Luận văn thạc sĩ Thiết bị, mạng và nhà máy điện: Khảo sát hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp

Đứng trước nhu cầu lớn về một nguồn năng lượngsạch, bền vững nên những năm gan đây các nguồn năng lượng tại tạo, mà đặc biệt là năngmặt trời và năng lượng gió, ngày càng trở nên hấp dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

NGUYÊN THANH LONG

KHAO SAT HE THONG ĐIỆN MAT TRỜI

KET NOI LƯỚI TRỰC TIẾP

Chuyên ngành: THIẾT BỊ, MẠNG VÀ NHÀ MAY ĐIỆN

Mã số : 60.52.50

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HO CHÍ MINH, tháng 06 năm 2013

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRUONG ĐẠI HOC BACH KHOA —DHQG -HCM

Cán bộ hướng dẫn khoa học : PGS.TS Phan Quốc Dũng

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)

Cán bộ cham nhận xét | : PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)

Cán bộ cham nhận xét 2 : TS Trương Việt Anh

(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi và chữ ký)Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Dai hoc Bách Khoa, ĐHQG Tp.HCM ngày 17 tháng 07 năm 2013

Thanh phan Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:(Ghi rõ ho, tên, học hàm, học vi của Hội đồng cham bảo vệ luận văn thạc sĩ)

1 PGS.TS Nguyễn Văn Nhờ

2 PGS.TS Phan Quốc Dũng3 TS Hồ Phạm Huy Anh

4 TS Phạm Đình Trực5 TS Ngô Mạnh Dũng6 TS Trương Việt Anh

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý

chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nêu có).

CHỦ TỊCH HỘI ĐÔNG TRƯỞNG KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM CỘNG HÒA XÃ HOI CHỦ NGHĨA VIỆT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIEM VỤ LUẬN VAN THẠC SĨ

Họ tên học viên: Nguyễn Thanh Long MSHV: 11180111

Ngày, tháng, năm sinh: 05/07/1987 Nơi sinh: An Giang

Chuyên ngành: Thiết bị, mạng và Nhà máy điện Mã số : 60 52 50I TÊN DE TÀI: KHAO SÁT HE THONG ĐIỆN MAT TRỜI KẾT NÓI

LƯỚI TRỰC TIẾP

H NHIỆM VU VA NỘI DUNG: - E22 1 1 1 1212 2 212121112111 ưegNghiên cứu hệ thông điện mặt trời kết lưới - + 2 2E +22 +E+E£E+E£EE£E£ErEererrrersredTìm hiểu bộ nghịch lưu ba pha dạng cải tiễn hiệu suất ¿5-5 55252 522<££+£z£zcscs2Mô phỏng hệ thống nghịch lưu và PV kết lưới - ¿+2 + 2 2 ££+E£E+EzE£E£EreeezrersredKKẾT luận - -G- G111 91912111 0 511101011110 11110101111 H110 TT HT nguHI NGÀY GIAO NHIỆM VU: (Ghi theo trong QD giao dé tài) -. IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: (Ghi theo trong QD giao dé tai) V CÁN BO HƯỚNG DAN (Ghi rõ học ham, học vị, họ, tên): 5-5-55sss+scs¿PGS.TS Phan Quốc Dũng - - S211 1 1 1231151151111 011111111111 1101111011111 rk

quá trình học tập vừa qua.Tôi xin chân thành cám ơn!

TP.HCM, tháng 06 / 2013

NGUYÊN THANH LONG

GIỚI THIỆU LUẬN VĂNNgày nay, các van dé về thiếu hụt năng lượng, 6 nhiễm môi trường ngày càngđược con người quan tâm và cải thiện Đứng trước nhu cầu lớn về một nguồn năng lượngsạch, bền vững nên những năm gan đây các nguồn năng lượng tại tạo, mà đặc biệt là năngmặt trời và năng lượng gió, ngày càng trở nên hấp dẫn và cũng đã có những bước pháttriển vượt bậc.

Năng lượng từ pin Mặt Trời được tích trữ lại trong bình nạp (accqui) rồi sử dụngnăng lượng trong bình nap đó để nói lưới và sinh hoạt Ưu điểm của phương pháp này làđiện áp bình nạp cô định, dẫn đến bộ chuyển đối ra điện áp sử dụng khá đơn giản Tuynhiên, nó có nhược điểm là gây tổn hao lớn khi chuyển đối năng lượng phải qua 2 khâu(khâu nạp từ pin xuống bình nạp và khâu từ bình nạp lên điện áp sử dụng), đồng thời phảitốn thêm thiết bị tích trữ năng lượng như acquy với giá thành tương đối cao

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới là một giải pháp cho vấn đền nêu trên Tải sửdung sẽ được cấp nguồn từ hệ thống pin mặt trời dưới sự điều khiến của bộ biến đổi côngsuất và được kết nối với lưới điện hạ áp Khi hệ thống pm mặt trời phát công suất lớn hơnnhu cau của tải, phần năng lượng thừa sẽ được bộ biến đổi công suất điều khiến phát lênlưới Khi hệ thống pin mặt trời phát công suất nhỏ hơn nhu cầu của tải, phần năng lượnglượng còn thiếu tải sẽ sử dụng trực tiếp từ lưới điện

Đề tài này thực hiện đưa trực tiếp năng lượng từ pin Mặt Trời lên hệ thống lướiđiện hạ áp xoay chiều không qua máy biến áp nhăm cải thiện hiệu suất của toàn hệ thống.Bộ nghịch lưu HERIC 3 pha được sử dụng trong mô hình này nhằm cải thiện hơn nữahiệu suất chuyên đổi DC/AC

Bộ nghịch lưu HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept) được công

bố năm 2011 bởi Heribert Schmidt với ưu điểm cải thiện được hiệu suất chuyển đổiDC/AC Tuy nhiên, phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu HERIC 3 pha hiện đang thuộcbản quyên sản xuất của công ty Sunways Solar AG (Konstanz, Germany)

Mục đích luận văn: khảo sát, tìm hiểu về cấu trúc, giải thuật điều khiển các khóađóng ngắt và xây dựng mô hình mô phỏng cho bộ nghịch lưu cầu một pha, bộ nghịch lưu

II

HERIC 1 pha và bộ nghịch lưu cầu 3 pha, từ đó đề xuất giải thuật điều khiển cho bộnghịc lưu HERIC 3 pha Đồng thời ứng dụng mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC 3 pha kếtlưới hệ thong pin năng lượng Mặt Trời băng phần mềm mô phỏng Matlab Simulink.

