Bài tập lớn Điện tử công suất bộ nghịch lưu nối lưới

Để biến đổi và hòađồng bộ nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào trong hệ thống điện, thường có haidạng kết nối lưới cơ bản:  Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HỒ CHÍ MINH

BỘ MÔN ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

BÀI TẬP LỚN ĐIỆN TỬ CÔNG SUẤT

BỘ NGHỊCH LƯU NỐI LƯỚI

MỤC LỤC

BỘ NGHỊCH LƯU 3 PHA NỐI LƯỚI

I.GIỚI THIỆU 1

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1

1.Cấu tạo chung 1

2.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển sóng vuông 3

3.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển kiểu PWM 7

4.Cấu trúc của nguồn điện phân tán DG và các tiêu chuẩn nối lưới 8

4.1.Cấu trúc của nguồn điện phân tán DG nhờ năng lượng tái tạo 8

4.2.Các tiêu chuẩn nối lưới 10

III.ỨNG DỤNG 12

1 Ứng dụng trong hệ thống quang điện 12

2 Ứng dụng trong hệ thống các tua bin gió 14

3 Ứng dụng bộ nghịch lưu nối lưới song song cho xe vào lưới (V2G) 15

4 Ứng dụng trong trạm nghịch lưu HVDC 17

IV.MÔ PHỎNG 18

1.Mạch nghịch lưu 3 pha 18

2.Mạch nghịch lưu 1 pha 20

V.KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 25

I.GIỚI THIỆU.

Với xu hướng giảm khí thải nhà kính , bảo vệ môi trường , tránh biến đổi khí hậu thìnăng lượng xanh ngày càng được nghiên cứu, phát triển một cách mạnh mẽ Bộ nghịchlưu nối lưới là một thành phần quan trọng trong hệ thống chuyển đổi từ năng lượng xanhthành điện để chúng ta sử dụng Bộ nghịch lưu nối lưới ngày càng được nghiên cứu , ứngdụng rộng rãi Bài tập lớn này sẽ giúp chúng ta hiểu hơn về cấu tạo, ứng dụng của BộNghịch Lưu Nối Lưới

II.CƠ SỞ LÝ THUYẾT.

1.Cấu tạo chung.

Bộ nghịch lưu có chức năng chuyển đổi nguồn năng lượng từ nguồn điện một chiềukhông đổi sang dạng năng lượng xoay chiều Tuỳ vào đại lượng được điều khiển ở ngõ ra

là điện áp hay dòng điện mà bộ nghịch lưu được gọi là bộ nghịch lưu áp hoặc bộ nghịchlưu dòng Trong bài phân tích chủ yếu bộ nghịch lưu áp nối lưới

Với nguồn điện 1 chiều Vdc có thể chọn đơn giản như acquy, pin điện hoặc ở dạngphức tạp hơn gồm điện áp xoay chiều được chỉnh lưu và lọc phẳng

Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có khả năng kích đóng kích ngắt dòng điện qua nó(có vai trò như một công tắc) Có thể sử dụng các transistor BJT, MOSFET, IGBT làmcông tắc (với ứng dụng công suất nhỏ và vừa) hoặc GTO, IGCT, SCR kết hợp với bộchuyển mạch (với ứng dụng công suất lớn) Bên cạnh đó, mỗi linh kiện trên còn đượcmắc diode đối song song, cho phép tạo mạch chỉnh lưu có chiều dẫn điện ngược lại vớichiều dẫn điện của các công tắc Giúp tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình trao đổi côngsuất ảo giữa nguồn điện 1 chiều và tải xoay chiều, hạn chế quá điện áp phát sinh khi kíchngắt công tắc

 Bộ nghịch lưu áp 1 pha

 Bộ nghịch lưu áp 3 pha

2.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển sóng vuông

 Bộ nghịch lưu áp 1 pha

Bộ nghịch lưu áp này phù hợp với tải có tính cảm kháng (xét tải gồm có điệntrở và cuộn dây) Với giản đồ kích đóng các công tắc, thu được đồ thị điện áp tảinhư sau:

Hình 1 Giản đồ kích đóng của các công tắc bộ nghịch lưu 1 pha

Với nguyên tắc kích: hai công tắc bán dẫn trên cùng 1 nhánh cầu (S1&S ,4

S2&S3) được kích đối nghịch nhau và không có trường hợp cả hai công tắc trêncùng 1 nhánh cùng dẫn hoặc cùng tắt

