NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

Kỹ Thuật - Công Nghệ - Kỹ thuật - Công nghệ thông tin ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG QUỐC LỢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện 2: TS Hà Xuân Vinh Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 16 tháng 6 năm 2018. Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa.  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN. 1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Cùng với tốc độ phát triển kinh tế hiện nay, thì nhu cầu sử dụng điện của các nước trên thế giới ngày càng tăng dẫn đến các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống trở nên cạn kiệt, cùng với đó là gây ô nhiễm môi trường và tăng hiệu ứng nhà kính. Nguồn NLMT đang nhận được sự quan tâm lớn của các quốc gia trên thế giới, trong đó có việc sử dụng NLMT để sản xuất điện năng. Việt Nam là một nước nhiệt đới có nguồn NLMT vô cùng dồi dào trải trải rộng khắp cả nước. Tuy nhiên, việc sử dụng NLMT để sản xuất điện năng còn hạn chế và chỉ dừng lại ở một số nhà máy điện mặt trời với công suất hạn chế và độc lập với lưới điện. Trong khi đó, cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế luôn ở mức cao thì tình trạng cung cấp điện về mùa khô trong những năm trở lại đây vô cùng căng thẳng. Do vậy, việc phát triển điện mặt trời nối lưới được xem là một giải pháp khắc phục tình trạng thiếu điện hiện nay. Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều. Để hệ thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hoặc là phân phối thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ ra của hệ thống. Một vấn đề cần quan tâm hiện nay đó là sóng hài trong lưới điện. Tác hại của sóng hài đối với thiết bị nối vào lưới điện vô cùng nghiêm trọng: làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện, gây sai số cho thiết bị đo, .... Một trong những nguồn gây ra sóng hài đó là các bộ nghịch lưu. Do vậy, để hệ thống điện mặt trời có thể nối với 2 lưới điện thì phải đảm bảo độ méo dạng tổng do sóng hài do nguồn điện mặt trời phát ra phải nằm trong giới hạn cho phép. So với các bộ nghịch lưu hai mức truyền thống, thì các bộ chuyển đổi đa mức kết hợp với các phương pháp điều chế khác nhau có thể: tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp, dòng ngõ ra với độ méo rất thấp, điện áp CM tạo ra cũng rất thấp thậm chí là triệt tiêu. Hiện nay tại đơn vị tác giả đang công tác đang có một số dự án điện mặt trời chuẩn bị được triển khai tại lòng hồ các Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp, Buôn Tua Srah và Srêpốk 3 cũng như một số dự án khác trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk, Đắk Nông. Chính vì vậy, tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới". 2. Mục đích nghiên cứu - Nhằm từng bước tìm hiểu, nắm bắt và làm chủ công nghệ cũng như thiết bị liên quan đến điện mặt trời đấu nối vào lưới điện, trước mắt là để phục vụ hoàn thành luận văn Thạc sỹ của tác giả. Về lâu dài hơn là phục vụ cho việc triển khai các dự án điện mặt trời của Công ty Thuỷ điện Buôn Kuốp (nơi mà tác giả đang công tác) sẽ thực hiện tại tỉnh Đắk Lắk. - Hoàn thiện và làm sáng tỏ thêm lý thuyết về bộ nghịch lưu áp đa mức ứng dụng trong lĩnh vực điện mặt trời. - Nắm bắt cách thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, kỹ năng trình bày một công trình nghiên cứu. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức. - Phạm vi nghiên cứu: 3 Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng nghịch lưu đa mức thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình MatlabSimulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực . 4. Phương pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet); Tham dự hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu; Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab Simulink; Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài - Ý nghĩa khoa học: việc nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới” sẽ là cơ sở: Nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học cho người thực hiện đề tài. Đồng thời góp phần làm rõ thêm các vấn đề liên quan đến bộ nghịch lưu đa mức mà các công trình và bài báo trước đây đã trình bày. - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài được hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế để thiết kế, lựa chọn thiết bị cho các dự án điện mặt trời mà tác giả đang công tác. 6. Cấu trúc của luận văn Luận văn được chia làm 03 chương: Chương 1: Hệ thống điện mặt trời. Chương 2: Bộ nghịch lưu áp đa mức và các phương pháp điều khiển. Chương 3: Hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức. 4 CHƯƠNG 1. HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1. Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam và tỉnh Đắk Lắk 1.1.1. Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam 1.1.2. Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Đắk Lắk 1.2. Pin mặt trời 1.2.1. Tổng quan về pin mặt trời 1.2.2. Tấm pin mặt trời (PV module) 1.2.3. Mãng PV (PV array) 1.2.4. Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự làm việc của pin mặt trời 1.2.5. Điểm làm việc với công suất cực đại của PV 1.3. Lý thuyết về hệ thống điện mặt trời độc lập. 1.3.1. Bộ biến đổi DCDC 1.3.2. Bộ nghịch lưu DCAC 1.4. Tổng quan về hệ thống điện mặt trời nối lưới 1.4.1. Lý thuyết chung về hòa đồng nguồn điện. 1.4.2. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp nối lưới hệ thống PV 1.4.3. Vòng lặp khóa pha PLL 5 CHƯƠNG 2. BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.1. Tổng quan về bộ nghịch lưu áp đa mức 2.1.1. Bộ nghịch lưu áp hai mức b U B St '''' A St Uxn Ut 2 Ux0 S p'''' a Un0 2 C S p U U Tai 3 pha NO U Sc''''Sb''''S a'''' ScSbSa Hình 2.1: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha 2 mức (a), 1 pha cầu H (b) 2.1.2. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp B U N C U O U A U U S 4a'''' S 3a'''' S 2a'''' S 1a'''' S 5c S 4a S 3a S 2a S 4c'''' S 1a S 5a'''' S 3c'''' S 2c'''' S 1c'''' S 4c S 3c S 2c S 1c S 5a S 5c''''S 5b'''' S 5b S 4b'''' S 3b'''' S 2b'''' S 1b'''' S 4b S 3b S 2b S 1b Hình 1.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức NPC 6 2.1.3. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (kiểu cascade) SaP2'''' SbT1'''' Ub2 ScP1 SbT1 ScT2'''' ScT2 SaT1 Ub1 ScT1'''' G SbP2'''' Uc2 Ua1 ScT1 SaP1'''' SaP2 SbP1 SbT2 SbT2'''' ScP1'''' ScP2 SaT1'''' N Ua2 SaT2 SbP1'''' Tai 3 pha Uc1 SbP2 ScP2'''' SaP1 SaT2'''' Hình 2.5: Cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade (5 mức) 2.1.4. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu tụ kèm S 1c C Udc S 2c A S1 c'''' B S 2c'''' S1 b'''' S 2b S 1b S 2b''''S 2a'''' S1 a'''' S 2a S 1a Hình 3.7: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức kiểu tụ kèm (3 mức) 2.1.5. Bộ nghịch lưu đa mức kiểu lai ghép Từ các cấu trúc đa mức trên có thể thấy rằng việc áp dụng chỉ một kiểu nghịch lưu cơ bản (kiểu diode kẹp hay cascade chuẩn) gặp nhiều bất lợi khi có yêu cầu công suất lớn, số mức cao, đặc biệt không thể kết hợp nhiều loại thiết bị điện tử công suất có đặc tính khác nhau trong cùng một bộ nghịch lưu. Một trong các giải pháp 7 được đưa ra là thực hiện các bộ nghịch lưu đa mức lai (hybrid multilevel inverter) bằng cách ghép nối kiểu các mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp và nghịch lưu kiểu cascade chuẩn với nhiều loại thiết bị điện tử công suất có đặc tính khác nhau trong cùng một bộ nghịch lưu; hoặc sử dụng các nguồn điện áp cung cấp có biên độ không bằng nhau. Các kiểu bộ nghịch lưu lai ghép bao gồm: Kiểu cascade diode kẹp (Cascaded diode-clamped inverters), kiểu cascade cầu H (Cascaded multilevel H-bridge inverter). Uxn S 3c 2 S2a'''' S2b'''' S 2c'''' S 1c'''' S 3a'''' U dc2 2 S1a'''' S 1b'''' S 3a S 3b'''' Udc1 S1b S 1c S 3b S 3c'''' G 1 S2a S2b S 2c Ic Ib Udc1 C B A Ia S 1a Hình 2.8: Bộ nghịch lưu đa mức lai kiểu cascade diode kẹp 32 U bn U cg U an U bg U cn G 2 G 1 U 3bg U2ag U ag G U3agU an UbnU2bgU 1bg U3cgUcnU2cgU 1cg U1ag 8 Hình 2.9: Sơ đồ thay thế tương đương sơ đồ trên hình 2.8 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade diode kẹp 32 t...

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ĐẶNG QUỐC LỢI NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC TRONG HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 8520216 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2018 Công trình được hoàn thành tại TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Đoàn Quang Vinh Phản biện 1: PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện 2: TS Hà Xuân Vinh Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa họp tại Trường Đại học Bách khoa vào ngày 16 tháng 6 năm 2018 Có thể tìm hiểu luận văn tại:  Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa  Thư viện Khoa Điện, Trường Đại học Bách khoa - ĐHĐN 1 MỞ ĐẦU 1 Tính cấp thiết của đề tài Cùng với tốc độ phát triển kinh tế hiện nay, thì nhu cầu sử dụng điện của các nước trên thế giới ngày càng tăng dẫn đến các nguồn nhiên liệu hóa thạch truyền thống trở nên cạn kiệt, cùng với đó là gây ô nhiễm môi trường và tăng hiệu ứng nhà kính Nguồn NLMT đang nhận được sự quan tâm lớn của các quốc gia trên thế giới, trong đó có việc sử dụng NLMT để sản xuất điện năng Việt Nam là một nước nhiệt đới có nguồn NLMT vô cùng dồi dào trải trải rộng khắp cả nước Tuy nhiên, việc sử dụng NLMT để sản xuất điện năng còn hạn chế và chỉ dừng lại ở một số nhà máy điện mặt trời với công suất hạn chế và độc lập với lưới điện Trong khi đó, cùng với tốc độ tăng trưởng kinh tế luôn ở mức cao thì tình trạng cung cấp điện về mùa khô trong những năm trở lại đây vô cùng căng thẳng Do vậy, việc phát triển điện mặt trời nối lưới được xem là một giải pháp khắc phục tình trạng thiếu điện hiện nay Do điện năng phát ra từ hệ thống điện mặt trời là dạng DC và có điện áp và công suất ngõ ra phụ thuộc vào sự thay đổi của bức xạ mặt trời do đó điện áp và công suất ngõ ra thay đổi rất nhiều Để hệ thống điện mặt trời hoà được vào lưới truyền tải hoặc là phân phối thì hệ thống điện mặt trời phải giải quyết 2 vấn đề cơ bản đó là chuyển đổi từ DC sang AC và ổn định điện áp ngõ ra của hệ thống Một vấn đề cần quan tâm hiện