Tìm hiểu về Inverter hòa lưới và Bộ hòa đồng bộ trong hệ thống điện

Tóm tắt nội dung đồ án Inverter hòa lưới là thiết bị biến đổi điện năng một chiều của giàn pin năng lượng mặt trời sang điện năng xoay chiều để cấp điện cho thiết bị sử dụng, là thành ph

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Đề Tài Tìm hiểu về Inverter hòa lưới và Bộ hòa đồng bộ trong

hệ thống điện

Ngô Trần Linh - 20181195 Lê Xuân Trinh - 20209514

Trần Tiến Châu - 20181093 Nguyễn Tuân - 20174320

Nguyễn Xuân Trường - 20181289 Trần Trung Thành - 20181270 Nguyễn Đức Hiếu - 20181155 Thân Hoàng Gia Huy 20170142 Nguyễn Văn Lâm - 20166336

Giảng viên : Hoàng Anh

Bộ môn: Thiết bị đóng cắt và bảo vệ

Tiếp đó em muốn cảm ơn thầy Hoàng Anh đã tạo điều kiện giúp đỡ cho bọn em có

cơ hội làm đề tài này, trong thời gian làm bài tập bọn em đã được học tập rất nhiềukiến thức bổ ích cũng như ứng dụng trong thực t

Trong quá trình làm bài thảo luận không thể tránh khỏi những sai sót, rất mongnhận được ý kiến đóng góp từ thầy cô và các bạn để bài thảo luận được trở nênhoàn thiện hơn Em xin chân thành cám ơn

Tóm tắt nội dung đồ án

Inverter hòa lưới là thiết bị biến đổi điện năng một chiều của giàn pin nănglượng mặt trời sang điện năng xoay chiều để cấp điện cho thiết bị sử dụng, là thànhphần cực kỳ quan trọng trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới Khi các tấm pinnăng lượng mặt trời tiếp nhận ánh sáng mặt trời và chuyển thành dòng điện mộtchiều thì khi đó dòng điện này sẽ được chuyển trực tiếp xuống bộ chuyển đổi điện

hòa lưới (hay inverter hòa lưới) để tạo ra dòng điện một chiều, rồi được inverter

chuyển thành dòng điện xoay chiều, cung cấp nguồn điện cho các tải tiêu thụ

Với hệ thống Hòa lưới điện mặt trời này giúp chuyển đổi toàn bộ năng

lượng thu được từ pin mặt trời Từ đó tối ưu hóa nguồn điện mặt trời và cung cấpđiện cho các mục đích sinh hoạt Hệ thống Inverter còn có chế độ thông minh Nó

tự tìm và đồng bộ pha để kết nối điện mặt trời và điện lưới lại làm một

Hoà đồng bộ trong hệ thống điện là thao tác nối tổ máy phát điện vào hệthống điện– hoặc để kết nối giữa hai hệ thống

Người ta có thể hòa đồng bộ một máy phát điện với một máy khác, một máyphát điện với một lưới đang có điện, hoặc 2 lưới cùng đang có điện với nhau

Các máy phát điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một máykhác, hoặc nhiều máy cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một sốđiều kiện Một trong các điều kiện đó là các máy phải hoạt động đồng bộ với nhau.Khi bắt đầu khởi động một máy phát điện, tốc độ của máy, tần số máy và điện

áp của máy luôn bắt đầu từ 0 Sau khi thỏa các điều kiện tần số và điện áp của máybằng với trị số định mức, phải có động tác đấu nối các máy lại với nhau Động tác

này gọi là hòa đồng bộ.

MỤC LỤC

I INVERTER HÒA LƯỚI

1.Inverter hòa lưới gì?