Trong thực tế để tránh xảy ra tình trạng ngắn mạch nguồn (cả hai công tắc trêncùng 1 nhánh cầu dẫn), cần thiết lập một khoảng thời gian chết (dead-time) khi bắtđầu chuyển mạch của hai công tắc cùng pha tải trong giản đồ đóng ngắt Dokhoảng thời gian chết này được thiết lập nhỏ không đáng kể nên không ảnh hưởngđến quá trình phân tích mạch sau này, có thể bỏ qua

Do tải có chứa thành phần cuộn dây và các công tắc được mắc diode đối songsong nên dòng tải thu được là dòng liên tục không gián đoạn Trong 1 chu kì đượcchia ra làm 4 khoảng kích dẫn như sau:

 Khoảng I: S1, S2 được kích, dòng điện đi theo chiều:U+→S →Tải→S1 2→U-, dòng điện It dương tăng liên tục (cuộn dây đangnạp năng lượng)

 Khoảng II: S , S được kích dòng điện đi theo chiều:3 4

U-→D →Tải→D4 3→U+, dòng điện It dương giảm liên tục (cuộn dây đang xảnăng lượng)

 Khoảng III: S , S được kích dòng điện đi theo chiều:3 4

U+→S →Tải→S3 4→U-, dòng điện It âm giảm liên tục (cuộn dây đang xả nănglượng)

 Khoảng IV: S , S được kích, dòng điện đi theo chiều:1 2

U-→D →Tải→D2 1→U+, dòng điện It âm tăng liên tục (cuộn dây đang nạpnăng lượng)

Phân tích dòng qua tải:

Với 0 ≤ t < T/2, có

Với T/2 ≤ t < T, có

Với t = 0

→ Với t = T/2

= =

- →

Giá trị I và I có thể xác định từ quá trình đối xứng của hai nửa chu kì điện ápmin max

và dòng điện tải, từ đó suy ra

Phân tích Fourier cho điện áp tải:

Áp tải chỉ chứa các thành phần hài bậc lẻ và độ méo dạng điện áp:

Bộ nghịch lưu áp 3 pha cũng được phân tích tương tự, với các khoảng dẫnđược kích như hình và tải được đấu sao (Y), thu được đồ thị điện áp trên tải nhưhình (gần giống điện áp 3 pha)

Hình 2 Đồ thị kích và điện áp trên tải của bộ nghịch lưu ba pha.

Phân tích Fourier của các điện áp pha, thu được các chuỗi sóng sin như sau:

= = 0.311 = 31.1%

3.Bộ nghịch lưu áp với phương pháp điều khiển kiểu PWM

 Bộ nghịch lưu 1 pha kiểu bán cầu

Hình 3 Bộ nghịch lưu 1 pha kiểu bán cầu

 Bộ nghịch lưu 1 pha kiểu cầu

Hình 4 Bộ nghịch lưu 1 pha kiểu cầu.

 Bộ nghịch lưu 3 pha

Hình 5 Bộ nghịch lưu 3 pha Với các khoá bán dẫn được điều khiển bằng mạch so sánh giữa giá trị sóng điều khiển

ucontrol và sóng mang u dạng tam giác, các khoá được kích dẫn với những khoảng dẫntri

khác nhau nhưng vẫn thoả mãn nguyên tắc kích đóng ngắt

Với sóng điều khiển ucontrol biến thiên chậm hơn nhiều sóng mang u biên độ và tần sốtri,

hài cơ bản điện áp ngõ ra có thể điều khiển được qua biên độ và tần số sóng điềukhiển

Việc tăng tần số đóng ngắt cũng là một trong những phương pháp giúp giảm thànhphần sóng hài Nhưng điều này lại gây công suất tổn hao khi đóng ngắt bởi công suấttổn hao của linh kiện tăng tỉ lệ với tần số đóng ngắt

4.Cấu trúc của nguồn điện phân tán DG và các tiêu chuẩn nối lưới

4.1.Cấu trúc của nguồn điện phân tán DG nhờ năng lượng tái tạo

Mặc dù thân thiện với môi trường và khả năng vô cùng lớn, nhưng nhược điểmcủa năng lượng tái tạo là bị loãng và không liên tục Do đó, nó cần được nối lưới

để đảm bảo một nguồn điện có chất lượng cao với chi phí rẻ Để biến đổi và hòađồng bộ nguồn điện từ năng lượng tái tạo vào trong hệ thống điện, thường có haidạng kết nối lưới cơ bản:

