Bài tập lớn điện tử công suất bộ nghịch lưu nối lưới

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH BỘ MƠN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI GVHD LÊ MINH PHƯƠNG MSSV 2012236 2013768 2014138 1912733 2010419 NHĨM 05 SINH VIÊN Võ Chí Tồn Ngơ Đức Minh Ngơ Đức Phú Nguyễn Vĩnh Bình Phạm Hồi Bảo Minh 0 LỚP L02 HỒN THÀNH CÔNG VIỆC 20% 20% 20% 20% 20% MỤC LỤC BỘ NGHỊCH LƯU PHA NỐI LƯỚI I.GIỚI THIỆU .1 II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.Cấu tạo chung 2.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển sóng vng 3.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển kiểu PWM 4.Cấu trúc nguồn điện phân tán DG tiêu chuẩn nối lưới .8 4.1.Cấu trúc nguồn điện phân tán DG nhờ lượng tái tạo 4.2.Các tiêu chuẩn nối lưới .10 III.ỨNG DỤNG 12 Ứng dụng hệ thống quang điện .12 Ứng dụng hệ thống tua bin gió 14 Ứng dụng nghịch lưu nối lưới song song cho xe vào lưới (V2G) 15 Ứng dụng trạm nghịch lưu HVDC 17 IV.MÔ PHỎNG 18 1.Mạch nghịch lưu pha 18 2.Mạch nghịch lưu pha 20 V.KẾT LUẬN .24 TÀI LIỆU THAM KHẢO .25 0 I.GIỚI THIỆU Với xu hướng giảm khí thải nhà kính , bảo vệ mơi trường , tránh biến đổi khí hậu lượng xanh ngày nghiên cứu, phát triển cách mạnh mẽ Bộ nghịch lưu nối lưới thành phần quan trọng hệ thống chuyển đổi từ lượng xanh thành điện để sử dụng Bộ nghịch lưu nối lưới ngày nghiên cứu , ứng dụng rộng rãi Bài tập lớn giúp hiểu cấu tạo, ứng dụng Bộ Nghịch Lưu Nối Lưới II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.Cấu tạo chung Bộ nghịch lưu có chức chuyển đổi nguồn lượng từ nguồn điện chiều không đổi sang dạng lượng xoay chiều Tuỳ vào đại lượng điều khiển ngõ điện áp hay dòng điện mà nghịch lưu gọi nghịch lưu áp nghịch lưu dòng Trong phân tích chủ yếu nghịch lưu áp nối lưới Với nguồn điện chiều Vdc chọn đơn giản acquy, pin điện dạng phức tạp gồm điện áp xoay chiều chỉnh lưu lọc phẳng Linh kiện nghịch lưu áp có khả kích đóng kích ngắt dịng điện qua (có vai trị cơng tắc) Có thể sử dụng transistor BJT, MOSFET, IGBT làm công tắc (với ứng dụng công suất nhỏ vừa) GTO, IGCT, SCR kết hợp với chuyển mạch (với ứng dụng cơng suất lớn) Bên cạnh đó, linh kiện mắc diode đối song song, cho phép tạo mạch chỉnh lưu có chiều dẫn điện ngược lại với chiều dẫn điện công tắc Giúp tạo điều kiện thuận lợi cho q trình trao đổi cơng suất ảo nguồn điện chiều tải xoay chiều, hạn chế điện áp phát sinh kích ngắt công tắc  Bộ nghịch lưu áp pha 0  Bộ nghịch lưu áp pha 0 2.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển sóng vng  Bộ nghịch lưu áp pha Bộ nghịch lưu áp phù hợp với tải có tính cảm kháng (xét tải gồm có điện trở cuộn dây) Với giản đồ kích đóng cơng tắc, thu đồ thị điện áp tải sau: Hình Giản đồ kích đóng cơng tắc nghịch lưu pha Với ngun tắc kích: hai cơng tắc bán dẫn nhánh cầu (S 1&S4, S2&S3) kích đối nghịch khơng có trường hợp hai công tắc nhánh dẫn tắt Trong thực tế để tránh xảy tình trạng ngắn mạch nguồn (cả hai cơng tắc nhánh cầu dẫn), cần thiết lập khoảng thời gian chết (dead-time) bắt đầu chuyển mạch