Ý nghĩa đề tài:Đề xuất giải thuật điều khiến cho bộ nghịch lưu HERIC 3 pha nhăm cải thiện hiệusuất của bộ nghịch lưu cầu 3 pha và chứng minh khả năng kết lưới hệ thống pin Mặt Trờicủa mô hình HERIC 3 pha đã đề xuất

Tạo tài liệu tham khảo về bộ nghịch lưu HERIC 3 pha, đồng thời tạo điều kiện đểphát triển thực nghiệm mô hình bộ nghịch lưu này ứng dụng vào kết lưới hạ thế với công

suât cao.

II

MỤC LỤCLOT CAM ON |Giới thiệu luận VAN - - c1 111113050 1199110000 ng HMục LUC - - c1 001 n0 cv IVPhụ lục hình - - << - CC 1111130021111 nọ ng ch vớ VỊPHU LUC DANG 01 X

Chương 1: NĂNG LƯỢNG MAT TRỜI VÀ HE THÔNG 5-5-5- 5< << =5 11.1 Nguồn năng lượng Mặt Trời: -G- - E311 TT ng re rekg |1.2 Hệ thống pin mặt trời: - - ccccccecccesscscscsesesesesecscscecessssrscsesesececsenens 31.3 Hệ thống pin mặt trời kết nỗi lưới: - - - sSsSSk‡E‡EeEeEeEeEererererereeed 41.3.1 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới trực tiẾp: - 2-2 s+s+x+eeesree: 5Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HE THONG 5-5- 5555 cscsess=s 72.1 Các phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp ÏŸÌ: - 6s s+se£zEezezse2 72.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWMI): 72.1.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWMI): sec 82.2 Tom hao trên linh kiỆn: 2 St SE TT g1 cv 1g, 102.2.1 Tốn hao công suất trên IGBT và Diode TẺI DI TH, DĐ SE 13 429374247272 102.2.2 Mô hình tính ton hao công suất trên linh kiện: - 5-6 sec: 18

Chương 3: BO NGHICH LUU HERIC 3 PHIA 5 5 5< 5 55 s5 5s 539529525595 20

3.1 Giới thiIỆUu: - LH ng ve 203.2 Bộ nghịch lưu một pha: - 2222202221111 111111111 1111155853111 1 11x rrrs 20

3.2.1 Bộ nghịch lưu cầu H một phat G2 + E+E+E£EExxckckckctevexeeeerxee 20

3.2.2 Bo nghịch lưu HERIC một pha: - -< 55555 ++++Ssssssssssessa 243.3 Bo nghich 08.08.0.nnDdddytiỶÝ 29

3.3.1 Bo nghịch lưu cầu ba phat ccccccccececscsccscsesssesecececcscesevsvevevscseeeens 29

3.3.2 Bo nghịch lưu HERIC ba pha: 1111111 xxx 22511 x32 33

Chương 4: UNG DỤNG BỘ NGHỊCH LƯU HERIC BA PHA KET LƯỚI HETHONG PIN MAT TRỜII 5-5-5 £ s S%SSeEeE E3 x9g9g eEeEeveeeeeeeesee 40

4.1 Mo hình pin năng lượng Mặt Trời: G nnnnnnnnSS SH 11111 rea 41

IV

4.1.1 Mô hình toán của pin Mặt Trời: - nnnnn Hs nsS SH xe 414.1.2 Mô phông pin Mặt Trời trên Matlab/Simulink: -‹ 5 <<<5 434.2 Bộ BuckBoost IncCond MPPP T: - 00111 H SH ng 900211111111 khay 49

4.3 Bộ lọc và đồng bộ lưới điện: - tt HT H11 ggdgrye 50

“Sân: 6 1 .ằ 50

4.3.2 Đồng bộ lưới điện: - - G1111 TT TH 1 TT ru 504.3.3 Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha: - 6 6E cEcccececxeed 534.3.4 Điều khiến bộ nghịch lưu HERIC ba pha: - 5-5-5552 zxcxez 54Chương 5: KET LUẬN VÀ KIÊN NGHỊ << < << se seseseseEeeeeeeseseses 65S12 {ổn 655.2 Kiến nghhị: (tt HT 111111 TT TT TT TT HH gi 66TÀI LIEU THAM IKKHÁO <5 5 5° S5 SeE£ 9E 9x95 xxgseseeee 67

PHỤ LỤC HÌNH

Hình 1.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua lớp khí quyền của Trái Dat 1

Hình 1.2 : Hệ thống pin mặt trời - 2s +9 SE SE E# E1 3 1511121115111 1111.111 xee 2Hình 1.3 : Hệ thống CSP (Concentrating Solar POWe) - ch EEeErrkrkrkrkekekd 3Hình 1.4 : Phân bố công suất pin mặt trời theo vùng từ năm 1992 đến năm 2012 theo báocáo của [EA-PVIPS - cọ re 3Hình 1.5 : Công suất pin mặt trời kết nối lưới từ năm 1992 đến năm 2011 theo báo cáoCUA i20 4111-43 3 4Hình 1.6 : Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới cách ly về điện - << s+s+ezzzce2 5Hình 1.7 : Hệ thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp — 5Hình 1.8 : So sánh các bộ biến đổi công SuẤt - - - St gxgtrrrrkg 6Hinh 2.1: Phuong phap Sin PWM 7