 Phát điện trực tiếp lên lưới dùng máy điện quay đồng bộ hoặc không đồng

bộ (tua bin gió)

 Phát điện dùng nghịch lưu trực tiếp hoặc gián tiếp

Hình 6 Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời nối lưới

Việc đấu nối phải đảm bảo không làm ảnh hưởng đến chế độ vận hành củamạng điện Để có thể hòa đồng bộ với lưới điện, cần có cùng điện áp, tần số, thứ

tự pha và góc pha với điện áp của lưới điện Nếu hội tụ đủ những điều kiện này,điện áp có thể được hòa đồng bộ với lưới với mức điện áp dao động nằm trongphạm vi ±5% tại điểm kết nối chung Điện gió, điện mặt trời có thể được kết nối

với lưới thông qua các bộ nghịch lưu với mức điều khiển tăng dần từ không tải lênđến đầy tải Bộ nghịch lưu có thể được bố trí nối tiếp (dãy) hoặc song song.

Đa số các nguồn điện phân tán DG (Distributed Generation) sử dụng nănglượng tái tạo đều có hệ thống nghịch lưu để nối lưới Tuy nhiên, các bộ nghịch lưunối lưới này lại là một trong những thiết bị phát sóng hài đáng kể lên lưới điện vàảnh hưởng đến sự ổn định của hệ thống điện Do đó, chúng có tác động tiêu cựcđến chất lượng điện năng của hệ thống điện Như ở bộ nghịch lưu điều khiển bằngsóng vuông tính ra được độ méo dạng sóng hài với 1 pha là 48.3% và 3 pha là31.1% quá lớn ảnh hưởng đến chất lượng điện năng không thể hoà lưới đượcchính vì vậy mà ít được ứng dụng trong thực tế

4.2.Các tiêu chuẩn nối lưới

Các tiêu chuẩn hướng dẫn kết nối DG với lưới điện hiện vẫn là đề tài gây tranhcãi khi nghiên cứu Sự đa dạng của các tiêu chuẩn của mỗi quốc gia cũng làm chovấn đề này phức tạp hơn Do đó rất cần thiết có một tiêu chuẩn chung cho các nhàsản xuất, những người vận hành hệ thống điện phù hợp với các điều kiện cụ thểcủa mỗi địa phương, mỗi quốc gia Sự tiêu chuẩn hóa sẽ giúp cho các công nghệ

DG phát triển mạnh trong thị trường điện, giảm bớt các chi phí trong sản xuất, vậnhành hệ thống điện

Tiêu chuẩn đầu tiên được đưa ra là phiên bản IEEE 1547, tiêu chuẩn này có cácyêu cầu liên quan đến lắp đặt, vận hành, kiểm tra, điều kiện an toàn,… của máyphát phân tán kết nối lưới Tuy nhiên tiêu chuẩn này tập trung vào hệ thống điện

có tần số 60 Hz, khi ứng dụng vào hệ thống có tần số 50 Hz sẽ xuất hiện nhữngđiểm không phù hợp

 Công suất cực đại của DG

Khả năng tải của máy biến áp, cáp, dây dẫn, thiết bị chuyển mạch được sửdụng để xác định mức công suất cực đại của DG có thể lắp đặt ví dụ ở Bỉ, côngsuất thiết kế của DG phải nhỏ hơn khả năng của máy biến áp MV/LV hoặc

HV/MV phù hợp với tiêu chuẩn (n-1) Ở Italia, yêu cầu công suất lắp đặt của DGphải nhỏ hơn 65% trong mạng trung và hạ áp Trong khi đó, Tây Ban Nha yêu cầunhỏ hơn 50% công suất máy biến áp.

 Cấp điện áp kết nối DG

Do công suất phát hạn chế, DG thường được kết nối với mạng trung áp và hạ

áp Cấp điện áp được sử dụng như là yêu cầu cho phối hợp bảo vệ và mức côngsuất danh định, điểm kết nối Trong trường hợp kết nối với lưới trung áp, máy điện

áp có thể đuợc yêu cầu làm nhiệm vụ bảo vệ DG bởi việc hấp thụ công suất phảnkháng, ngăn ngừa dòng thứ tự không và hạn chế dòng ngắn mạch

 Chất lượng điện năng

 Sóng hài

Bậc của sóng hài sinh ra bởi DG không gây nhiễu loạn trong hệ thống phânphối Tổng độ méo toàn phần (Total Harmonic Distortion – THD) được yêu cầunhỏ hơn 5%

Bảng 1 Giới hạn dòng hài theo IEEE 1547 - 2006

 Chập chờn

Hiện tượng chập chờn là kết quả của việc biến đổi công suất ở đầu ra của máyphát: tuabin gió, pin mặt trời… hoặc có sự biến đổi của các phụ tải: lò hồ quang,các động cơ không đồng bộ… dẫn tới thay đổi điện áp tại các nút phụ tải Để hạn

chế hiện tượng chập chờn, nhiều nước đã đưa ra yêu cầu công suất lắp đặt cực đạicủa DG phải nhỏ hơn vài lần công suất ngắn mạch tại điểm kết nối chung.

