩa vật lý lẫn tính hệ thống chặt chẽ, sở giả thiết vừa đủ Các minh chứng mô cho thấy biến đổi dùng hệ thống pin mặt trời có nối lưới làm việc tốt kết đưa có tính thuyết phục, có khả ứng dụng vào thực tế Các kết thực nghiệm mơ hình thực tế cho kết tốt, chứng minh giải pháp đề xuất Hiệu suất thiết bị cải thiện thời gian tới cách tiến hành nâng tần số băm lựa chọn linh kiện cơng suất có hiệu suất biến đổi cao.’ TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trịnh Trọng Chưởng* , Bùi Văn Huy, NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG BIỂN ĐỔI ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI, báo Khoa học công nghệ [2] Trần Quang Thọ ĐIỀU KHIỂN BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI TRONG MẠNG ĐIỆN PHÂN PHỐI luận văn tiến sĩ, đại học Sư phạm kĩ thuật TP.HCM, 2017 [3] Nguyễn Văn Nhờ, Giáo trình Điện Tử Cơng Suất 1, NXB ĐH Quốc gia TP.HCM, 2002 [4] Nguyễn Phùng Quang, Matlab Simulink, nhà xuất khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] VÕ TRỌNG CHINH, ĐIỀU KHIỂN CÁC BỘ BIẾN ĐỔI CÔNG SUẤT TRONG HỆ THỐNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI KẾT NỐI LƯỚI, luận văn thạc sĩ, đại học công nghệ Hutech, 2018 29