XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương: Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng Chương 2: Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới. Chương 3: Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới. Các kết luận và kiến nghị.

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

-PHẠM THỊ HỒNG ANH

XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI

Chuyên ngành : Tự Động Hóa

Mã số : 605260

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệpThái Nguyên.

Vào 13 giờ 30 phút ngày 08 tháng 12 năm 2011

Có thể tìm hiển luận văn tại Trung tâm Học liệu tại Đại học Thái Nguyên vàThư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

MỞ ĐẦU

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn

Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên bantặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn nănglượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòngsông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụngnguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặcbiệt khi tới bề mặt quả đất

Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lướiđiện thông minh Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC),Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều(AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đếnphụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời, điệnnăng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiềnđiện

Nội dung của luận văn được chia thành 3 chương:

Chương 1: Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng Chương 2: Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới.

Chương 3: Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới.

Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn BanGiám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuậnlợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học

Tôi xin chân thành cảm ơn!

Thái Nguyên, ngày 10 tháng 12 năm 2011

Người thực hiện

Phạm Thị Hồng Anh

CHƯƠNG 1

NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀ CÁC PHƯƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG 1.1 Nguồn năng lượng mặt trời

1.1.1 Cấu trúc mặt trời

Một cách khái quát có thể chia mặt trời thành hai phần chính: phần phía trong

và phần khí quyển bên ngoài (hình 1.1) Phần khí quyển bên ngoài lại gồm 3 miền

và được gọi là quang cầu, sắc cầu và nhật miện Còn phần bên trong của nó cũng có thể chia thành 3 lớp và gọi là tầng đối lưu, tầng trung gian và lõi mặt trời Một số

thông số của các lớp của mặt trời được cho trên hình 1.1

1.1.2 Năng lượng mặt trời

Năng lượng do mặt trời bức xạ ra vũ trụ là một lượng khổng lồ Mỗi giây nóphát ra 3,865.1026 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.1016 tấn than đátiêu chuẩn Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng17,57.1016J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá

1.1.3 Phổ bức xạ mặt trời

Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao độngđiện từ trường trong không gian Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độđiện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc vớiphương truyền của sóng điện từ Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau mộtchu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng .

1.1.4 Đặc điểm của bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất.

1.1.4.1 Phổ bức xạ mặt trời.

Ở mặt đất nhận được hai thành phần bức xạ:

- Bức xạ trực tiếp (còn gọi là Trực xạ) là các tia sáng mặt trời đi thẳng từ mặt

trời đến mặt đất, không bị thay đổi hướng khi qua lớp khí quyển

- Bức xạ nhiễu xạ hay bức xạ khuếch tán gọi tắt là tán xạ là thành phần các tia

mặt trời bị thay đổi hướng ban đầu do các nguyên nhân như tán xạ, phản xạ, Hướng của tia trực xạ phụ thuộc vào vị trí của mặt trời trên bầu trời, tức là phụthuộc vào thời gian và địa điểm quan sát Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạkhông có hướng xác định mà đến điểm quan sát từ mọi điểm trên bầu trời

Tổng hai thành phần bức xạ này được gọi là tổng xạ, nó chiếm khoảng 70%

toàn bộ bức xạ mặt trời hướng về quả đất

1.1.4.2 Sự giảm năng lượng mặt trời phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia sáng qua lớp khí quyển (air mass)

Do các quá trình hấp thụ, tán xạ, phản xạ của tia mặt trời xảy ra khi nó đi qualớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đicủa tia trong lớp khí quyển Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời Độdài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith ( ởđỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấpthụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọchoặc lặn thì đường đi của tia bức xạ mặt trời qua lớp khí quyển là dài nhất, nên bức

xạ bị tán xạ và hấp thụ nhiều nhất

1.1.4.3 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian

1.1.4.4 Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian

1.2 Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời.

1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời.

Năng lượng mặt trời (NLMT) là nguồn năng lượng mà con người biết sử dụng

từ rất sớm, nhưng ứng dụng NLMT vào các công nghệ sản xuất và trên quy môrộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiềuNLMT, những vùng sa mạc Từ sau các cuộc khủng hoảng năng lượng thế giới năm

1968 và 1973, NLMT càng được đặc biệt quan tâm Các nước công nghiệp pháttriển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT Các ứng dụngNLMT phổ biến hiện nay bao gồm các lĩnh vực chủ yếu sau:

1.2.1.1 Pin mặt trời.

1.2.1.2 Nhà máy nhiệt điện sử dụng năng lượng mặt trời.

1.2.1.3 Thiết bị sấy khô dùng NLMT

1.2.1.4 Bếp nấu dùng NLMT

1.2.1.5 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT

1.2.1.6 Động cơ stirling chạy bằng NLMT

1.2.1.7 Thiết bị đun nước nóng bằng NLMT

1.2.1.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT

1.2.2 Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng NLMT

Vấn đề sử dụng NLMT đã được các nhà khoa học trên thế giới và trong nướcquan tâm Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tỷ trọng năng lượng đượcsản xuất từ NLMT trong tổng năng lượng tiêu thụ của thế giới vẫn còn khiêm tốn là

do còn tổn tại một số hạn chế như:

- Giá thành thiết bị còn cao

- Hiệu suất thiết bị còn thấp

- Việc triển khai ứng dụng thực tế còn hạn chế

Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lướiđiện thông minh Khi có ánh sáng mặt trời sẽ tạo ra năng lượng một chiều (DC),Nguồn năng lượng một chiều này được chuyển đổi thành điện năng xoay chiều