nay đó là sóng hài trong lưới điện Tác hại của sóng hài đối với thiết bị nối vào lưới điện vô cùng nghiêm trọng: làm cho cáp bị quá nhiệt, phá hỏng cách điện, gây sai số cho thiết bị đo, Một trong những nguồn gây ra sóng hài đó là các bộ nghịch lưu Do vậy, để hệ thống điện mặt trời có thể nối với 2 lưới điện thì phải đảm bảo độ méo dạng tổng do sóng hài do nguồn điện mặt trời phát ra phải nằm trong giới hạn cho phép So với các bộ nghịch lưu hai mức truyền thống, thì các bộ chuyển đổi đa mức kết hợp với các phương pháp điều chế khác nhau có thể: tạo ra dạng sóng với lượng sóng hài thấp, dòng ngõ ra với độ méo rất thấp, điện áp CM tạo ra cũng rất thấp thậm chí là triệt tiêu Hiện nay tại đơn vị tác giả đang công tác đang có một số dự án điện mặt trời chuẩn bị được triển khai tại lòng hồ các Nhà máy Thủy điện Buôn Kuốp, Buôn Tua Srah và Srêpốk 3 cũng như một số dự án khác trên địa bàn tỉnh Đắk Lắk, Đắk Nông Chính vì vậy, tác giả đã quyết định chọn đề tài nghiên cứu "Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới" 2 Mục đích nghiên cứu - Nhằm từng bước tìm hiểu, nắm bắt và làm chủ công nghệ cũng như thiết bị liên quan đến điện mặt trời đấu nối vào lưới điện, trước mắt là để phục vụ hoàn thành luận văn Thạc sỹ của tác giả Về lâu dài hơn là phục vụ cho việc triển khai các dự án điện mặt trời của Công ty Thuỷ điện Buôn Kuốp (nơi mà tác giả đang công tác) sẽ thực hiện tại tỉnh Đắk Lắk - Hoàn thiện và làm sáng tỏ thêm lý thuyết về bộ nghịch lưu áp đa mức ứng dụng trong lĩnh vực điện mặt trời - Nắm bắt cách thức và phương pháp nghiên cứu khoa học, kỹ năng trình bày một công trình nghiên cứu 3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức - Phạm vi nghiên cứu: 3 Nghiên cứu điều khiển hệ thống kết nối PV với lưới bằng nghịch lưu đa mức thông qua mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/Simulink mà không đề cập việc tính toán thiết kế các panel PV, không thiết kế thi công mô hình thực 4 Phương pháp nghiên cứu Tham khảo tài liệu (sách, báo và tạp chí khoa học trên Internet); Tham dự hội nghị khoa học và báo cáo chuyên đề về lĩnh vực nghiên cứu; Mô hình hóa và mô phỏng dùng chương trình Matlab/ Simulink; Phân tích và đánh giá kết quả mô phỏng 5 Ý nghĩa khoa học và thực tiến của đề tài - Ý nghĩa khoa học: việc nghiên cứu và thực hiện đề tài “Nghiên cứu ứng dụng nghịch lưu đa mức trong hệ thống điện mặt trời nối lưới” sẽ là cơ sở: Nâng cao khả năng nghiên cứu khoa học cho người thực hiện đề tài Đồng thời góp phần làm rõ thêm các vấn đề liên quan đến bộ nghịch lưu đa mức mà các công trình và bài báo trước đây đã trình bày - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài được hoàn thành sẽ là tài liệu quan trọng có ý nghĩa ứng dụng trong thực tế để thiết kế, lựa chọn thiết bị cho các dự án điện mặt trời mà tác giả đang công tác 6 Cấu trúc của luận văn Luận văn được chia làm 03 chương: Chương 1: Hệ thống điện mặt trời Chương 2: Bộ nghịch lưu áp đa mức và các phương pháp điều khiển Chương 3: Hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức 4 CHƯƠNG 1 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI 1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam và tỉnh Đắk Lắk 1.1.1 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Việt Nam 1.1.2 Hiện trạng phát triển điện mặt trời tại Đắk Lắk 1.2 Pin mặt trời 1.2.1 Tổng quan về pin mặt trời 1.2.2 Tấm pin mặt trời (PV module) 1.2.3 