ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT ỨNG DỤNG CHO NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1. Giới thiệu. 2.2. Đường cong công suất và điểm công suất cực đại của hệ thống PV. 2.3. Cấu hình hệ thống PV hòa lưới. 2.4. Điều khiển hệ thống PV hòa lưới. 2.5. Bộ nghịch lưu đa bậc trong hệ thống PV Năng lượng mặt trời (PV) được hòa lưới là một trong những nguồn năng lượng tái tạo phát triển nhanh nhất và có triển vọng nhất trên thế giới. Trong thực tế, kể từ năm 2007 đến năm 2012 nó đã tăng hơn 10 lần (từ 10 lên 100 GW công suất lắp đặt), và hiện nay theo thống kê trên thế giới đã có gần 1000GW công suất đã lắp đặt.
MỤC LỤC Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI - 2.1 Giới thiệu .- 2.2 Đường cong công suất điểm công suất cực đại hệ thống PV: - 2.2.1 Mơ hình điện tế bào PV: - 2.2.2 Mô đun quang điện I – V P – V - 2.2.3 MPP bóng phần: .- 2.3 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới: - 10 2.3.1 Cấu hình tập trung: - 13 2.3.2 Cấu hình chuỗi: - 18 2.3.3 Cấu hình nhiều chuỗi: - 27 2.3.4 Cấu hình mơ-đun AC: - 30 2.4 Điều khiển hệ thống PV hòa lưới: - 32 2.4.1 Phương pháp điều khiển theo dõi điểm công suất tối đa: .- 32 2.4.3 Kiểm soát chuyển đổi theo lưới: .- 39 2.4.4 Phát chống đảo: - 44 2.5 Bộ nghịch lưu đa bậc hệ thống PV - 47 DANH MỤC HÌNH Hình 2.1 Cơng suất lượng mặt trời lắp đặt tích lũy hàng năm Error! Bookmark not defined Hình 2.2 Tổng quan hệ thống chuyển đổi lượng PV nói chung Error! Bookmark not defined Hình 2.3 Mơ hình điện tế bào PV - Hình 2.4 Các đường cong I – V P – V mô-đun PV .- Hình 2.5: Các đường cong I – V P – V .- 10 Hình 2.6 Cấu hình hệ thống PV hòa lưới - 11 Hình 2.7: Nhà máy điện PV Sarnia, Ontario, - 14 Hình 2.8: Cấu hình biến tần trung tâm điển hình dựa biến tần .- 14 Hình 2.9: Nhà máy PV quy mơ tiện ích - 16 Hình 2.10: Cấu hình biến tần trung tâm kép với biến áp nhiều cuộn dây - 17 Hình 2.11: Hệ thống PV biến tần trung tâm đa cấp: - 18 - Hình 2.12: Điện dung ký sinh dòng điện rò rỉ hệ thống PV .- 19 Hình 2.13: Bộ biến tần dựa cấu trúc liên kết cầu H: .- 21 Hình 2.14: Các biến thể nghịch lưu chuỗi cầu H không biến áp: .- 23 Hình 2.15 Bộ nghịch lưu chuỗi có kẹp điểm trung tính khơng có cách ly: - 24 Hình 2.16: Bộ nghịch lưu chuỗi dựa cầu H xếp tầng - 26 Hình 2.17 Các ví dụ cấu trúc liên kết đa chuỗi: - 29 Hình 2.18: Hệ thống PV mô-đun AC dựa chuyển đổi .- 31 Hình 2.19: Hệ thống PV mơ-đun AC dựa chuyển đổi DC-DC HF - 31 Hình 2.20: Phân loại thuật tốn MPPT - 33 Hình 2.21: Thuật toán P&O - 34 Hình 2.22: P&O theo bước thay đổi nhiệt độ: .- 35 Hình 2.23: Thuật tốn MPPT độ dẫn tăng dần - 36 Hình 2.25: Điều khiển hướng điện áp (VOC) cho nghịch lưu PV nối lưới .