Hinh 2.2: Phuong phap và đa án 9

Hình 2.3: Cách xác định giá tri UCE0, RC dựa vào đặc tuyến Vp Va Ïc 11

Hình 2.4: Cách xác định giá tri UD, RD dựa vào đặc tuyến VE và ÏIE 12

Hình 2.5: Giản đồ năng lượng quá trình mở của IGBïT ¿c5 +s+E+E+EeEeEcecererezxd 14Hình 2.6: Giản đỗ năng lượng quá trinh ngắt của IGBT - - + +ssEsEeEeEcererereeed 15Hình 2.7: Giản đỗ năng lượng hồi phục ngược của Diode cceesesecectsssssseseseseseseceenens 16Hình 2.8: Điện lượng Orr của ID1Od€ cc 0 1000211112221 11111111 1111002111111 kg 16Hình 2.9: Mô hình tính toán ton hao dẫn IGBT eesesssseeseeeseeesneeseeecesecneeeneeeneeeneenneeeseee 18Hình 2.10: Mô hình tính toán tổn hao dẫn diode ccecccccsscsessssesesecesecsesesececetscseseceeseeeees 18Hình 2.11: Mô hình tính toán tốn hao đóng cắt IGBT vocccccecsssssesesececcsesseecsesceveceeseees 19Hình 2.12: Mô hình tính toán tốn hao đóng cắt điode «6 6S +E+EeEeEerererererkd 19Hình 3.1: Bộ nghịch lưu cau một pha: vector điện áp đương - << se cececxsx2 20Hình 3.2: Bộ Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector không S1 và S3 dẫn ở nữa bán kỳ dương3500 21

Hình 3.3: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha - 2 25s+s+£z£z£zzx2 21Hình 3.4: Mô hình điều khiến bộ nghịch lưu cầu một pha - - 5 + set zxzx2 22

Hình 3.5: Điện áp dau ra bộ iIV€FẨ€E 2 - <5 SE SE 1E E1 1151111111111 1e 22

Hinh 3.6: Di€n ap va 8i 3á 0: 0n 23

Hình 3.7: Phân tích FFT điện áp tải cầu một pha - + 225 E+E£££E+E+E+EeEerkerererered 23Hình 3.8: Điện áp common-mod cầu một pha 2-5-2 56S+E+££££E£E+E+EeEeEEzEererered 24Hình 3.9: Cau trúc HERIC: vector điện áp dương - c6 +k+k+EeEeEeEerererereeed 25Hình 3.10: Cau trúc HERIC: vector không, S6 dẫn ở nữa bán kỳ âm của điện áp 25

Hình 3.11: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha <5 26

Hình 3.12: Mô hình điều khiến bộ nghịch lưu HERIC một pha - 5 ¿5555x552 26Hình 3.13: Điện áp đầu ra của bộ nghịch lưu HERIC một pha - - - 27

Hình 3.14: Điện áp và dòng tải của bộ nghịh lưu HERIC ba pha ‹ <5 27Hình 3.15: Phân tích FFT của điện áp tải HERIC một pha - -+<<<<<<<<s+2 28Hình 3.16: Điện áp common-mode của bộ nghịch lưu HERIC một pha 28

Hình 3.17: Bộ nghịch lưu cầu ba 10) 0: 29Hình 3.18: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu ba phan ese eseceeeeeseseeeeeseseees 30Hình 3.19: Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu cau 3 pha 2- 5-5 c2+s+s+xzzerced 30Hình 3.20: Điện áp và dòng tải pha A của bộ nghịch lưu cầu 3 pha ¿-5-555¿ 31Hình 3.21: Phân tích FFT điện áp tải của cầu 3 pha v.ccccceccsssssesesesececesesesesscsvevsvscecnees 32Hình 3.22: Điện áp common-mode của bộ nghic lưu cầu 3 pha ¿5 556cc sx2 32

Hình 3.23: Bộ nghịch lưu HERIC ba pha << 111 111 EE+++sssssseeeeeessrrrrs 33Hình 3.24: Sóng điện áp 3 pha ABC và góc anpha của vector không gian tương ứng 34

Hình 3.25: Sơ đồ giải thuật điều khiển 3 khóa SA, SB, SC - <cscecesesrerred 35

Hình 3.26: Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC ba pha -. -<<< 555: 36

Hình 3.27: Mô hình điều khiến bộ nghịch lưu HERIC ba pha - 5 <5 sex sx2 36

Hình 3.28: Điện áp và dòng tải pha A cua bộ nghịch lưu HERIC 3 pha 37Hình 3.29: Phân tích FFT áp tải bộ nghic lưu HERIC 3 pha - <<<<<<- 38Hình 3.30: Điện áp common-mode của bộ nghịc lưu HERIC 3 pha - 38

Hình 4.1: Mô hình hệ thông pin Mặt Trời kết lưới sử dụng bộ nghịch lưu 2 bậc 40

Vil

Hình 4.2: Mô hình ứng dụng hệ thống pin Mặt Trời kết lưới xoay chiều sử dụng bộ

nghich lu HERIC 3 pha 4]