Mãng PV (PV array) 1.2.4 Một số nhân tố ảnh hưởng đến sự làm việc của pin mặt trời 1.2.5 Điểm làm việc với công suất cực đại của PV 1.3 Lý thuyết về hệ thống điện mặt trời độc lập 1.3.1 Bộ biến đổi DC/DC 1.3.2 Bộ nghịch lưu DC/AC 1.4 Tổng quan về hệ thống điện mặt trời nối lưới 1.4.1 Lý thuyết chung về hòa đồng nguồn điện 1.4.2 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp nối lưới hệ thống PV 1.4.3 Vòng lặp khóa pha PLL 5 CHƯƠNG 2 BỘ NGHỊCH LƯU ĐA MỨC VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN 2.1 Tổng quan về bộ nghịch lưu áp đa mức 2.1.1 Bộ nghịch lưu áp hai mức Sa Sb Sc St Sp U 2 Tai 3 pha C Uxn Ux0 B Ut U O N U A U 2 Sa' Sb' Sc' Un0 St' Sp' a b Hình 2.1: Cấu trúc bộ nghịch lưu 3 pha 2 mức (a), 1 pha cầu H (b) 2.1.2 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu diode kẹp S1a S1b S1c U S2a S2b S2c S3a S3b S3c U S4b S4c S4a S5b S5c S5a A B N U S1b' S1c' C S1a' S2a' S2b' S2c' U S3a' S3b' S3c' S4a' S4b' S4c' U S5a' S5b' S5c' O Hình 1.2: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức NPC 6 2.1.3 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu cầu H nối tầng (kiểu cascade) SaT1 SaP1 SbT1 SbP1 ScT1 ScP1 Ua1 SaP1' Ub1 SbP1' Uc1 ScP1' SaT1' SbT1' ScT1' Tai 3 pha N SaT2 SaP2 SbT2 SbP2 ScT2 ScP2 Ua2 SaP2' Ub2 SbP2' Uc2 ScP2' SaT2' SbT2' ScT2' G Hình 2.5: Cấu trúc bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade (5 mức) 2.1.4 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu tụ kèm S1a S1b S1c S2a S2b S2c Udc A B C S1a' S1b' S1c' S2a' S2b' S2c' Hình 3.7: Cấu trúc bộ nghịch lưu áp đa mức kiểu tụ kèm (3 mức) 2.1.5 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu lai ghép Từ các cấu trúc đa mức trên có thể thấy rằng việc áp dụng chỉ một kiểu nghịch lưu cơ bản (kiểu diode kẹp hay cascade chuẩn) gặp nhiều bất lợi khi có yêu cầu công suất lớn, số mức cao, đặc biệt không thể kết hợp nhiều loại thiết bị điện tử công suất có đặc tính khác nhau trong cùng một bộ nghịch lưu Một trong các giải pháp 7 được đưa ra là thực hiện các bộ nghịch lưu đa mức lai (hybrid multilevel inverter) bằng cách ghép nối kiểu các mạch nghịch lưu kiểu diode kẹp và nghịch lưu kiểu cascade chuẩn với nhiều loại thiết bị điện tử công suất có đặc tính khác nhau trong cùng một bộ nghịch lưu; hoặc sử dụng các nguồn điện áp cung cấp có biên độ không bằng nhau Các kiểu bộ nghịch lưu lai ghép bao gồm: Kiểu cascade diode kẹp (Cascaded diode-clamped inverters), kiểu cascade cầu H (Cascaded multilevel H-bridge inverter) S2a S2b S2c Udc1 2 S1a S1b S1c A Ia B Ib S2a' S2b' C Ic S2c' Udc1 2 S1a' S1b' S1c' Uxn G1 S3a S3b S3c Udc2 S3a' S3b' S3c' Hình 2.8: Bộ nghịch lưu đa mức lai kiểu cascade diode kẹp 3/2 U1ag U2ag Uan U3ag Uag Uan U1bg U2bg Ubn U3bg Ubg Ubn G1 G2 G U1cg U2cg Ucn U3cg Ucg Ucn 8 Hình 2.9: Sơ đồ thay thế tương đương sơ đồ trên hình 2.8 Bộ nghịch lưu đa mức kiểu Cascade diode kẹp 3/2 trên hình 2.8 có cấu trúc bao gồm 2 mạch nghịch lưu chuẩn kiểu NPC mắc ở 2 phía của tải 3 pha Trong đó mạch nghịch lưu 3 mức NPC (mạch 1) chịu dòng công suất nhỏ và mạch nghịch lưu 2 mức NPC (mạch 2) chịu dòng công suất lớn Để xác định điện áp pha tải và điện áp pha tâm nguồn cho hệ thống trên, ta sử dụng sơ đồ thay thế tương đương như trên hình 2.9 Điện áp pha tải Uxn có thể được xác định thông qua điện áp Uxn1, Uxn2 theo nguyên tắc xếp chồng đáp ứng: (2.10) Uxn = Uxn1 - Uxn2 Điện áp pha tải Uxn1 được xác định: 