CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Việt Nam cần nhanh chóng nâng cao vị thế cạnh tranh trong khu vực và toàn cầu bằng cách khai thác hiệu quả tiềm năng phát triển năng lượng tái tạo Điều này không chỉ giúp tăng cường sức cạnh tranh cho nền kinh tế mà còn đảm bảo sự phát triển bền vững trong tương lai.
Nhằm thúc đẩy ngành công nghiệp năng lượng tái tạo, Chính phủ đã ban hành nhiều cơ chế và chính sách khuyến khích phát triển nguồn năng lượng này Bộ Công Thương đã phê duyệt Quyết định 2023/QĐ-BCT vào ngày 5/7/2019 về “Chương trình phát triển điện mặt trời mái nhà tại Việt Nam giai đoạn 2019 - 2025” cùng với các thông tư hướng dẫn và kế hoạch triển khai Đồng thời, việc phát triển nguồn năng lượng tái tạo cần được thực hiện song song với việc nâng cao hiệu quả sử dụng điện trong sinh hoạt và sản xuất, nhằm giảm chi phí và hạn chế tác động tiêu cực đến môi trường cũng như sức khỏe cộng đồng.
Trong 6 tháng đầu năm 2021, sản lượng điện sản xuất và nhập khẩu toàn hệ thống đạt 128,51 tỷ kWh, tăng 7,4% so với cùng kỳ năm 2020 Đặc biệt, năng lượng tái tạo, bao gồm điện gió, điện mặt trời và điện sinh khối, đã đóng góp 14,69 tỷ kWh, chiếm 11,4% tổng sản lượng điện.
1.2 CẤU TRÚC CỦA NGUỒN ĐIỆN PHÂN TÁN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG TÁI TẠO
Hình 1 2: Sơ đồ phân loại các nguồn phân tán
Mặc dù năng lượng tái tạo rất thân thiện với môi trường và có tiềm năng lớn, nhưng nhược điểm chính của nó là tính không liên tục và bị loãng Do đó, việc kết nối lưới điện là cần thiết để đảm bảo nguồn điện ổn định và chi phí hợp lý Để tích hợp nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào hệ thống điện, thường có hai hình thức kết nối lưới cơ bản.
Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc không đồng bộ (tua bin gió)
Hình 1 3: Hệ thống điện gió dùng máy phát không đồng bộ
Phát điện dùng nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp.
Hình 1 4: Cấu trúc của một hệ thống điện mặt trời nối lưới
TỔNG QUAN VỀ BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI BA PHA VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR
BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI 3 PHA
Trong lĩnh vực biến đổi năng lượng điện, quá trình chuyển đổi nguồn điện một chiều thành điện áp hoặc dòng điện xoay chiều với khả năng điều chỉnh giá trị và tần số là rất quan trọng Các thiết bị biến đổi này, đặc biệt là bộ biến đổi một chiều sang xoay chiều, thường sử dụng các dụng cụ bán dẫn có điều khiển, được biết đến với tên gọi là sơ đồ nghịch lưu.
2.1.2 PHÂN LOẠI CÁC BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA
Trong hệ thống chỉnh lưu cũng có bộ nghịch lưu nhưng là nghịch lưu phụ thuộc, sự khác biệt giữa hai bộ nghịch lưu này ở chỗ:
Nghịch lưu phụ thuộc chuyển đổi năng lượng một chiều thành điện xoay chiều, nhưng tần số điện áp của dòng điện xoay chiều phải tuân theo tần số cố định của lưới điện Hoạt động của nghịch lưu này phụ thuộc vào điện áp lưới, với tham số điều chỉnh duy nhất là góc điều khiển α, được xác định dựa trên tần số và pha của lưới điện xoay chiều.
Nghịch lưu độc lập hoạt động với tần số ra do mạch điều khiển quyết định và có thể thay đổi tùy ý, tức là độc lập với lưới điện.