Hình 4.3: Mach điện tương đương của một tế bào quang điện - sec cx+xsx2 41Hình 4.4: Mô hình mô phỏng pin Mặt Trời bang Matlab - 5-5-5252 5s+s+ezzzzcx2 45Hình 4.5: Mô hình các tắm pin mat trời ¿ - + +®+k+E+E£EEEE£E£ESEEEEEEEEEEErkrkrkrrrrrrered 46Hình 4.6: Đặc tuyến pin Mặt Trời LV: P_ V ĂSc CC ST 1 E1 11151111111 tre 47Hình 4.7: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời nối tiẾp -:- - + SSESE E2 EEEEEEEEEEEErkrkrrrrrred 47Hình 4.8: Đặc tuyến 4 pin Mặt Trời song song ¿- 5< Sex EkekeEerrrkererred 48Hình 4.9: Đặc tuyến 4bộ (8 pin Mặt Trời) song song nối tiẾp - - s55 cesxsx2 48

Hình 4.10: Mô hình Buck-Boost sử dụng giải thuật IncCond <<<< «<<: 49

Hình 4.11: Khóa đóng ngắt điều khiển bộ Buck-Boost - 2-5-5 cs+s+s+ezzerece2 49

Hình 4.12: Mô hình bộ lọc 3 pha L, c 2111112221122 1 1 1111111111888 1 1111 rrrrre 50

Hình 4.13: Phát hiện điểm khOng wees cscscsesesesscecesscscsvscscsesesesececscevsvsvsvscseseseseenenens 50Hình 4.14: Sơ đồ các khối co bản của PL/L ¿5-25 S2 +E+E£EE£E£E£E£E£EEEEEerxrerrrred 51

10) 000 52

Hình 4.16: Mô hình chuyền đổi tin hiệu abe sang dq của khối PLL — Data Process 52Hình 4.17: Hệ thống nguồn lưới xoay chiều 3 pha 2-5- 5< 2 £+E+E+Ez£erzeresrsred 53Hình 4.18: Mô hình tạo điện áp xoay chiều sin cho từng pha - <5 sec cecxsxsx2 53Hình 4.19: Khối Controller tạo tín hiệu điều khiển các khóa ¿2-2 sc+s+szszszzse2 54Hình 4.20: Áp điều khiến được tạo ra băng phương pháp điều khiển vectơ dòng điện

0099150,15ã019.8910ã9001.) 200000577 54

Hình 4.21: Khối Coupling current control xác định giá trị Vd, Vq - s52 55

Hình 4.22: Dạng sóng Va la;I filter;lI Grid supply; và dc <<<<<<<+- 56Hình 4.23: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc la (80 pin) ‹- 57Hình 4.24: Điện áp sau bộ nghịch lưu (80 pin) 2 << <5 5111335555111 xxea 57Hình 4.25: Dạng dòng điện 3 pha sau bộ lọc (80 pin) -ccssSS+++SSSS5555xx+2 58Hình 4.26: Dang dòng điện 3 pha của lưới (80 pIn) -.ccc cv re 58Hình 4.27: Dạng sóng Va la;I filter; 1 Grid supply; và Udc (160 pín) 60

Hình 4.28: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc la (160 pin) 60Hình 4.29: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pĩn) ccc c5 xxea 60Hình 4.30: Dang dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin) 552cc srreeres 61Hình 4.31: Dang dòng điện 3 pha của lưới (160 pin) ceeeeeteceeeseesnteeeeeeesessneeeees 61Hình 4.32: Điện ap pha lưới Va va dong pha sau bộ lọc Ia (160 pin, G = 0,5) 62Hình 4.33: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, G = 0,5) ee eeecesscceceeeeeeeeeseeseeeens 62Hình 4.34: Dang dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, G = 0,Š) ẶẶẶ iveeee 62Hình 4.35: Dang dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, G = Ö,Š) che 63Hình 4.36: Điện áp pha lưới Va và dòng pha sau bộ lọc la (160 pin, R = 20©) 63Hình 4.37: Điện áp sau bộ nghịch lưu (160 pin, R = 20©) cc TS SSS S0 xk2 63Hình 4.38: Dang dòng điện 3 pha sau bộ lọc (160 pin, R = 20©)) cc se 64Hình 4.39: Dang dòng điện 3 pha của lưới (160 pin, R = 20©)) ò2 64

PHU LUC BANGBang 3.1: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu một (0) 0: ca 24Bang 3.2: Tén hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC một pha 29Bảng 3.3: Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu cầu 3 pha cccssssssssessei 33Bang 3.4: Tén hao trên linh kiện của bộ nghịch lưu HERIC 3 pha 5-5-5552 34Bảng 4.1: Thông số pin Mặt Trời SX3200 của BP Solar -5- 5-5 c+csEcezezeererered 45

IX

Chương 1: NANG LƯỢNG MAT TRỜI VÀ HE THONG

PIN MẶT TRỜI

1.1 Nguồn năng lượng Mặt Trời:

Năng lượng mặt trời là nguồn năng lượng tái tạo déi dào được con người khaithác, sử dụng từ rất sớm Trái đất nhận được 174 petawatts (1PW = 10° wy cua bứcxa Mat Trời đến Khoảng 30% được phản xa trở lại không gian trong khi phan còn lạiđược hấp thụ bởi các đám mây, đại dương và đất

Ses OP em) ⁄2/ƒZ2/@|EE| oe

BS mặt trái it

Hình 1.1: Quá trình truyền năng lượng bức xạ Mặt Trời qua

lớp khí quyền của Trái DatSự cạn kiệt dần của nguồn năng lượng hóa thạch và các van đề về môi trường hiệnnay thúc day mạnh mẽ sự phát triển và sử dụng các nguồn năng lượng tái tạo, trong đónăng lượng mặt trời là một nhánh được phát triển mạnh mẽ

Việt Nam với lợi thé là một trong những nước năm trong dãy phân bổ ánh năngmặt trời nhiều nhất trong năm trên bản đồ bức xạ mặt trời của thế giới, với dai bờ biểndài, có hàng nghìn đảo hiện có cư dân sinh sống nhưng nhiều nơi không thể đưa điện lướiđến được Vì vậy, sử dụng năng lượng mặt trời như một nguồn năng lượng tại chỗ để

thay thế cho các dạng năng lượng truyền thống, đáp ứng nhu cầu của các vùng dân cưnày là một kế sách có ý nghĩa về mặt kinh tế, an ninh quốc phòng.