Đối với máy phát không đồng bộ yêu cầu hệ số công suất phải cao hơn 0,86

Ở nước ta có quy định các tổ máy phát điện không đồng bộ phải được trang bị các

tụ bù ngang để đảm bảo hệ số công suất tối thiểu bằng 0,90

 Dòng điện 1 chiều

Việc xuất hiện dòng điện một chiều làm tăng thêm sự bão hòa các thành phần

từ hóa của lõi thép các máy biến áp Theo IEEE 1547, dòng điện một chiều đưavào lưới từ các máy phát DC phải nhỏ hơn 0,5% dòng định mức của máy phát tạiđiểm kết nối

 Bảo vệ

Hầu hết đều chưa có các tiêu chuẩn và yêu cầu kỹ thuật cho các máy phát làmviệc độc lập Các máy phát DG đều phải tách lưới khi lưới điện chính không cungcấp năng lượng hoặc khi có sự cố nặng nề

 Tự động đóng lại

Việc đóng lại của các máy phát DG, nói chung không được gây ra các tác độngđộc lập khác Nếu có sự cố trên lưới điện truyền tải, các máy phát DG sẽ được yêucầu cắt ra khỏi lưới Tiêu chuẩn kỹ thuật của Italia quy định thời gian đóng lại sau

2 giây đối với lưới 150 kV, 2,6 giây đối với lưới 220 kV và 4 giây đối với lưới 380kV

Trong tiêu chuẩn IEEE 1547, máy phát DG sẽ ngừng cung cấp điện khi tựđóng lại đã khôi phục trở lại bởi hệ thống Yêu cầu này được đưa ra nhằm ngănngừa sự mất đồng bộ trong khoảng thời gian đóng lại, ảnh hưởng tới thiết bị bảo

vệ quá dòng hoặc tránh hư hại tới các máy biến áp, động cơ và DG

III.ỨNG DỤNG.

1 Ứng dụng trong hệ thống quang điện.

Hệ thống quang điện nối lưới, hoặc hệ thống PV nối lưới là một hệ thống năng lượng mặt trời PV tạo ra điện được kết nối với lưới điện tiện ích Một hệ thống PV nối lưới bao gồm các tấm pin mặt trời, một hoặc nhiều bộ nghịch lưu, bộ điều hòa năng lượng và thiết

bị nối lưới Chúng có mặt từ các hệ thống trên mái nhà dân cư và thương mại nhỏ đến cácnhà máy điện mặt trời quy mô tiện ích lớn Ở điều kiện phù hợp, hệ thống PV nối lưới sẽ cung cấp lượng điện dư thừa vượt quá mức tiêu thụ của tải cho lưới

Bộ nghịch lưu nối lưới là một phần trong hệ thống PV nối lưới, có tác dụng thay đổi dòng điện một chiều (DC) được thu bởi các tấm pin mặt trời thành dòng điện xoay chiều (AC) Dòng điện xoay chiều là dòng điện tiêu chuẩn cần thiết để cung cấp năng lượng cho các thiết bị gia dụng và kết nối với lưới điện Quốc gia

Các bộ nghịch lưu được sử dụng trong các ứng dụng quang điện trước đây được chia thành hai loại chính:

a) Bộ nghịch lưu độc lập

Bộ nghịch lưu độc lập dành cho các nhà máy quang điện không được kết nối với mạng lưới phân phối năng lượng chính, có thể cung cấp năng lượng điện cho các tải, đảmbảo sự ổn định của các thông số điện áp và tần số Điều này giúp chúng chịu được các tình huống quá tải tạm thời Khi đó, bộ nghịch lưu được kết hợp với hệ thống lưu trữ pin