2 Nguyên lý hoạt động của Inverter hòa lưới (biến tần)

3 Các trường hợp xảy ra khi sử dụng Inverter

4 Các loại thiết bị Inverter hòa lưới

A Inverter hòa lưới có lưu trữ

B Inverter hòa lưới không có lưu trữ

5 Các thông số kỹ thuật quan trọng của Inverter hòa lưới khi lựa chọn

6 Lắp đặt Inverter hòa lưới

A Khoảng cách giữa Inverter và các vật thể xung quanh

8 Vai trò cơ bản và mở rộng của Inverter hòa lưới điện mặt trời

II Hòa đồng bộ trong hệ thống điện

1 Khái niệm về hòa đồng bộ

2 Các điều kiện hòa đồng bộ máy phát điện

A Điều kiện về điện áp

B Điều kiện về tần số

C Điều kiện về pha

3 Các biện pháp để kiểm tra các điều kiện đồng bộ

A Đồng vị pha trong máy phát

B Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới

4 Các phương pháp hòa đồng bộ

A Hoà đồng bộ bằng bộ hoà đồng bộ kiểu ánh sáng đèn

B. Hoà đồng bộ bằng bộ đồng bộ kiểu điện từ

5 Phương pháp hoà tự đồng bộ

I INVERTER HÒA LƯỚI

Điện mặt trời là nguồn năng lượng xanh vô tận mà tạo hóa ban tặng chochúng ta Hiện nay toàn thế giới đang có xu hướng đầu tư và phát triển nguồn nănglượng này Nó tạo ra nhiều lợi ích kinh tế to lớn với những ứng dụng trong thựctiễn Trong cấu tạo của hệ thống điện năng lượng mặt trời hòa lưới Ngoài các tấmpin năng lượng thì biến tần Inverter hòa lưới là bộ phận quan trọng không thểthiếu Vậy Inverter hòa lưới là gì?

1 Inverter hòa lưới là gì?

Inverter hòa lưới là thiết bị biến đổi điện năng một chiều của giàn pin nănglượng mặt trời sang điện năng xoay chiều để cấp điện cho thiết bị sử dụng, là thànhphần cực kỳ quan trọng trong hệ thống điện mặt trời hòa lưới Khi các tấm pinnăng lượng mặt trời tiếp nhận ánh sáng mặt trời và chuyển thành dòng điện mộtchiều thì khi đó dòng điện này sẽ được chuyển trực tiếp xuống bộ chuyển đổi điện

hòa lưới (hay inverter hòa lưới) để tạo ra dòng điện một chiều, rồi được inverter

chuyển thành dòng điện xoay chiều, cung cấp nguồn điện cho các tải tiêu thụ

Inverter hòa lưới điện mặt trời

Với hệ thống Hòa lưới điện mặt trời này giúp chuyển đổi toàn bộ năng

lượng thu được từ pin mặt trời Từ đó tối ưu hóa nguồn điện mặt trời và cung cấpđiện cho các mục đích sinh hoạt Hệ thống Inverter còn có chế độ thông minh Nó

tự tìm và đồng bộ pha để kết nối điện mặt trời và điện lưới lại làm một

2 Nguyên lý hoạt động của Inverter hòa lưới (biến tần)

Như đã biết, Inverter dạng hòa lưới có chức năng chuyển đổi toàn bộ nguồnnăng lượng thu được từ pin mặt trời thành nguồn năng lượng điện để cung cấp chocác tải tiêu thụ Inverter có chế độ thông minh đó là tìm và đồng bộ pha giữa điệnmặt trời và điện lưới làm một

Inverter nói chung và loại hòa lưới nói riêng có nguyên lý hoạt động kháđơn giản Khi năng lượng mặt trời được hấp thụ bởi các tấm pin mặt trời, sau đóchuyển đổi thành dòng điện một chiều Dòng điện một chiều (DC) sẽ được Inverterchuyển thành dòng xoay chiều (AC) Sau đó, nó tự tìm và đồng bộ pha giữa điệnmặt trời và điện lưới làm một thì nguồn điện mặt trời sẽ tự động hòa vào nguồnđiện lưới để tiêu thụ Cụ thể:

 Đầu tiên, bộ chuyển đổi sẽ chuyển đổi điện xoay chiều vào thành điện ápmột chiều sử dụng bộ chỉnh lưu (chuyển đổi điện xoay chiều thành mộtchiều) Điện đầu vào có thể là ba pha hoặc một pha, nhưng dòng điện sẽ ở

 Tiếp theo, điện áp một chiều được tạo ra sẽ được trữ trong giàn tụ điện(tụđiện là bộ phận điện thụ động được dùng để trữ năng lượng trong mộttrường điện) Điện áp một chiều này ở mức rất cao

 Cuối cùng, thông qua trình tự kích hoạt thích hợp bộ biến đổi IGBT (IGBT

là từ viết tắt của Tranzito lưỡng cực có cổng, cách điện hoạt động giống nhưmột công tắc tắt và mở cực nhanh để tạo dạng sóng đầu ra của Biến tần) của

bộ chuyển đổi sẽ tạo ra một điện áp xoay chiều ba pha

Sơ đồ hoạt động của bộ chuyển đổi điện Inverter

3 Các trường hợp xảy ra khi sử dụng Inverter

Trong quá trình sử dụng điện mặt trời hòa lưới có 3 trường hợp xảy ra:

 Nguồn điện do Inverter chuyển đổi bằng với nguồn điện tiêu thụ ở các

tải Lúc này các tải tiêu thụ 100% năng lượng điện mặt trời.