Hệ thống điện mặt trời là hệ thống chuyển ánh sáng mặt trời thành điện năng: có

02 hình thức thực hiện:

- Trực tiếp: chuyển quang năng thành điện năng bằng cách sử dung các tam

pin mặt trời (pin quang điện).

Hình 1.2: Hệ thống pin mặt trời.- Gian tiếp: tập trung nhiệt năng mặt trời bằng cách str dung hệ thống CSP(Concentrating Solar Power) gồm các tâm gương phản chiếu tập trung ánh sáng đểchuyển thành nhiệt, hệ thống thu nhận và truyền tải nhiệt, các hệ thống theo dõi Nhiệtnăng tập trung được chuyển thành điện năng qua các turbin hơi giống như các nha máynhiệt điện truyền thống

Hình 1.3: Hệ thống CSP (Concentrating Solar Power)

1.2 Hệ thống pin mặt trời:

Khoảng 10 năm trở lại đây, cùng với sự phát triển mạnh mẽ công nghệ vật liệu,pin mặt trời ngày càng được cải thiện về mặt hiệu suất và giảm bớt giá thành Điều này

làm cho điện mặt trời trở thành giải pháp năng lượng khả thi va thu hút hơn.

Sự phát triển của pin mặt trời từ năm 1992 đến năm 2012 ở hình 1.4 bên dưới chothấy sự tăng vọt công suất lắp đặt hệ thống pin mặt trời trong vai năm gần đây: 36GWp

năm 2010, 64GWp năm 2011 và 95ŒWp năm 2012.

120

Share of PV Installations per Region from 1992 to 2012- GW

100¡ Middle East and Africa - Other Major Countries80 ® Middle East and Africa - IEA-PVPS

1 America Other Major Countries@ America IEA-PVPS

60E1 Asia Pacific - Other Major CountriesE1 Asia Pacific - IEA-PVPS

40 E1 Europe - Other Major Countries@ Europe - |EA-PVPS

1.3 Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới:

Hiện nay, ngoài các ứng dụng trong vũ trụ và trong dân dụng, phan lớn công suấtlắp đặt của pin mặt trời được kết nỗi với hệ thống lưới điện cung cấp nguồn năng lượng

sạch cho tương lai (Hình 1.5).

70000

" 1

O Grid-connectei

=o @ Off-gridB sooco -Š 40000

2a

& 30000 +

3

8 20000 +<&

ÿ ÿ š § š§ s 5š šsŠ5Š5sẽsšŠ55S5ŠšŠ=5š=

- —= “ “ “ “ c- c« C QÀ Q%ÀG Q%Ã QÀ% QŒQA {Ñ {Ñ @œA QœA Q%A QG

Hình 1.5: Công suất pin mặt trời kết nói lưới từ năm 1992 đến

năm 2011 theo báo cáo của IEA-PVPS [4].

Mặc dù ở nước ta hiện tại chưa được phép kết nỗi pm mặt trời với hệ thống lướiđiện, nhưng đây là xu thế tất yếu để phát triển nguồn năng lượng sạch của tương lai mànhiều nước phát triển đã và đang thực hiện

Hệ thống pin mặt trời kết nối lưới thường được xét một số đặc điểm như:

- Chi phí.

- Kich thước và khối lượng.- - Hiệu suất,

- An toàn.

1.3.1 Hệ thong pin mặt trời kết nối lưới trực tiếp:Phụ thuộc vào sự cách ly về điện giữa các tắm pm mặt trời và hệ thống lưới điệnmà hệ thống pm mặt trời được chia thành kết lưới trực tiếp hoặc cách ly về điện Sự cáchly này do máy biến áp tạo ra Tuy nhiên, máy biến áp là phan tử gây ton hao lớn đến hiệusuất chuyển đối DC/AC của hệ thống pin mặt trời kết lưới.

Hinh 1.6: Hé thống điện mặt trời kết nối lưới trực tiếp: không

có bộ boost (a), có bộ boost điện áp (b).

Ưu điểm lớn nhất của hệ thống kết lưới trực tiếp là làm tăng hiệu suất của toàn hệthống tăng lên khoảng 2% nhờ bỏ qua tốn hao khi có máy biến áp

Khuyết điểm của hệ thống kết lưới trực tiếp là không có máy bién áp tạo sự cách lynên dòng điện DC qua bộ inverter có thể đi vào lưới AC Dòng điện DC này có thể gây

bão hòa từ lõi của các phân tử trong máy biên áp phân phôi dân đên quá nhiệt và làm saitín hiệu bảo vệ.

điện.