Nghịch lưu độc lập được chia thành ba loại:
Nghịch lưu điện áp là một bộ biến đổi từ một chiều sang xoay chiều, với nguồn cung cấp là nguồn điện áp và phụ tải không có tính chất dao động cộng hưởng, hoặc nếu có thì tần số cộng hưởng f0 phải nhỏ hơn tần số điện áp ra f của bộ biến đổi Trong thực tế, nguồn cung cấp cho biến đổi thường được lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu Để nguồn gần giống với nguồn áp lý tưởng, người ta thường mắc song song với hai cực nguồn một tụ C0 có giá trị đủ lớn, tùy thuộc vào chế độ, tần số làm việc và độ chính xác yêu cầu.
Tụ C0 giúp duy trì điện áp ổn định trên hai cực nguồn trong quá trình hoạt động của bộ biến đổi, đồng thời đảm bảo khả năng dẫn dòng hai chiều của nguồn điện.
Nghịch lưu dòng điện là bộ biến đổi một chiều-xoay chiều, trong đó nguồn cung cấp là nguồn dòng điện và phụ tải không có tính chất dao động cộng hưởng, hoặc nếu có thì tần số cộng hưởng f0 nhỏ hơn tần số dòng điện ra f Thực tế, nguồn cung cấp cho bộ biến đổi thường được lấy từ đầu ra của sơ đồ chỉnh lưu, do đó để nguồn gần giống với nguồn dòng lý tưởng, người ta thường mắc nối tiếp một điện cảm L0 có giá trị đủ lớn, tùy thuộc vào chế độ, tần số làm việc và độ chính xác yêu cầu Điện cảm L0 giúp duy trì dòng điện nguồn không thay đổi khi bộ biến đổi hoạt động, đồng thời đảm bảo tổng trở lớn của nguồn.
Nghịch lưu cộng hưởng là bộ biến đổi một chiều-xoay chiều, trong đó nguồn cung cấp có thể là điện áp hoặc dòng điện, nhưng phụ tải cần có tính chất dao động cộng hưởng với tần số cộng hưởng f0 lớn hơn tần số điện áp hoặc dòng điện ra f Để đạt được tính chất dao động cộng hưởng, mạch tải cần có các phần tử điện cảm và điện dung, cùng với một giá trị điện trở tương đương để tiêu thụ công suất tác dụng Quá trình dao động cộng trong mạch tải của bộ biến đổi này diễn ra theo kiểu tắt dần, và loại bộ biến đổi này có thể được phân loại khác nhau tùy thuộc vào cách nối các phần tử trong mạch tải.
Hình 2 1 Các dạng nghịch lưu áp và nghịch lưu dòng
2.1.3 VAN IGBT 2.1.3.1 Đặc điểm, cấu tạo, kí hiệu
Hình 2 2 Cấu tạo kí hiệu IGBT
IGBT là một linh kiện điện tử kết hợp ưu điểm của MOSFET với khả năng đóng cắt nhanh và transistor thường với khả năng chịu tải lớn Linh kiện này được điều khiển bằng điện áp và yêu cầu công suất điều khiển rất nhỏ.
IGBT có cấu trúc bán dẫn tương tự như MOSFET, nhưng điểm khác biệt là nó có thêm một lớp p nối với collector, tạo thành cấu trúc p-n-p giữa emitter và collector, thay vì n-n như ở MOSFET Có thể xem IGBT như một transistor p-n-p với dòng điều khiển được điều chỉnh bởi MOSFET.
2.1.3.2 Điều kiện mở van, khóa van, các thông số cơ bản của van
Hình 2 3 Sơ đồ thử nghiệm một khóa IGBT
Cấu trúc của IGBT tương đương với MOSFET và transistor pnp, trong đó dòng i1 là dòng qua MOSFET và i2 là dòng qua transistor MOSFET trong IGBT có khả năng khóa nhanh chóng khi điện tích giữa G và E được xả, dẫn đến dòng y bằng 0 Tuy nhiên, dòng i2 không thể suy giảm nhanh chóng do điện tích tích lũy trong lớp n, tương ứng với bazo của cấu trúc pnp, gây kéo dài dòng điện khi IGBT được khóa Sơ đồ IGBT cho thấy việc đóng cắt tải cảm với diode không D0 mắc song song, và IGBT được điều khiển bởi nguồn tín hiệu UG nối với cực điều khiển G qua điện trở RG Cgs và Cgc trong sơ đồ thể hiện các tụ kí sinh giữa cực điều khiển và collector, emitter.