hai công tắc pha tải giản đồ đóng ngắt Do khoảng thời gian chết thiết lập nhỏ không đáng kể nên không ảnh hưởng đến q trình phân tích mạch sau này, bỏ qua Do tải có chứa thành phần cuộn dây công tắc mắc diode đối song song nên dịng tải thu dịng liên tục khơng gián đoạn Trong chu kì chia làm khoảng kích dẫn sau: 0  Khoảng I: S1, S2 kích, dịng điện theo chiều: U+→S1→Tải→S2→U-, dòng điện It dương tăng liên tục (cuộn dây nạp lượng)  Khoảng II: S3, S4 kích dịng điện theo chiều: U-→D4→Tải→D3→U+, dịng điện It dương giảm liên tục (cuộn dây xả lượng)  Khoảng III: S3, S4 kích dịng điện theo chiều: U+→S3→Tải→S4→U-, dòng điện It âm giảm liên tục (cuộn dây xả lượng)  Khoảng IV: S1, S2 kích, dịng điện theo chiều: U-→D2→Tải→D1→U+, dịng điện It âm tăng liên tục (cuộn dây nạp lượng) Phân tích dịng qua tải: Với ≤ t < T/2, có Với T/2 ≤ t < T, có Với t = → Với t = T/2 = = -→ 0 Giá trị Imin Imax xác định từ q trình đối xứng hai nửa chu kì điện áp dịng điện tải, từ suy Phân tích Fourier cho điện áp tải: Áp tải chứa thành phần hài bậc lẻ độ méo dạng điện áp: = = 0.483 = 48.3%  Bộ nghịch lưu áp pha Bộ nghịch lưu áp pha thiết kế với tải có tính cảm kháng ngun tắc kích đóng ngắt cơng tắc tương tự cho nhánh hai công tắc không dẫn tắt, kích đối nghịch Bộ nghịch lưu áp pha phân tích tương tự, với khoảng dẫn kích hình tải đấu (Y), thu đồ thị điện áp tải hình (gần giống điện áp pha) 0 Hình Đồ thị kích điện áp tải nghịch lưu ba pha Phân tích Fourier điện áp pha, thu chuỗi sóng sin sau: = = 0.311 = 31.1% 3.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển kiểu PWM  Bộ nghịch lưu pha kiểu bán cầu Hình Bộ nghịch lưu pha kiểu bán cầu  Bộ nghịch lưu pha kiểu cầu 0 Hình Bộ nghịch lưu pha kiểu cầu  Bộ nghịch lưu pha Hình Bộ nghịch lưu pha Với khoá bán dẫn điều khiển mạch so sánh giá trị sóng điều khiển ucontrol sóng mang utri dạng tam giác, khố kích dẫn với khoảng dẫn khác thoả mãn ngun tắc kích đóng ngắt Với sóng điều khiển ucontrol biến thiên chậm nhiều sóng mang u tri, biên độ tần số hài điện áp ngõ điều khiển qua biên độ tần số sóng điều khiển Việc tăng tần số đóng ngắt phương pháp giúp giảm thành phần sóng hài Nhưng điều lại gây cơng suất tổn hao đóng ngắt công suất tổn hao linh kiện tăng tỉ lệ với tần số đóng ngắt 4.Cấu trúc nguồn điện phân tán DG tiêu chuẩn nối lưới 4.1.Cấu trúc nguồn điện phân tán DG nhờ lượng tái tạo 0 Mặc dù thân thiện với môi trường khả vô lớn, nhược điểm lượng tái tạo bị lỗng khơng liên tục Do đó, cần nối lưới để đảm bảo nguồn điện có chất lượng cao với chi phí rẻ Để biến đổi hòa đồng nguồn điện từ lượng tái tạo vào hệ thống điện, thường có hai dạng kết nối lưới bản:  Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng không đồng (tua bin gió)  Phát điện dùng nghịch lưu trực tiếp gián tiếp Hình Cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới Việc đấu nối phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến chế độ vận hành mạng điện Để hịa đồng với lưới điện, cần có điện áp, tần số, thứ tự pha góc pha với điện áp lưới điện Nếu hội tụ đủ điều kiện này, điện áp hịa đồng với lưới với mức điện áp dao động nằm phạm vi ±5% điểm kết nối chung Điện gió, điện mặt trời kết nối 0 Trong tiêu chuẩn IEEE 1547, máy phát DG ngừng cung cấp điện tự đóng lại khơi phục trở lại hệ thống Yêu cầu đưa nhằm ngăn ngừa đồng khoảng thời gian đóng lại, ảnh hưởng tới thiết bị bảo vệ dòng tránh hư hại tới máy biến áp, động DG III.