Chương 2: BỘ NGHỊCH LƯU TRONG HỆ THÓNG

PIN MAT TROI

Trong hé thong pin mặt trời, bộ nghịch lưu làm nhiệm vu chuyển đồi điện áp |chiều từ pin mặt trời thành điện áp xoay chiều điều khién được ở ngõ ra

Bộ nghịch lưu áp một pha thường được sử dụng với các hệ thống pin mặt trờicá nhân có công suất nhỏ hơn 5kW như cầu H một pha, NPC (Neutral Point Clamped)

một pha,

Bộ nghịch lưu áp ba pha thường được sử dụng với các hệ thống pin mặt trờicông suất lớn hơn, trường hợp lưới hạ thế có thé lên đến 25kW: bộ nghịch lưu cầu 3

pha, NPC ba pha,

2.1 Cac phương pháp điều khiển bộ nghịch lưu áp Ïl:

Các bộ nghịch lưu áp thường được điều khiển dựa theo kỹ thuật điều chế độrộng xung (PWM — Pulse Width Modulation) và quy tắc kích đóng đối nghịch

2.1.1 Phương pháp điều chế độ rộng xung sin (Sin PWM):

Phương pháp thực hiện dựa vào kỹ thuật analog Giản dé kích đóng công tắc bộ

nghịch lưu dựa trên cơ sở so sánh hai tín hiệu cơ bản:

Song mang (carrirer signal) u, tân sô cao;

Sóng điều khiến (reference signal) u, dạng sin

0.005 0.01 0.015 092 0.025

Hinh 2.1: Phuong phap Sin PWM.

Tan số sóng mang càng cao lượng sóng hài bậc cao bị khử càng nhiều nhưngphát sinh tôn hao do tăng số lần đóng ngắt khóa Ngoài ra, các linh kiện đòi hỏi phảicó thời gian dong, cắt nhất định Các yếu tố này làm hạn chế việc chọn tần số sóng

2.1.2 Phương pháp điều chế vector không gian (SVPWM):

Phương pháp điều chế vector không gian khắc phục được nhược điểm củaphương pháp Sin PWM Phương pháp SVPWM tạo ra sự di chuyển liên tục trên quỹđạo đường tròn của vector không gian tương đương của vector điện áp yêu cầu.Vector tương đương ở đây là vector điện áp trung bình trong thời gian một chu kỳ laymau (Ts).

V,(190) „.

Phạm vi điều chếtuyến tính

V.(001)——†——— V,(101)

Hình 2.2: Phương pháp SV PWM.

=>

Phương pháp thực hiện bằng cách điều chế vector V et có độ lớn V bằng với

biên độ điện áp pha của sóng cần điều chế và góc lệch a có giá trị từ 0 đến 22 trongmột chu kỳ của điện áp điều chế (f = 50Hz) (hình 2.2) Xét góc phan sáu thứ nhất củahình lục giác tao bởi 3 vector Vo, Vị, Vạ Giả sử rang trong thời gian chu kỳ lấy mẫu

Ts để tạo ra vector V ef ta tao ra vector Vị trong khoảng thời gian T;, vector V› trong

khoảng thời gian T› và vector VŨ trong khoảng thời gian còn lại (Ts — T, — T), ta có:

Khi đó, ở mỗi chu kỳ lay mẫu ta có thé tính Ty) , 7; , 7¿ như sau:

Tương tự, ở các góc phan sáu còn lai vector được điều chế từ vector không và

hai vector của góc phân sáu tương ứng.

2.2 Tôn hao trên linh kiện:

Hiệu suất dat được của một cau hình nghịch lưu là rất quan trong, việc môphỏng đánh giá hiệu suất sẽ cho ta cái nhìn tổng quát về cầu hình đó, dễ dàng so sánhcác cau hình nghịch lưu ở các điều kiện hoạt động khác nhau mà không cần phải thựchiện mạch thực tế

Việc tính toán tôn hao trên linh kiện bán dẫn sẽ giúp việc chọn lựa linh kiệncho các mạch công suất một cách dễ đàng, dự đoán được nhiệt độ tiếp xúc tối đa của

linh kiện và hiệu suât của mạch công suat.

2.2.1 Tén hao công suất trên IGBT và Diode ÚT BI PI E9,

Khi một linh kiện bán dẫn hoạt động có bốn tôn hao xay ra: tôn hao dẫn(conducting loss), tốn hao trang thái tat (off state losses), ton hao đóng cắt (switchinglosses) và tôn hao trong quá trình hoạt động (driving losses) So sánh với tôn hao quatrình dẫn và đóng cắt thì off-state and driving losses rất nhỏ và có thé bỏ qua

Tốn hao đóng cắt (switching losses) phụ thuộc vào năng lượng đóng cắt( Eonvà Eopr) và tần số đóng cắt (fey)

Tén hao dẫn phụ thuộc vào điện áp ngưỡng (Ucrọ) và điện trở (rc) của linhkiện và giá trị dòng điện qua linh kiện bán dẫn.

10

Các thông số trên được nhà sản xuất cung cấp trên datasheet của linh kiện, tùytheo điều kiện hoạt động, chế độ làm việc mà ta sẽ lựa chọn cho thích hợp.

Từ datasheet của IGBT ta có thê xác định được các giá tri Ucro Và Ic:

- Cách xác định các gia tri Ucgo Va fc, up Va rp dựa vào đặc tuyến Ic

va Vcr của IGBT như sau:

30A /

CURRENT nw oQ>

SHVỤOLLECTORi

Hình 2.3 Cách xác định giá tri UCEO, RC dựa

vào đặc tuyến Vcr và Ic.Tất ca datasheet linh kiện nha san suất đều Cung cấp đặc tuyến trên [9], việc

xác định Ucgọ, Rc được chính xác đòi hỏi ta phải xác định được dòng điện qua linh

kiện, điện áp mà linh kiện phải chịu khi hoạt động, nhiệt độ linh kiện trong suốt quátrình vận hành của mach dé có thé chọn được đường cong thích hợp với điều kiện thực

tÊ, giảm sai sô so với thực nghiệm.