Hình 2 4 Dạng điện áp, dòng điện của quá trình mở IGBT
Quá trình mở IGBT tương tự như MOSFET, bắt đầu khi điện áp điều khiển tăng từ 0 đến giá trị UG Trong thời gian trễ, điện áp giữa cực điều khiển và emitter tăng theo quy luật hàm mũ đến ngưỡng UGE(th) khoảng 3 đến 5V, lúc này MOSFET trong IGBT mới bắt đầu mở Dòng điện giữa collector-emitter tăng tuyến tính từ 0 đến dòng tải I0 trong thời gian tr Khi điện áp giữa cực điều khiển và emitter đạt UGE, dòng I0 qua collector được xác định Do Diode D0 vẫn dẫn dòng tải Io, điện áp UCE bị giữ ở mức điện áp nguồn một chiều UDC Quá trình mở diễn ra qua hai giai đoạn ttv1 và ttv2, trong đó điện áp giữa cực điều khiển duy trì ở UGE.I0 để giữ dòng I0, do dòng điều khiển hoàn toàn là dòng phóng tụ Cgc Trong giai đoạn đầu, Diode D0 khóa và phục hồi, tạo xung dòng trên mức I0 của IGBT, khiến điện áp UCE bắt đầu giảm IGBT chuyển từ chế độ tuyến tính sang vùng bão hòa, và giai đoạn 2 tiếp tục giảm điện trở trong vùng thuần trở của collector-emitter về giá trị Ron, với UCE.on = I0Ron.
Sau khi tụ Cgc hoàn tất quá trình phóng điện, điện áp giữa cực điều khiển và emito sẽ tiếp tục tăng theo quy luật hàm mũ với hằng số CgcRG, cho đến khi đạt giá trị cuối cùng UG.
Hình 2 5 Dạng điện áp, dòng điện của quá trình khóa IGBT
Quá trình khóa IGBT bắt đầu khi điện áp điều khiển giảm từ UG xuống –UG, dẫn đến việc tụ đầu vào Cge phóng điện qua dòng điều khiển đầu vào với hằng số thời gian CgcRG cho đến mức điện áp Miller Khi điện áp Miller đạt, điện áp giữ cực điều khiển và emitter không đổi, trong khi điện áp Uce tăng lên, làm tụ Cge bắt đầu nạp điện Dòng điều khiển lúc này hoàn toàn là dòng nạp cho tụ Cge, giữ điện áp UGE không đổi Sau khoảng thời gian trv, điện áp UCE tăng từ giá trị bão hòa UCE.on tới giá trị điện áp nguồn UDC, và diode bắt đầu mở ra cho dòng tải I0, làm giảm dòng collector Quá trình giảm diễn ra qua hai giai đoạn tti1 và tti2, trong đó dòng i1 của MOSFET giảm nhanh chóng về không, và điện áp Ugc giảm về mức điện áp điều khiển đầu vào –UG Cuối giai đoạn tti1, Ugc đạt ngưỡng khóa UGE(th) của MOSFET Ở giai đoạn 2, dòng i2 của transistor p-n-p bắt đầu suy giảm, quá trình này có thể kéo dài do điện tích trong lớp n chỉ mất đi qua tự trung hòa tại chỗ, gây ra hiện tượng đuôi dòng điện.
Lớp n trong cấu trúc bán dẫn của IGBT giúp giảm điện áp rơi khi dẫn nhờ vào việc tích tụ số lượng lớn điện tích thiểu số, làm giảm đáng kể điện trở Tuy nhiên, các điện tích này không thể di chuyển ra ngoài một cách chủ động, dẫn đến việc tăng thời gian khóa của phần tử Do đó, công nghệ chế tạo IGBT phải thỏa hiệp giữa hiệu suất và thời gian khóa So với MOSFET, IGBT có thời gian mở tương đương nhưng thời gian khóa dài hơn từ 1 đến 5 lần.