ỨNG DỤNG Ứng dụng hệ thống quang điện Hệ thống quang điện nối lưới, hệ thống PV nối lưới hệ thống lượng mặt trời PV tạo điện kết nối với lưới điện tiện ích Một hệ thống PV nối lưới bao gồm pin mặt trời, nhiều nghịch lưu, điều hòa lượng thiết bị nối lưới Chúng có mặt từ hệ thống mái nhà dân cư thương mại nhỏ đến nhà máy điện mặt trời quy mơ tiện ích lớn Ở điều kiện phù hợp, hệ thống PV nối lưới cung cấp lượng điện dư thừa vượt mức tiêu thụ tải cho lưới Bộ nghịch lưu nối lưới phần hệ thống PV nối lưới, có tác dụng thay đổi dòng điện chiều (DC) thu pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) Dòng điện xoay chiều dòng điện tiêu chuẩn cần thiết để cung cấp lượng cho thiết bị gia dụng kết nối với lưới điện Quốc gia Các nghịch lưu sử dụng ứng dụng quang điện trước chia thành hai loại chính: a) Bộ nghịch lưu độc lập Bộ nghịch lưu độc lập dành cho nhà máy quang điện không kết nối với mạng lưới phân phối lượng chính, cung cấp lượng điện cho tải, đảm bảo ổn định thông số điện áp tần số Điều giúp chúng chịu tình q tải tạm thời Khi đó, nghịch lưu kết hợp với hệ thống lưu trữ pin để đảm bảo cung cấp lượng ổn định 12 0 Hình 7.Hệ thống nghịch lưu độc lập b) Bộ nghịch lưu nối lưới Các nghịch lưu nối lưới đồng hóa với lưới điện mà chúng kết nối Khi đó, thơng số điện áp tần số quy định lưới điện Các nghịch lưu phải có khả ngắt kết nối lưới điện bị lỗi để tránh khả cung cấp ngược xảy với lưới điện gây nguy hiểm nghiêm trọng Các nghịch lưu lượng mặt trời có số ưu điểm bên cạnh tồn số lỗ hổng giảm thiểu hiệu suất nghịch lưu nối lưới gây lo ngại an toàn Trên thực tế lý là:  Điều kiện thời tiết khắc nghiệt  Vị trí lắp đặt nghịch lưu  Mưa, độ ẩm nhiệt độ cực cao vào số ngày Chính thế, việc sử dụng nghịch lưu chất lượng cao cách nhiệt quan trọng Bên cạnh đó, vị trí lắp đặt nghịch lưu phải nơi có mái che Mặc dù nghịch lưu có khả bị lỗi tuổi thọ nghịch lưu nối lưới 13 0 tăng lên đáng kể biết thực biện pháp an tồn nhằm tránh lỗi khơng mong muốn xảy nghịch lưu Hình 8.Hệ thống nghịch lưu nối lưới Ứng dụng hệ thống tua bin gió Tua bin gió thiết bị chuyển đổi lượng gió (động năng) thành điện Khi cánh quạt quay nhờ gió, điện tạo gửi trở lại lưới điện thông qua nghịch lưu nối lưới Có nhiều loại tua bin, số quay với vận tốc không đổi với góc cánh quạt điều chỉnh để tận dụng tối đa tốc độ gió có sẵn, số khác quay với tốc độ khác với gió có sẵn dựa vào thiết bị điện tử nghịch lưu để đồng hóa với lưới điện Hình Tua bin gió 14 0 Tua bin gió thực chất hoạt động quạt Thay điện cung cấp lượng cho quạt để quay, lượng gió cung cấp qua hộp số, sau làm quay động cơ/máy phát điện, từ tạo điện