2(U1ga  U2ga )  (U1gb  U2gb )  (U1gc  U2gc ) Uan1  3 2(U1gb  U2gb )  (U1ga  U2ga )  (U1gc  U2gc ) (2.11) Ubn1  3 2(U1gc  U2gc )  (U1ga  U2ga )  (U1gb  U2gb ) Ucn1  3 Điện áp pha tải Uxn2 được xác định: (2.12) 2U ga3  U gb3  U gc3 Uan2  3 2U gb3  U ga3  U gc3 Ubn2  3 2U gc3  U ga3  U gb3 Ucn2  3 Điện áp pha tâm nguồn Uxg: 10 Thuật toán điều khiển cho bộ nghịch lưu năm mức kiểu cascade diode kẹp 3/2 dựa theo nguyên lý của thuật toán điều khiển sóng mang PWM cho bộ nghịch lưu 3 mức và 2 mức Hình 2.16: Mô hình thuật toán điều khiển sóng mang PWM cho bộ nghịch lưu Ba cặp linh kiện công suất của mỗi pha (S1x-S1x’), (S2x-S2x’), (S3x- S3x’) được điều khiển bởi các sóng điều chế 1x , 2x , 3x Quan hệ giữa điện áp ra của các cặp linh kiện công suất so với mass của nó và sóng điều chế có thể mô tả bằng các hàm sau: U1xg  1x U ;U 2xg   2x U ;U3xg   3x 2.U (2.35) Thay U1xg, U2xg, U2xg trên vào biểu thức (2.13), ta có hàm mô tả điện áp pha tham chiếu với điểm trung tính DC với sóng điều chế: Uxg  (1x   2x  2. 3x ).U (2.35) với x = a,b,c; (0  2x  1x  1) ; 0   3x 1 Các sóng điều chế 1x , 2x , 3x được tính toán để có thể tạo ra một bộ điều khiển PWM tuyến tính với điện áp ngõ ra và có thể dùng để đặc trưng cho hiệu suất của bộ PWM thể hiện mối quan hệ giữa các điện áp pha tâm nguồn  Xác định hàm offset: Điện áp tham chiếu Uxref theo điện áp pha tải Utx như sau: 11 U xref  Utx  U0  (1x   2x  2. 3x ).U (2.37) Trong đó: - Utx: điện áp pha tải x (x = a,b,c) - U0: hàm offset lấy giá trị trong khoảng ( U0min  U0  U0max ) Giá trị U0min, U0max được tính tính như sau: U0max  2.U  Max (2.38) U0min  2.U  Max Max  Max(Uta ,Utb ,Utc ) (2.39) Min  Min(Utc ,Utc ,Utc ) Để cực tiểu CM thì hàm offset được chọn theo phương pháp Minimum Common-Mode như sau: U0max if U0max  0  if U0min  0  U0max (2.40) U0   0 U if U0min  0  0min 12 13 CHƯƠNG 3 HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI SỬ DỤNG NGHỊCH LƯU ĐA MỨC 3.1 Phân tích hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới sử dụng nghịch lưu đa mức PV array system VPV UDC IPV DC/DC Inverter ua ub cc ia ib ic MPPT PWM ura, urb, urc PLL Sin?s Cos? s id* PI ud* ua * dq aß uq u aß ß* abc* i* q PI iq dq ia aß id i aß ß abc Hình 3.1: Sơ đồ cấu trúc hệ thống điện mặt trời nối lưới 3.1.1 Module PV Hình 3.2: Mô hình module PV theo dòng điện I trên Matlab/Simulink 14 a b Hình 3.3 : Đồ thị đặc tuyến I-V (hình a) và P-V (hình b) của module PV tương ứng với các độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2 Hình 3.4: Đồ thị điện áp, dòng điện và công suất tại điểm MPP tương ứng với các độ chiếu (200, 400, 600, 800, 1000) W/m2 3.1.2 Khối nguồn DC 15 Hình 3.6: Sơ đồ hệ thống nguồn DC Hình 3.7: Đồ thị điện áp đầu ra các PV array và bộ biến đổi Boost 3.1.3 Bộ nghịch lưu 16 Hình 3.8: Mạch động lực của bộ nghịch lưu 5 mức kiểu cascade diod kẹp gồm 01 mạch nghịch lưu 3 mức NPC và 2 mức NPC 3.1.4 Khối đo lường: Hình 3.9: Mô phỏng khối đo lường 3.1.5 Khối tạo điện áp điều khiển đồng bộ với lưới: 17 Hình 3.10: Khối tạo điện áp điều khiển 3.1.6 Khối điều chế và tạo xung kích các khóa van Hình 3.11: Khối tạo xung kích các IGBT của Inverter 3.2 Mô phỏng 3.2.1 Thông số mô phỏng Hình 3.12: Mô hình tổng hợp hệ thống trên Matlab 18 3.2.2 Kết quả mô phỏng Hình 3.13: Sóng điện áp điều khiển Hình 3.14: Xung kích các IGBT pha A của bộ nghịch lưu Hình 3.15: So sánh sóng mang đơn vị và sóng điều chế pha A