2.1.4 SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ BỘ NGHỊCH LƯU BA PHA
Hình 2 6 Sơ đồ nguyên lý nghịch lưu ba pha
2.1.4.1 Nguyên lý hoạt động a) Dẫn 120 0 lệch 60 0 b) Dẫn 180 0 lệch 60 0
Hình 2 7 Tín hiệu điều khiển và dạng sóng điện áp ngõ ra của nghịch lưu kiểu 6 bước
Bước 1: Trong khoản từ 0 0 đến 60 0 -S1,S5 và S6 dẫn
Hình 2 8 Sơ đồ nối dây
Bước 2: Trong khoản từ 60 0 đến 120 0 – S1,S2 và S6 dẫn
Hình 2 9 Sơ đồ nối dây
Bước 3: Trong khoản từ 120 0 đến 180 0 – S1,S2 và S3 dẫn
Hình 2 10 Sơ đồ nối dây
Bước 4: Trong khoản từ 180 0 đến 240 0 – S3,S4 và S2 dẫn
Hình 2 11 Sơ đồ nối dây
Bước 5: Trong khoản từ 240 0 đến 300 0 – S3,S4 và S5 dẫn
Hình 2 12 Sơ đồ nối dây
Bước 6: Trong khoản từ 300 0 đến 360 0 – S4,S5 và S6 dẫn
Hình 2 13 Sơ đồ nối dây
Ta lập được bảng điện áp
Dạng sóng ngõ ra: a) Dạng sóng điện áp ngõ ra pha b) Dạng sóng điện áp ngõ ra dây
2.1.4.2 Giới thiệu về phương pháp điều khiển IGBT Điều khiển PWM
Phương pháp điều xung PWM (Điều chế độ rộng xung) là một kỹ thuật hiệu quả để điều chỉnh điện áp đầu ra cho tải Cách thức hoạt động của PWM dựa trên việc thay đổi độ rộng của các xung vuông, từ đó tạo ra sự biến đổi trong điện áp đầu ra.
Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sườn dương hay sườn âm
Phương pháp điều chế sinPWM một pha.
Nguyên tắc hoạt động của sinPWM là trong thời gian dẫn của van, transistor không duy trì trạng thái dẫn liên tục mà thực hiện việc đóng cắt nhiều lần Độ rộng của xung dẫn được điều chỉnh theo giá trị tức thời của sóng sin, có tần số tương ứng với sóng hài cơ bản.
BỘ ĐIỀU KHIỂN DÒNG PR
Phương pháp điều khiển tỷ lệ-cộng hưởng (Proportional Resonant- PR)
Các vòng điều khiển dòng điện sử dụng dòng α và β để điều chỉnh Đối với điện áp DC và điện áp lưới bên ngoài, quá trình tính toán các dòng điện tham chiếu trong hệ quy chiếu d-q là bước đầu tiên quan trọng.
Các dòng điện tham chiếu được chuyển đổi sang hệ quy chiếu α và β để phục vụ cho các vòng điều khiển dòng điện bên trong Các thông tin chi tiết sẽ được trình bày dưới đây.
Hình 2 15 Nguyên lý điều khiển tỉ lệ cộng hưởng (PR) trong nghịch lưu nối lưới
+ Điện áp và dòng điện ba pha được biến đổi thành hệ quy chiếu αβ và được biểu thị như sau:
Trong hệ thống điện ba pha, Va, Vb và Vc biểu thị điện áp ba pha, trong khi Ia, Ib và Ic tương ứng là dòng điện ba pha Ngoài ra, Vα và Vβ thể hiện điện áp trong hệ quy chiếu đứng yên, còn Iα và Iβ là các dòng điện tương ứng trong cùng khung tham chiếu.
Trong đó Vgα và Vgβ đại diện cho điện áp phía lưới trong hệ quy chiếu đứng yên.
Trong phương trình (2.6), Kp là số hạng tỷ lệ không đổi, trong khi Ki đại diện cho số hạng tích phân Phương trình này mô tả một bộ điều khiển PR lý tưởng với bộ lọc cộng hưởng có tần số cộng hưởng ωo Tuy nhiên, việc thực hiện bộ điều khiển lý tưởng là một thách thức lớn Do đó, bộ điều khiển PR không lý tưởng được giới thiệu trong Công thức (2.7) có khả năng đạt được độ lợi vô hạn tại tần số cộng hưởng.
Tần số cắt ωc được xác định sao cho ωc