Điện sản xuất dạng DC, cần phải cung cấp qua nghịch lưu, từ chuyển đổi điện thành điện xoay chiều AC đưa trở lại vào lưới điện Khi sử dụng song song với lưới điện, dòng điện xoay chiều nghịch lưu tạo đưa trực tiếp vào mạch phân phối nước, mạch kết nối với lưới phân phối điện cơng cộng Do đó, hệ thống máy phát điện gió cung cấp trực tiếp tất phụ tải điện người dùng kết nối, chẳng hạn chiếu sáng, máy tính thiết bị gia dụng khác, v.v Khi tuabin gió khơng tạo đủ lượng, nguồn điện cần thiết để đảm bảo hoạt động bình thường tải người dùng kết nối lấy từ lưới điện công cộng Trong lượng tua-bin gió tạo vượt nhu cầu phụ tải, lượng cấp trực tiếp vào lưới điện, có sẵn cho phụ tải người dùng khác Hình 10 Bộ nghịch lưu nối lưới máy phát gió Ứng dụng nghịch lưu nối lưới song song cho xe vào lưới (V2G) V2G viết tắt “phương tiện nối lưới” công nghệ cho phép lượng đẩy trở lại lưới điện từ pin ô tô điện Với công nghệ xe nối lưới, pin tơ sạc xả dựa tín hiệu khác - chẳng hạn sản xuất tiêu thụ lượng gần Ý tưởng đằng sau phương tiện nối lưới tương tự sạc thông minh thông thường Sạc thông minh hay cịn gọi sạc V1G giúp điều khiển 15 0 việc sạc xe ô tô điện cho tăng giảm điện sạc cần thiết Phương tiện nối lưới tiến thêm bước cho phép lượng tích điện đẩy trở lại lưới điện từ pin xe để cân biến thể sản xuất tiêu thụ lượng Hình 11 Mơ V2G Ứng dụng Vehicle-to-grid (V2G) nguồn lượng phân tán đầy hứa hẹn, cho phép truyền lượng hai chiều pin xe điện với lưới điện cung cấp phụ trợ cho lưới điện Lợi ích ứng dụng V2G dễ dàng điều chỉnh điện áp tần số Để đạt lợi ích V2G, nghịch lưu nối lưới có ý nghĩa quan trọng việc giảm thiểu độ sụt điện áp cân phát sụt áp bù công suất phản kháng Một hệ thống nghịch lưu nối lưới pha cho ứng dụng V2G (vehicle-to-grid) hiển thị Hình 12 16 0 Hình 12 Hệ thống biến tần hịa lưới với PEV lưới Một nhóm PEV(plug-in electric vehicles) cung cấp lượng cho lưới điện bãi đậu xe tịa nhà thơng minh PEV kết nối với nghịch lưu pha Hệ thống bao gồm năm phần chính:  Pin PEV  Bộ chuyển đổi DC-DC hai chiều,  Bộ nghịch lưu DC-AC hai chiều  Bộ lọc đầu LCL  Tải Đối với hệ thống nghịch lưu kết nối song song, có hai yếu tố quan trọng chất lượng điện ổn định hệ thống Các lưu ý đặc biệt thiết kế hệ thống nghịch lưu cần phải xem xét cẩn thận nhằm đảm bảo chất lượng cao ổn định Ứng dụng trạm nghịch lưu HVDC HVDC công nghệ sử dụng để truyền tải điện số lượng lớn khoảng cách xa, kết nối vùng đồng khác kết nối biển Gần đây, HVDC trải qua hồi sinh Ở châu Âu, hồi sinh thúc đẩy gia tăng mạnh mẽ sản xuất từ nguồn lượng tái tạo, tự hóa hệ thống lượng khó khăn việc đầu tư vào hệ thống truyền tải không Các ứng dụng công nghệ HVDC bao gồm giao cắt đường thủy, kết nối không đồng truyền tải điện số lượng lớn bao gồm khả tiếp cận lượng tái tạo từ xa, truyền tải khu vực có ROW bị hạn chế nghiêm trọng mạng lưới HVDC (đa thiết bị đầu cuối) 17 0 Hình 13.Trạm HVDC ngồi thực tế Trong trạm HVDC, máy biến áp chuyển đổi tăng cường điện áp xoay chiều tạo đến mức yêu cầu Các trạm chuyển đổi