- 40 Hình 2.26: Mạch tương đương vectơ không gian biến đổi nối lưới: - 41 Hình 2.27: Biểu đồ vectơ khơng gian hệ thống chuyển đổi nối lưới .- 42 Hình 2.28 Điều khiển hướng điện áp (VOC) cho nghịch lưu PV nối lưới - 43 Hình 7.29 Hệ thống phát điện phân tán PV kết nối lưới với tải cục bộ: - 44 Hình 2.30: Các phương pháp phát chống đảo cho hệ thống PV nối lưới .- 45 Hình 2.31: Phương pháp phát chống đảo lệch tần số chủ động (AFD): - 46 Hình 2.32 Phân loại cấu trúc liên kết chuyển đổi đa bậc - 48 Hình 2.33 Cấu trúc liên kết đa chuỗi NPC ba pha cho ứng dụng PV đa megawatt - 50 DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1: Thông số tế bào PV - Bảng 2.2: Tóm tắt đặc điểm cấu hình hệ thống PV nối lưới - 13 Bảng 2.3: Ví dụ biến tần trung tâm kép thương mại - 17 Bảng 2.4: Các cấu hình chuỗi tùy thuộc vào cách ly giai đoạn DC – DC - 20 Bảng 2.5 Các ví dụ biến tần chuỗi thương mại - 26 Bảng 2.6: Các ví dụ biến tần đa chuỗi thương mại - 28 Bảng 2.7: Các ví dụ biến tần mơ-đun AC thương mại - 32 - Chương 2: HỆ THỐNG CHUYỂN ĐỔI NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI 2.1 Giới thiệu Năng lượng mặt trời (PV) hòa lưới nguồn lượng tái tạo phát triển nhanh có triển vọng giới Trong thực tế, kể từ năm 2007, tăng 10 lần (từ 10 lên 100 GW công suất lắp đặt vào năm 2012), với 60 GW lắp đặt hai năm 2011 2012, thấy hình 2.1 Lý cho phát triển đáng ý khả cạnh tranh lượng mặt trời (PV) tăng lên chi phí sản xuất các pin PV giảm gói ưu đãi trợ cấp kinh tế đưa Nguyên nhân thứ hai giá nhiên liệu hóa thạch liên tục tăng, trữ lượng hạn chế ảnh hưởng sách đối ngoại quốc gia sở hữu tài nguyên này, lo ngại môi trường ngày tăng Điều làm cho việc sản xuất lượng điện mặt trời có hiệu chi phí cạnh tranh số khu vực giới có điều kiện xạ mặt trời tốt Dự kiến, chi phí công nghệ sản xuất PV tiếp tục giảm thập kỷ tới, khiến hệ thống PV quy mô lớn ngày hấp dẫn Ngoài ra, hệ thống PV mở rộng từ quy mơ nhỏ đến quy mơ lớn, để trở thành nhà máy PV có chi phí thấp so với nguồn lượng tái tạo khác (gió, biển, địa nhiệt, ) Tế bào PV thành phần hệ thống PV (còn gọi máy phát PV), điện tử cơng suất đóng vai trị công nghệ cho phép điều khiển hệ thống PV hiệu trực tiếp để chuyển nguồn điện tạo vào lưới điện Các chức giai đoạn chuyển đổi lượng hệ thống PV bao gồm theo dõi điểm công suất cực đại (MPPT), chuyển đổi nguồn DC thành AC, đồng hóa lưới điện, đáp ứng thông số yêu cầu lưới điện (chất lượng điện năng), kiểm sốt cơng suất tác dụng phản kháng chống dòng phát ngược nguồn lưới Hình 2.1 Cơng suất lượng mặt trời lắp đặt tích lũy hàng năm Tổng quan giao diện chuyển đổi công suất chung cho hệ thống PV nối lưới trình bày Hình 2.2 Hệ thống bao gồm hệ thống tạo PV, mơ-đun