 Nguồn điện do Inverter chuyển đổi nhỏ hơn với nguồn điện tiêu thụ ở

các tải Lúc này các tải sẽ phải lấy thêm điện từ điện lưới để hoạt động.

 Nguồn điện do Inverter hòa lưới chuyển đổi lớn hơn với nguồn điện

tiêu thụ ở các tải Lúc này số điện dư ra sẽ được trả ra điện lưới và

có thể bán nó cho Nhà nước.

4 Các loại thiết bị Inverter hòa lưới

Có nhiều loại Inverter khác nhau dựa trên hình dạng của dạng sóng chuyểnđổi, phổ biến là sóng vuông, sóng sin thuần và sóng sin biến đổi Chúng có cấu

hình mạch khác nhau, hiệu quả, ưu điểm và nhược điểm khác nhau Đối vớiInverter hòa lưới hiện nay, có 2 loại hòa lưới điện năng lượng mặt trời phổ biến là:

Inverter hòa lưới có lưu trữ và Inverter hòa lưới không có lưu trữ.

Bộ inverter này có thêm một bình ắc quy đi kèm cùng với hệ thống.Nguyên lý hoạt động của inverter này là khi Inverter chuyển đổi nguồn nănglượng mặt trời thành nguồn điện xoay chiều sẽ được nạp vào bình ắc quy để

dự trữ rồi sau đó mới cung cấp cho các tải tiêu thụ

Inverter không lưu trữ này sẽ không có thêm bình ắc quy đi kèm cùng với

hệ thống Nguyên lý hoạt động của Inverter này là khi năng lượng mặt trờiđược các tấm pin hấp thụ và chuyển đổi thành dòng điện DC thì Inverter sẽchuyển đổi dòng DC này thành dòng AC Sau đó cung cấp cho các tải tiêu thụ

và nếu số điện dư ra sẽ được trả ra điện lưới mà không có lưu trữ Do đó, nếuđiện lưới bị cắt thì hệ thống cũng ngừng cung cấp điện cho các tải tiêu thụ

5 Các thông số kỹ thuật quan trọng của Inverter hòa lưới khi lựa chọn

Trong quá trình thiết kế lựa chọn cần xem xét một số thông số quan trọngsau:

 Công suất danh định: là công suất hòa lưới AC inverter có thể cung

cấp, thường các inverter có thể phát ra công suất AC cao hơn côngsuất danh định trong trường hợp hệ số công suất PF=1

 Hiệu suất: quy định tỷ lệ chuyển đổi năng lượng từ công suất điện

một chiều do hệ thống pin mặt trời sinh ra sang công suất điện xoaychiều hòa vào lưới Hiệu suất càng cao càng tốt

 Các kết nối: các kết nối cơ bản như RS486, USB, WIFI, Blootooth

giúp dễ dàng giám sát sản lượng điện từ xa mà không cần phải ở gầnmáy

 Áp tối đa của chuỗi tấm pin: áp càng cao càng tốt vì dễ nối chuỗi

tấm pin nối tiếp đạt hiệu suất đỉnh của inverter hòa lưới hoặc thuậntiện sử dụng các tấm pin có áp VOC (áp hở mạch) rất cao Đâythường là các tấm pin mặt trời cao cấp

 Dải áp hoạt động: Càng rộng càng tốt, giới hạn dưới thấp giúp hệ

thống phát điện sớm hơn và buổi sáng và ngừng hoạt động muộn hơnvào buổi tối, giúp tăng sản lượng điện sản xuất bởi hệ thống

 Số lượng MPPT( PV in) : số lượng cổng vào nhiều giúp dễ dàng

hơn cho việc lắp tấm pin theo hướng khác nhau hoặc sử dụng cácchuỗi tấm pin có công suất khác nhau hoặc công nghệ khác nhau

Trong các thông số trên ta cần chú trọng trong việc lựa chọn công suấtInverter Để lựa chọn công suất Inverter là tốt nhất, ta nên chọn công suấtInverter thấp hơn công suất của giàn pin Như ta đã biết, Inverter hoạt độngtối ưu nhất khi giá trị công suất bằng 0.8 lần công suất của giàn pin Bởi vìcông suất hoạt động thực tế của giàn pin mặt trời chỉ khoảng 80% giá trịtrong thông số ( VD: tấm pin 100W sẽ đạt ngưỡng công suất tối đa là 80Wtrong thực tế ) Do đó việc chọn công suất Inverter thấp hơn sẽ giúp tănghiệu suất hoạt động ( Inverter hoạt động đầy tải, sáng khởi động sớm vàchiều tối ngưng hoạt động trễ hơn ), giảm giá thành đầu tư inverter