lấy lượng điện từ mạng xoay chiều ba pha chỉnh lưu thành DC, sau truyền qua đường dây khơng (hoặc cáp) Ở đầu nhận trạm chuyển đổi, nghịch lưu chuyển đổi điện áp DC trở lại AC, giảm xuống mức điện áp phân phối đầu tiêu dùng khác Hình 14 Sơ đồ cấu tạo HVDC 18 0 IV.MÔ PHỎNG 1.Mạch nghịch lưu pha Mạch mơ PSIM Giải thích mô Mô mạch nghịch lưu pha, pha nghịch lưu có sóng điều khiển, sóng điều khiển lệch pha góc 120 độ Hình dạng đồ thị mơ pha điều khiển 19 0 Nhận xét: Khi sóng điều khiển có giá trị lớn giá trị sóng tam giác kích đóng S1 kích ngắt S4 Khi sóng điều khiển có giá trị nhở giá trị sóng tam giác kích đóng S1 kích đóng S1 kích đóng S4 Hình ảnh dạng sóng mơ Dạng sóng điện áp ngõ nghịch lưu pha dòng qua điện trở RL Nhận xét: Có thể thấy, hình dáng dạng sóng ngõ điện áp xấp xỉ sóng sine pha có nhiều thành phần hài, chưa thể hịa lưới 20 0 Phân tích Fourier dạng sóng Nhận xét: Dạng sóng điện áp ngõ nghịch lưu (Uan) phương pháp SPWM có nhiều thành phần hài bậc cao Xuất theo cụm 21 0 2.Mạch nghịch lưu pha Mạch mô PSIM Mạch nghịch lưu pha điều khiển theo phương thức đơn cực Thiết kế mạch lọc thơng thấp có tần số cắt 100Hz 22 0 So sánh hình dáng điện áp ngõ trước qua mạch lọc sau qua mạch lọc Đồ thị màu đỏ điện áp pha Uan chưa lọc, màu xanh điện áp Uan qua lọc thơng thấp 23 0 Phân tích phổ Fourier dạng sóng trước qua lọc sau qua lọc Ở sóng nghịch lưu chưa qua lọc có nhiều tần số sóng hài bậc cao, qua lọc cịn lại tần số sóng hài mong muốn Dạng sóng hịa lưới Nhược điểm mô so với thực tế hệ thống nghịch lưu khơng có feedback ngõ lần ngõ vào Cách để điều chỉnh biên độ điện áp ngõ điều chỉnh độ lớn điện áp DC đầu vào 24 0 V.KẾT LUẬN Tóm lại, Nhóm khái quát phần Bộ Nghịch Lưu Nối Lưới cấu tạo , chức , phân loại ứng dụng rộng rãi đời sống Đồng thời, nhóm hồn thành file mơ nghịch lưu pha pha để cố lý thuyết giúp đọc giả hiểu rõ sở lý thuyết mà chúng tơi trình bày Nhóm chúng tơi cảm ơn giúp đỡ kiến thức từ thầy hướng dẫn Kiến thức, thông tin tham khảo từ nguồn uy tín chúng tơi trích dẫn chi tiết phần TÀI LIỆU THAM KHẢO 25 0 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Nhờ,(2017), Điện tử công suất 1, Nhà xuất Đại học Quốc gia TPHCM, TPHCM [2] VUSTA (09/03/2011), So sánh yêu cầu kỹ thuật tiêu chuẩn kết nối nguồn phát điện phân tán (DG) với hệ thống cung cấp điện [3] Nguyễn Xuân Phú(2011), Điện tử công suất lý thuyết , tập giải ứng dụng,Nhà xuất Khoa học kĩ thuật 26 0 ... 7.Hệ thống nghịch lưu độc lập b) Bộ nghịch lưu nối lưới Các nghịch lưu nối lưới đồng hóa với lưới điện mà chúng kết nối Khi đó, thơng số điện áp tần số quy định lưới điện Các nghịch lưu phải có... nghịch lưu pha kiểu bán cầu Hình Bộ nghịch lưu pha kiểu bán cầu  Bộ nghịch lưu pha kiểu cầu 0 Hình Bộ nghịch lưu pha kiểu cầu  Bộ nghịch lưu pha Hình Bộ nghịch lưu pha Với khoá bán dẫn điều... điện áp hay dòng điện mà nghịch lưu gọi nghịch lưu áp nghịch lưu dịng Trong phân tích chủ yếu nghịch lưu áp nối lưới Với nguồn điện chiều Vdc chọn đơn giản acquy, pin điện dạng phức tạp gồm điện