11

Tương tự ta dựa vào đặc tuyến Vy và Ip của Diode dé xác định Up và fp.

a function of forward voltage

(tg =AUp/ Alp)

Hình 2.4 Cách xác định giá tri UD, RD dựa vào đặc tuyến VF và IF

Upo : (on-state voltage) điện áp dan DiodeRp: (on-state resistance) dién tré trang thai dan diode

2.2.1.1 Ton hao dẫn ( conduction losses):

Tén hao dan là tổn hao xảy ra trong quá trình linh kiện công suất ở trạng thái danvà đang dẫn dòng điện qua nó Do đó, công suất trên IGBT được tính như sau:

P= lcŸ Vee(sat) (2.8)

Với i,: dòng điện tải va vạn là điện áp trạng thái bão hoa Điện áp vạn được tinh xấp

xi như sau:

Ver(sat) = Vero + Rc” ic (2.9)Vcro:dién áp dan trang thái tĩnh

Rc: điện trở dan của linh kiện công suat.

12

Phương trình giá tri tức thời ucrgo và up theo dòng tức thời ic (qua IGBT) va ip(qua Diode):

UcEŒc) = Ucgo + fc - Ic (2.10)Up(ip) = Upo + tp - ip (2.11)

Cong suất ton hao tức thời tại một thời điểm trên IGBT:

Per (f) = Uce(t) - lc (f) = Mẹgg ic) + Tạ : i¿ (f)

2.2.1.2 Tổn hao quá trình đóng cắt (hard-switching losses )

T6én thất trong quá trình đóng cắt (hard-switching losses) bao gốm hai thành phanlà tốn hao trong quá trình mở (turn-on energy) và quá trinh tắt (turn-off energy) Cũngnhư tốn hao dẫn, tổn hao trong quá trình đóng cat được đặc trưng băng đặc tuyến va

13

thông tin trên datasheet [9].Switching losses trình bai trong datasheet được tính toán dựavào test current mô phỏng một tải quy nap.

Switching losses thì phụ thuộc vào nhiệt độ nên các tính toán nên dựa vào điềukiện nhiệt độ xâu nhất

a) (Turn-on energy) năng lượng tốn hao quá trinh ON linh kiện:Eon:được tính trong khoảng thời gian từ 10% của dòng điện test (Ic) tăng đến

90% điện áp test (Vcr) giảm.

GATE VOLTAGE DUT

Đối với IGBT :năng lượng trong quá trình đóng và cắt chủ yếu là :

Esw= EontEorr = f,, VCE IC dt + VCE IC dt (2.16)

Đối với Diode: Cường độ dòng điện hồi phục ngược[1]:

15

comunestt Ỷ

DIODEREVERSE

ee, ee er ee WAVEFORMS

t4DIODE REVERSE ' Erec= Ì Vd Id dtRECOVERY t3ENERGY

t3; 8

Hình 2.7 Giản đồ năng lượng hồi phục ngược của Diode

Hình 2.8 Điện lượng Qrr cua Diode.lv: dòng điện ngược cực đại của Diode.

Q,, : Stored charge là điện lượng trong quà trình ON của Diode.

Diode giải phóng năng lượng khi turn-off,qua trình này trong thời gian rất ngăn+ Diode schottky điện áp thấp Vf< IV thì t„ < 10ns

16

+Diode điện áp trung bình: Vf= 1V thì t„ < 40ns.+ Fast Diode thì: Vf= 1.3V thì tự < 140ns.

— 2 ỉ O,,

Drrpeak ~~

(rr

(2.17)Eonr : turn-on energy losses

EonMi : Switch-on energy without taking the reverse recovery process into account.Eonmr 2Witch-on energy caused by the reverse recovery of the free-wheeling diode.Ipmpeak: the peak reverse recovery current

Ta tính được năng lượng trong quá trình ON cua Diode :

Turn-on energy của diode chủ yếu là năng lượng reverse-recovery

tri+tƒu

Up: điện áp trên diode trong thời gian hồi reverse recovery, có giá trị xấp xi Upp

( supply voltage) [1].

tru+tfì

hư a |u„() 7 i(t)dt

, (2.19)Eorr trên diode rất nhỏ nên ta có thé bỏ qua (Eorrr=0)

Ta có tốn hao đóng cắt trên IGBT:

eer, = (hưu + Em ) Tx (2.20)

Và ton hao đóng cắt trên diode:

Tp = (Tạp + Sam) đụ - sp ‘J sw (2.21)

17

2.2.2 Mô hình tính tốn hao công suất trên linh kiện:

Từ các công thức xác định tổn hao ở phan 2.2.1 ta thực hiện mô hình Simulinktính toán tổn hao cho IGBT và diode mặc đối song như sau:

Từ công thức tinh tốn hao dẫn của IGBT 2.13 và các thông số xác định được từ [9]ta thực hiện so đồ tinh tốn hao dẫn cho IGBT:

0.9

Voeo

Figbt_con——

C1 >+—* In Wear »> + > ||_igbt a

——i- s2: ——g I.Ê —— v

Discrete Irms2

RMS IL2

Fe-2Ree

Hình 2.9 Mô hình tinh toán ton hao dẫn IGBT.Từ công thức tính tốn hao dẫn của diode 2.15 và các thông số xác định được từ [9]ta thực hiện sơ đồ tính tốn hao dẫn cho diode đối song:

Discrete Irmsé

RMS IL3

0.01Rd

Hình 2.10 Mô hình tinh toán tổn hao dan diode

18

Từ công thức tính tốn hao đóng cắt của IGBT 2.20 và các thông số xác định đượctừ [9] ta thực hiện sơ đồ tính tốn hao đóng cắt cho IGBT:

fswFswitching

_———+> x Lg

0.022¢ + > > x | CT3 |EenIGBT Pswitching -igbt

0.025EofflGBT

fsw »> x > Fswitching_diode

Fswitching ———*>0.0222

Chương 3: BỘ NGHỊCH LƯU HERIC 3 PHA

34.1 Gidi thiệu:

Cấu trúc bộ nghịch lưu HERIC (Highly Efficient and Reliable Inverter Concept)cong bố năm 2011 bởi Heribert Schmidt với ưu điểm cải thiện được hiệu suất chuyển đốiDC/AC Hiện nay, phương pháp điều khiến bộ nghịch lưu HERIC 3 pha thuộc bản quyềnsản xuất của công ty Sunways Solar AG (Konstanz, Germany)