để đảm bảo cung cấp năng lượng ổn định

Hình 7.Hệ thống nghịch lưu độc lập

b) Bộ nghịch lưu nối lưới

Các bộ nghịch lưu nối lưới có thể đồng bộ hóa với lưới điện mà chúng được kết nối Khi đó, các thông số như điện áp và tần số được quy định bởi lưới điện chính Các bộ nghịch lưu này phải có khả năng ngắt kết nối nếu lưới điện chính bị lỗi để tránh bất kỳ khả năng cung cấp ngược nào có thể xảy ra với lưới điện chính gây nguy hiểm nghiêm trọng

Các bộ nghịch lưu năng lượng mặt trời này có một số ưu điểm nhưng bên cạnh đó cũng tồn tại một số lỗ hổng như giảm thiểu hiệu suất của các bộ nghịch lưu nối lưới và gây lo ngại về an toàn Trên thực tế những lý do chính là:

 Điều kiện thời tiết khắc nghiệt

 Vị trí lắp đặt của các bộ nghịch lưu

 Mưa, độ ẩm và nhiệt độ cực cao vào một số ngày

Chính vì thế, việc sử dụng các bộ nghịch lưu chất lượng cao và cách nhiệt là rất quan trọng Bên cạnh đó, vị trí lắp đặt các bộ nghịch lưu phải ở nơi có mái che Mặc dù bộ nghịch lưu vẫn có khả năng bị lỗi nhưng tuổi thọ của các bộ nghịch lưu nối lưới có thể

tăng lên đáng kể nếu chúng ta biết thực hiện các biện pháp an toàn nhằm tránh các lỗi không mong muốn xảy ra trong bộ nghịch lưu.

Hình 8.Hệ thống nghịch lưu nối lưới

2 Ứng dụng trong hệ thống các tua bin gió.

Tua bin gió là một thiết bị chuyển đổi năng lượng gió (động năng) thành điện năng Khi các cánh quạt quay nhờ gió, điện năng được tạo ra và gửi trở lại lưới điện thông qua

bộ nghịch lưu nối lưới Có rất nhiều loại tua bin, một số quay với vận tốc không đổi với các góc cánh quạt có thể điều chỉnh để tận dụng tối đa tốc độ gió có sẵn, một số khác quay với tốc độ khác nhau với gió có sẵn và dựa vào các thiết bị điện tử như bộ nghịch lưu để đồng bộ hóa với lưới điện

Hình 9 Tua bin gió

Tua bin gió thực chất hoạt động như một chiếc quạt Thay vì điện cung cấp năng lượng cho quạt để quay, năng lượng gió được cung cấp qua hộp số, sau đó làm quay độngcơ/máy phát điện, từ đó tạo ra điện Điện được sản xuất ở dạng DC, do đó cần phải được cung cấp qua bộ nghịch lưu, từ đó chuyển đổi điện thành điện xoay chiều AC có thể đượcđưa trở lại vào lưới điện Khi được sử dụng song song với lưới điện, dòng điện xoay chiều do bộ nghịch lưu tạo ra được đưa trực tiếp vào mạch phân phối trong nước, mạch này cũng được kết nối với lưới phân phối điện công cộng Do đó, hệ thống máy phát điệngió có thể cung cấp trực tiếp tất cả các phụ tải điện của người dùng được kết nối, chẳng hạn như chiếu sáng, máy tính và các thiết bị gia dụng khác, v.v.

Khi tuabin gió không tạo ra đủ năng lượng, nguồn điện cần thiết để đảm bảo hoạt động bình thường của tải người dùng được kết nối sẽ được lấy từ lưới điện công cộng Trong khi nếu năng lượng do tua-bin gió tạo ra vượt quá nhu cầu của phụ tải, thì năng lượng đó sẽ được cấp trực tiếp vào lưới điện, do đó có sẵn cho phụ tải của những người dùng khác

Hình 10 Bộ nghịch lưu nối lưới trong máy phát gió

3 Ứng dụng bộ nghịch lưu nối lưới song song cho xe vào lưới (V2G)

V2G là viết tắt của “phương tiện nối lưới” và là một công nghệ cho phép năng lượngđược đẩy trở lại lưới điện từ pin của ô tô điện Với công nghệ xe nối lưới, pin ô tô có thểđược sạc và xả dựa trên các tín hiệu khác nhau - chẳng hạn như sản xuất hoặc tiêu thụnăng lượng gần đó Ý tưởng đằng sau phương tiện nối lưới tương tự như sạc thông minhthông thường Sạc thông minh hay còn gọi là sạc V1G giúp chúng ta có thể điều khiển