đơn, chuỗi mô-đun kết nối theo chuỗi mảng chuỗi kết nối song song Hệ thống PV theo sau lọc đầu vào thụ động, thường tụ điện, sử dụng để ổn định thay đổi dòng điện điện áp (cơng suất) phía PV vào giai đoạn Bộ lọc đầu vào theo sau DC–DC, giai đoạn thường sử dụng để thực MPPT hệ thống PV, nâng cao điện áp đầu số trường hợp để tăng cách điện (khi sử dụng biến đổi DC–DC tần số cao ( HF)) Vấn đề thảo luận sau, số hệ thống PV bao gồm số chuyển đổi nguồn DC–DC để phân phối chuyển đổi điều khiển phía DC Giai đoạn DC–DC (hoặc lọc đầu vào không sử dụng giai đoạn DC–DC) kết nối thông qua liên kết DC với chuyển đổi DC–AC nối lưới, thường gọi biến tần PV Trong hệ thống PV không sử dụng tầng DC–DC, lọc đầu vào tương đương với tụ điện DC-link Hình 2.2 Hình 2.2 Tổng quan hệ thống chuyển đổi lượng PV Biến tần PV kết nối với lưới điện thông qua lọc đầu ra, thường làm từ kết hợp cuộn cảm (L) tụ điện (C), thường cấu hình L, LC LCL Bộ lọc AC cho phép điều hòa giảm thiểu hỗ trợ điều khiển giao diện lưới-bộ chuyển đổi Tùy thuộc vào yêu cầu hệ thống PV kết nối lưới có sẵn, máy biến áp tần số thấp (LF) sử dụng để nâng cao điện áp cách ly (điều không cần thiết sử dụng tầng DC–DC cách ly) Bộ chuyển đổi nối lưới bao gồm giám sát thao tác lưới điện (với ngắt mạch cầu chì) để ngắt kết nối hệ thống yêu cầu, chẳng hạn đêm, cố lưới kiểm sốt phát ngược Tín hiệu cho hệ thống điều khiển bao gồm số cảm biến dịng điện điện áp phía đầu vào PV (đối với MPPT), DC-link (dùng để điều khiển điện áp DC-link) phía lưới điện (để điều khiển cơng suất tác dụng/phản kháng hịa lưới điện) Hệ thống điều khiển cịn bao gồm chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số, vi xử lý kỹ thuật số (hoặc tương đương) điều khiển cổng để điều khiển thiết bị bán dẫn giai đoạn công suất khác Không phải tất hệ thống PV nối lưới giống nhau; chúng thay đổi đáng kể kích thước công suất từ quy mô nhỏ (một mô-đun vài trăm watt) đến nhà máy điện quy mơ lớn (hiện lên tới 290 MW) Chúng xếp theo cấu hình chuỗi khác kết nối với lưới có sẵn khác (một pha ba pha, 50 60 Hz, điện áp thấp (LV) điện áp trung bình (MV) điểm ghép nối chung (PCC), … Do đó, số cấu hình chuyển đổi lượng phát triển để điều chỉnh tốt theo yêu cầu hệ thống PV Chương trình bày cấu hình hệ thống PV nối lưới sử dụng rộng rãi nhất, cấu trúc liên kết biến đổi nguồn DC–DC DC–AC, bao gồm nguyên tắc hoạt động sơ đồ điều khiển chúng Các khái niệm hệ thống PV bổ sung, chẳng hạn phát chống đảo, điểm công suất tối đa (MPP) phương pháp MPPT khác giới thiệu Cuối cùng, thảo luận ngắn gọn phát triển gần hệ thống PV dựa chuyển đổi đa cấp đưa vào 2.2 Đường cong công suất điểm công suất cực đại hệ thống PV: Các mô-đun quang điện bao gồm tế bào