6 Lắp đặt Inverter hòa lưới

Để Inverter hoạt động hiệu quả chúng ta lắp đặt Inverter theo tiêu chí tối ưuhiệu suất hoạt động Đó không chỉ là lắp Inverter chắc chắn trên tường hay

trên giàn khung, đấu nối Inverter chuẩn Mà tất cả đều quy về một điểm quan

trọng nhất đó là Nhiệt độ hoạt động của Inverter.

Khi hoạt động Inverter sinh ra lượng nhiệt rất lớn và ảnh hưởng đến hiệusuất chuyển đổi điện năng bên trong Inverter Vì vậy mấu chốt khi lắp đặtInverter, sao cho nhiệt độ hoạt động của Inverter được giảm xuống mức thấpnhất Điều này được đảm bảo bằng khoảng cách giữa Inverter và vật thểxung quanh, khu vực lắp đặt và cách lắp đặt Inverter

A Khoảng cách giữa Inverter và các vật thể xung quanh

Khoảng này được quy định trong hướng dẫn sử dụng sản phẩm Lắp đặttheo khoảng cách này là bạn đang giúp cho Inverter có khả năng thoát nhiệttốt hơn, hoạt động tốt hơn, tạo ra nhiều lợi nhuận hơn cho bạn Đương

nhiên, khi vi phạm khoảng cách là chúng ta đã làm ảnh hưởng đến hiệu suất

và tuổi thọ của inverter

B Khu vực lắp đặt

Muốn Inverter phát huy 100% khả năng của mình, hệ thống hoạt độnghiệu quả, chúng ta nên chọn các khu vực thoáng gió, không gian rộng rãi đểlắp đặt Inverter, tránh khu vực có ánh nắng mặt trời chiếu xuyên suốt trongngày Vì ánh sáng mặt trời khiến màn hình hiển thị trên Inverter nhanh chóng

bị lão hóa, làm tăng nhiệt độ bên trong Inverter và giảm nhanh tuổi thọ hoạtđộng của inverter theo thời gian

C Cách lắp đặt Inverter

Inverter thoát nhiệt tốt nhất khi lắp đặt thẳng theo chiều dọc, tránhđặt nghiêng hoặc nằm ngang Bởi vì cơ chế thoát nhiệt của Inverter sẽhoạt động tốt nhất khi Inverter lắp đặt theo chiều dọc

7 Một số lỗi thường gặp trên Inverter và cách khắc phục

A Lỗi lưới AC

Nguyên nhân: Điện áp hoặc trở kháng của lưới tại điểm hòa lưới quá cao do đó

Inverter dừng hoạt động

Hướng dẫn kiểm tra : dùng đồng hồ kiểm tra điện áp tại điểm hòa lưới có nằm

trong giới hạn cho phép của Inverter Nếu điện áp vượt khỏi dãy giới hạn hãyliên hệ với điện lực để điều chỉnh lại điện áp

B Lỗi tần số

Nguyên nhân: Tần số của lưới không nằm trong giới hạn cho phép của

Inverter Do đó Inverter dừng hoạt động

Hướng dẫn khắc phục: kiểm tra tần số của lưới và tần suất xảy ra hiện tượng

trên, sau đó liên hệ với điện lực để được hỗ trợ

C Lỗi nối đất

Hướng dẫn khắc phục : Inverter chưa được tiếp địa, kiểm tra dây PE kết nối

với Inverter

D Lỗi cách điện

Nguyên nhân: Inverter phát hiện sự cố chạm đất từ giàn pin mặt trời.