Chương 3 thực hiện kiểm chứng băng cách khảo sát và mô phỏng các bộ nghịchlưu: bộ nghịch lưu cầu một pha, bộ nghịch lưu HERIC một pha, bộ nghịch lưu cầu ba phabăng chương trình mô phỏng Simulink của Matlab Từ đó, đề xuất giải thuật điều khiến

và mô phỏng bộ HERIC ba pha sử dụng chương trình mô phỏng Simulink của Matlab.3.2 Bo nghịch lưu một pha:

3.2.1 Bộ nghịch lưu cầu H một pha:

Bộ nghịch lưu cầu một pha gom 4 khóa SI, S2, S3, S4 và 4 diode mắc đối song.Bộ nghịch lưu được điều khiển theo nguyên tắc sinPWM đã trình bay ở phan 2.2.1,

Hình 3.1 Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector điện áp dương khi khóa

S1 và khóa S4 dan ở nữa bán kỳ dương điện áp

20

‘= Cae |_ ¬ I Ji —— lsat cobalt

Hình 3.2 Bộ nghịch lưu cầu một pha: vector không,

S1 và S3 dẫn ở nữa bán kỳ dương điện áp

+ Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu cầu một pha:

sd Lil |

—®| 5 loutPdc

Bốn khóa S1, S2, S3, S4 được điều khiển theo phương pháp sinPWM:

Divide

|<i >< s1 |

=i|tủ|

di< +

C,=C)=6x 10°FL;= 1,8 x 10°mHC;=2x 10°F

300 : :

2001000-100-200-300

Time (s)Hinh 3.6 Dién ap va dong dién tai.

— Signal to analyze — Available signals@ Display selected signal () Display FFT window Structure :

Selected signal: 5 cycles FFT window (in red): 3 cycles ScopeData sa

200 | = |

input 4 a}

0 4 Signal number:

: : ; —' — FFT window0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

Time (s) Start time (s): 0.04

—FFT analysis

Number of cycles: 3Fundamental (50Hz) = 311.6 , THD= 0.66% Furidamentelrequency (zr

0.25} a 50a :

| NAY bế [Display | | Close |

Hình 3.7 Phân tích FFT điện áp tai.

Điện áp điều chế được có dan sin biên độ 311.6 (V), độ méo dạng THD = 0,66%

23

Tốn hao trên linh kiện được tính theo mô hình ở phan 2.2.2, chương 2:

Bang 3.1 Tổn hao trên linh kiện của bộ nghịch

3.2.2 Bộ nghịch lưu HERIC một pha:

lưu câu một pha.Bộ nghịch lưu HERIC một pha được phát triển từ bộ nghịch lưu cầu H một phađược thêm vào 2 khóa S5, S6 (hình 3.1) Hai khóa này sẽ thực hiện ngăn mạch đầu ra củabộ nghịch lưu, ngắt kết nỗi giữa pin mặt trời và lưới điện ở trạng thái vector không

24

' A ‡ IVY :

: Cal a) ,

3 ==

oa

Hình 3.9 Cau trac HERIC: vector điện áp dương khi khóa

S1 và khóa S4 dan ở nữa bán kỳ dương điện áp

Hình 3.10 Câu trúc HERIC: vector không, S6 dẫn ở nữa

bán kỳ âm của điện áp.

S1, S2, S3, S4 được điều khiến giống bộ nghịch lưu cầu một pha Trong suốt nữabán kỳ dương của điện áp khóa S6 được đóng và sẽ dẫn khi khóa S1 và S4 ngắt (hình

3.2) Tương tự ở nữa bán kỳ âm của điện áp, khóa S5 được đóng và sẽ dẫn khi khóa S2

và S3 ngắt

25

Như vay, ở trạng thái vector không khóa S5 và S6 được dùng dé nối tat đầu ra củabộ nghịch lưu và tắm pm mặt trời được cách ly khỏi lưới điện do cặp khóa S1-S4 hoặcS2-S3 ngắt.

+ Mô hình mô phỏng bộ nghịch lưu HERIC một pha:

NOT

Hình 3.12 Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC một pha

26

Thông số mô phỏng:

fow = 0kHzVa = 350Vm=0.9

Cị=Cạ=6x 10°FLr= 1,8 x 10°mHCrp=2x 10°F

n i i i i i i i i i0.06 0.062 0.064 0.066 0.068 0.07 0.072 0.074 0.076 0.078 0.08

i i i i0.07 0.072 0.074 0.076 0.078 0.08

Time (s)

Hinh 3.13 Dién ap dau ra của bộ nghịch lưu HERIC một pha

i i0.064 0.066 0.068

Time (S})

Hình 3.14 Điện áp và dòng tải của bộ nghih lưu HERIC ba pha.

27

— Signal to analyze — Available signals

@) Display selected signal ©) Display FFT window Structure :

Selected signal: 5 cycles FFT window (in red): 3 cycles ScopeData ~

Hình 3.15 Phân tích FFT của điện áp tai.

Điện áp điều chế được có dan sin biên độ 311.6 (V), độ méo dạng THD = 0,66%

2% 10° ; ; ;

eee ` | Vern (M) |

a a a a ae SS :a a 4

ñ

[.BSÌL - To nh nh nh HIỂ HH nh nh nh HỖ HH nh Hi Hi Hi ĐH Hi Hi in Hi KỮ kinh kh vi HÀ kh nh và ¬"ñ a 41.5 Rl ee Se ee ce ee ee ee ee ee eet eee eee 4