quang điện nối tiếp, làm hai lớp thiết bị bán dẫn silicon (đơn tinh thể đa tinh thể), hay gọi vật liệu màng mỏng (cadmium Telluride, đồng indium gallium selenide silicon vơ định hình) , tạo thành trường tiếp giáp loại p–n Nguyên tắc hoạt động tất công nghệ hiệu ứng quang điện, theo photon có lượng lớn lượng vùng hóa trị vật liệu bán dẫn kích thích trở thành điện tử tự Khi mạch PV đóng (bằng cách kết nối tải chuyển đổi), electron giải phóng tạo dịng điện chiều từ lớp dương sang lớp âm để lấp đầy “lỗ trống dương” Do đó, dịng điện mô-đun PV tạo phụ thuộc trực tiếp vào số lượng photon tới từ xạ mặt trời: xạ cao có nghĩa nhiều photon hơn, có nhiều electron tự dịng điện cao 2.2.1 Mơ hình điện tế bào PV: Các đặc tính điện mơ-đun tế bào PV phi tuyến tính phụ thuộc nhiều vào xạ mặt trời nhiệt độ Tế bào PV mơ hình hóa mạch điện tương đương mạch điện Hình 2.3, với nguồn dòng quang song song với diode, điện trở shunt Rsh điện trở nối tiếp Rs Mơ hình Hình 2.3 mơ tả tốn học Kishor et al Trong đó: iPV dịng điện đầu PV, hàm điện áp đầu v PV số biến định nghĩa Bảng 2.1 Hình 2.3 Mơ hình điện tế bào PV Bảng 2.1: Thông số tế bào PV 2.2.2 Mô đun quang điện I – V P – V Các đường cong dòng điện-điện áp (I-V) điển hình mơ-đun PV đường cong cơng suất-điện áp (P-V) quan sát Hình 2.4 Từ đường cong I-V, thấy mơ-đun PV hoạt động nguồn dòng điện chiều không đổi mô-đun PV kết nối với điện đầu khác Khi điện áp mô-đun cao hơn, điện tử tự bắt đầu liên kết lại không tạo dịng điện Hiệu ứng khơng tuyến tính điện áp cắt đột ngột Khi tất điện tử kết hợp lại dịng điện tạo ra, mơ-đun hoạt động điện áp mạch hở Điện áp thay đổi mức chiếu xạ mặt trời khác (ở nhiệt độ), thấy Hình 2.4 (a) Hình 2.4 Các đường cong I – V P – V mô-đun PV (a) mức chiếu xạ mặt trời khác 250C, (b) nhiệt độ khác 1000 W/m2 Ngược lại, ngắn mạch, mơ đun tạo dịng điện lớn (dòng ngắn mạch isc), dòng điện phụ thuộc tuyến tính vào xạ mặt trời (càng nhiều photon, nhiều electron tự do) Do đó, đường cong P-V (thu cách nhân trục đường cong I-V) mô-đun PV bao gồm ba đoạn: độ dốc dương không đổi dp/dv > với dịng điện chiều khơng đổi tạo ra, đoạn âm dp/dv < độ dốc hoạt động gần với điện áp hở mạch đoạn dp/dv = tương ứng với MPP cho xạ cho Điện áp mà MPP thu được gọi điện áp công suất cực đại vmp Độ dốc đường cong I-V điều chỉnh điện trở shunt Rsh điện trở nối tiếp Rs mơ hình PV để thể tốt ô PV thực Điện áp mạch hở, không bị ảnh hưởng nhiều mức chiếu xạ mặt trời khác nhau, thay đổi đáng kể mô-đun hoạt động nhiệt độ khác nhau, thấy Hình 2.4 (b) Tóm lại, nhiệt độ cao, điện áp hở mạch giảm, làm giảm công suất cực đại mà mô-đun tạo Cả mức độ chiếu xạ mặt trời nhiệt độ ảnh hưởng đến công suất tối đa lấy từ mơ-đun Khi