Hướng dẫn khắc phục: Dừng hệ thống và kiểm tra lại hệ thống dây dẫn trên

giàn pin

8 Vai trò cơ bản và mở rộng của Inverter hòa lưới điện mặt trời

Các công nghệ inverter hòa lưới đã tiến bộ đáng kể trong những năm gần đây,ngoài việc chuyển đổi DC thành AC, chúng còn cung cấp một số khả năng và dịch

vụ khác để đảm bảo rằng Inverter hòa lưới có thể hoạt động ở mức hiệu suất tối ưunhư:

 Giám sát và cung cấp dữ liệu chi tiết về hoạt động của hệ thống:

- Thống kê thông số hoạt động của hệ thống điện mặt trời hòa lưới

- Giám sát từ xa: báo cáo tình trạng hệ thống điện mặt trời hòa lưới từ xa quamạng internet

 Bảo vệ và xử lý sự cố phát sinh một cách hoàn hảo:

- Thông báo sự cố xảy ra với hệ thống giúp chúng ta làm chủ tình hình

- Dừng hoạt động khi hệ thống rơi vào tình trạng nguy hiểm, bảo vệ hệ thốngtrước những hiểm họa nghiêm trọng

 Điều khiển chức năng nâng cao.

 Kết nối hệ pin lưu trữ năng lượng.

 Kết nối bộ DC Optimize.

Hòa đồng bộ trong hệ thống điện

1 Khái niệm về hòa đồng bộ

Hoà đồng bộ trong hệ thống điện là thao tác nối tổ máy phát điện vào hệ thốngđiện– hoặc để kết nối giữa hai hệ thống

Người ta có thể hòa đồng bộ một máy phát điện với một máy khác, một máy phátđiện với một lưới đang có điện, hoặc 2 lưới cùng đang có điện với nhau

Các máy phát điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một máy khác,hoặc nhiều máy cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một số điềukiện Một trong các điều kiện đó là các máy phải hoạt động đồng bộ với nhau.Khi bắt đầu khởi động một máy phát điện, tốc độ của máy, tần số máy và điện ápcủa máy luôn bắt đầu từ 0 Sau khi thỏa các điều kiện tần số và điện áp của máybằng với trị số định mức, phải có động tác đấu nối các máy lại với nhau Động tácnày gọi là hòa đồng bộ

Figure 1 Tủ hòa đồng bộ máy phát điện làm việc song song

2 Các điều kiện hòa đồng bộ máy phát điện

Yêu cầu khi hòa đồng bộ trong hệ thống là: dòng điện cân bằng trong lúc hòađồng bộ phải nhỏ nhất, giảm thiểu sụt áp và dao động công suất

Điều kiện về tần số: 2 máy phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số máy phải caohơn tần số lưới để máy phát công suất vào lưới luôn

Điều kiện về điện áp: 2 máy phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp máy phảibằng điện áp lưới.

Điều kiện về pha: 2 máy phải cùng thứ tự pha, và góc pha phải trùng nhau

Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau Vì nếu muốncho góc pha của 2 phía trùng nhau, thì phải điều chỉnh tần số Mà đã điều chỉnhtần số thì tần số không thể bằng nhau Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần sốbằng nhau, thì mãi mãi chẳng thể điều chỉnh được góc pha Do đó điều kiện thực

tế là:

A Điều kiện về điện áp

Người ta cũng cho phép điện áp có sai biệt chút ít so với điện áp lưới Và thườngngười ta cũng chỉnh định sao cho điện áp máy phát bằng hoặc hơn điện áp lướimột chút, để khi đóng điện thì công suất vô công của máy nhỉnh hơn 0 một chút.Đối với điện áp thì có thể điều chỉnh cho U máy = U lưới chính xác mà không cóvấn đề gì

B Điều kiện về tần số

Tần số của 2 máy xấp xỉ bằng nhau

Sai biệt nằm trong khoảng Delta ∆f cho phép ∆f này là bao nhiêu tùy thuộc vàoviệc chỉnh định bộ điều tốc và rơ le hòa điện tự động, hoặc rơ le chống hòa sai.Thông thường, người ta điều chỉnh sao cho ∆f có trị số > 0, nghĩa là tần số máycao hơn tần số lưới một chút Như vậy khi hòa vào lưới, máy phát sẽ bị tần sốlưới ghì lại, nghĩa là máy phát sẽ phát một công suất bé ra lưới ngay thời điểmđóng máy cắt

Một số rơ le cho phép đóng cả khi tần số máy phát thấp hơn tần số lưới Nhưngvận hành viên thường vẫn điều chỉnh sao cho tần số máy cao hơn Nếu tần số máythấp hơn lưới, thì sau khi đóng máy cắt, máy phát sẽ bị tần số lưới kéo cho chạynhanh lên, công suất sẽ bị âm một ít, mát phát làm việc ở chế độ động cơ

Thông thường, các bộ điều tốc sẽ chỉnh định tốc độ FSNL (full speed no load)bằng 100,3% định mức Và đây cũng là tần số ban đầu để đưa hệ thống hòa đồng