kết nối tải thụ động, đường cong I – V tải giao với đường cong I – V mô-đun xác định công suất mô-đun tạo Tuy nhiên, chuyển đổi công suất điều khiển, dù DC – DC hay DC – AC, điều khiển đặc tính đường cong tải cắt đường cong PV MPP Điều đạt cách kiểm soát điện áp đầu PV vmp Vì điều kiện hoạt động chiếu xạ nhiệt độ vốn có biến thiên theo thời gian, nên vmp tức thời không xác định (trừ đo xạ nhiệt độ, điều tốn kém) Việc tìm kiếm MPP sau thực chuyển đổi nguồn, tầm quan trọng điện tử công suất ứng dụng cụ thể Các kỹ thuật điều khiển sử dụng cho nhiệm vụ gọi phương pháp theo dõi điểm công suất tối đa (MPPT) thảo luận sau chương Thuật toán MPPT tạo tham chiếu điện áp điều khiển chuyển đổi Điều đáng nói đường cong cơng suất thể Hình 2.4 tương ứng với mơ-đun PV nhất; đó, mô-đun kết nối theo chuỗi tạo thành chuỗi PV có MPP kết hợp khác nhau, tùy thuộc vào không phù hợp môđun, khác biệt nhiệt độ che bóng phần mô-đun Điều tương tự áp dụng cho mảng PV tạo thành chuỗi kết nối song song Trong trường hợp này, đường cong I-V có số MPP cục MPP lớn nhất, khiến việc đạt MPPT thực khó khăn 2.2.3 MPP bị che bóng phần: Việc che bóng phần mơ-đun khơng giống gây khác biệt cấu tạo khác gây hư hỏng lão hóa xác định nguyên nhân làm giảm suất chuỗi mảng PV Chúng nguyên nhân tạo điểm nóng mơ-đun, điều không làm giảm sản xuất lượng mà cịn làm giảm tuổi thọ mơ-đun Hình 2.5: Các đường cong I – V P – V chuỗi hai mô-đun, với cell bị che bóng 40%: (a) qua điốt (b) khơng qua diode Trong chuỗi gồm hai nhiều mô-đun kết nối nối tiếp, mơđun tơ bóng có dịng quang thấp chí khơng, dịng điện tạo mơ-đun khác qua điện trở shunt, dẫn đến điện âm Vì Rsh thường lớn, mơ-đun bị bóng mờ làm giảm điện áp tổng thể chuỗi thay thêm vào Để khắc phục hiệu ứng này, diode thường thêm vào song song với mô-đun, để trường hợp che bóng phần, dịng điện qua diode dẫn đến giảm điện áp bán dẫn Tương tự, mô-đun chuỗi kết nối song song, diode nối nối tiếp với chuỗi để ngăn dịng ngược chảy vào chuỗi có điện áp thấp Hình 2.5 minh họa ví dụ định tính ảnh hưởng việc che bóng phần đường cong I-V chuỗi PV gồm hai mơ-đun kết nối nối tiếp có khơng có điốt rẽ nhánh kết nối song song Việc kết nối diode song song với mô-đun tránh giảm dòng ngắn mạch i sc q trình che bóng phần làm tăng suất điện có tồn chuỗi PV 2.3 Cấu hình hệ thống PV hịa lưới: Các hệ thống chuyển đổi lượng PV hòa lưới nhóm thành bốn loại cấu hình khác nhau: cấu hình tập trung cho nhà máy PV quy mơ lớn (ba pha), cấu hình chuỗi cho hệ thống PV quy mô vừa nhỏ (một pha ba pha), nhiều chuỗi cấu hình cho hệ thống quy mô nhỏ đến lớn (một pha ba pha) cấu hình mơ-đun AC cho hệ thống quy mô nhỏ (thường pha) Sơ đồ đơn giản cấu hình trình bày Hình 2.6 10