(AC) bởi bộ nghịch lưu Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đếnphụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình Đồng thời, điệnnăng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiềnđiện

Dòng điện sinh ra từ hệ thống pin mặt trời được sử dụng cho các thiết bị điện

trong nhà để thay cho điện lưới Nếu công suất điện sinh ra lớn hơn công suất điệntiêu thụ thì lượng điện thừa sẽ được nạp vào hệ thống tồn trữ (ắc quy) Ngược lại,khi lượng điện tiêu thụ lớn hơn lượng điện mặt trời sinh ra (vào ban đêm, hay lúctrời nhiều mây…) thì dòng điện sẽ được lấy thêm từ lưới điện như bình thường,hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt)

1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG 1

Năng lượng mặt trời là một dạng năng lượng tái tạo vô tận với trữ lượng lớn

Đó là một trong các nguồn năng lượng tái tạo quan trọng nhất mà thiên nhiên bantặng cho hành tinh chúng ta Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn nănglượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòngsông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận Tuy nhiên, để khai thác, sử dụngnguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặcbiệt khi tới bề mặt quả đất

Chương 1 đã giới thiệu được các vấn đề:

- Cấu trúc của mặt trời và đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời

- Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay

Xuất phát từ những vấn đề lý thuyết đã nêu,chương 2, chương 3 giới thiệu mộttrong những ứng dụng quan trọng của nguồn năng lượng này, đó là thiết kế mạchđộng lực và mạch điều khiển cho hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

2.1 Sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời

Một hệ thống năng lượng pin mặt trời được định nghĩa là một tổ hợp của các thànhphần sau đây:

- Dàn pin hay máy phát pin mặt trời

- Bộ tích trữ điện năng

- Các thiết bị điều khiển, biến đổi điện, tạo cân bằng năng lượng trong hệ thống

- Các tải (thiết bị) tiêu thụ điện

Hình 2.1 Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT

2.1.1 Bộ đóng cắt mềm

- Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được kết nối hoặc không

- Cấu tạo: mỗi pha gồm 2 Thyristor mắc song song ngược

2.1.2 Bộ nghịch lưu

Bộ Biến đổi điện (Inverter) có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từdàn pin mặt trời hoặc từ Bộ ác qui thành dòng điện xoay chiều (AC)

Ăc quy

2.1.3 Bộ Boost converter

Nhiệm vụ: Tăng trị số điện áp một chiều phù hợp với điện áp một chiều đặt vào

bộ nghịch lưu của hệ thống năng lượng mặt trời, đồng thời thông qua bộ Boostconverter này để thực hiện điều khiển bám công suất cực đại cho hệ thống

2.1.4 Thiết bị điều khiển

Là bộ điều khiển trung tâm của cả hệ thống thực hiện chức năng điều phối côngsuất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản khánglên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điềukhiển máy phát bám lưới khi có lỗi lưới

2.1.5 Pin mặt trời

Pin năng lượng mặt trời (hay pin quang điện, tế bào quang điện), là thiết bị bándẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khảnăng tạo ra dòng điện sử dụng được Sự chuyển đổi này gọi là hiệu ứng quang điện

2.2 Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời nối lưới.

2.2.1 Các điều kiện hòa đồng bộ.

2.2.1.1 Điều kiện về tần số

2.2.1.2 Điều kiện về điện áp

2.2.1.3 Điều kiện về pha

2.2.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới

Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt phải có lắp đặt rơ lehòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai Rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phépkhá rộng: góc pha có thể sai từ 5 đến 10%, điện áp cho phép sai từ 5 đến 10%

Để hòa nguồn điện từ pin mặt trời vào lưới cũng không đơn giản, do điện áp vàtần số khó thỏa mãn điều kiện hoà Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp, mà hòa điệnthông qua bộ nghịch lưu Các bộ nghich lưu ngày nay có thể biến điện áp 1 chiều từpin mặt trời thành nguồn có tần số và điện áp bất kỳ

2.3 Thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời.

2.3.1 Sơ đồ khối mạch động lực

Hình 2.2 Sơ đồ khối mạch động lực

Bộ chuyển đổi 2 trạng thái sử dụng một bộ chuyển đổi DC-DC (1chiều - 1chiều) để thích nghi với mức điện áp và điện trở từ tấm pin mặt trời và một bộ biếnđổi DC-AC (1chiều - xoay chiều) hình sin để thực hiện kết nối lưới ở 230V và50Hz Điện áp +5V được cung cấp cho bộ chuyển đổi DC-DC và bộ chuyển đổiDC-AC

2.3.2 Các thông số kỹ thuật

Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống điện mặt trời được sử dụng để chế tạo các khối

có trong bảng 2.1 Tất cả các thông số được giả định bằng với giá trị danh định củachúng

Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống

Chuyển đổi

PV

Bộ chuyển đổi 2 trạng thái có tác dụng kết nối lưới gồm có một bộ chuyển đổiDC-DC để cung cấp điện áp và một bộ chuyển đổi DC-AC để điều khiển dòng điệnđặt vào lưới.

Hình 2.3 Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC

Bộ chuyển đổi DC được mô tả trong hình 2.3 cùng với bộ chuyển đổi

DC-AC và bộ lọc LCL Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, bộ chuyển mạchgồm Tranzitor trường M1-M6, sáu đi ốt xoay tự do, hai đi ốt chỉnh lưu D1 và D2,một biến áp cao tần cùng với hệ số đảo cân bằng 1.2 và một tụ dẫn một chiều C2

2.3.4 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC

Dựa trên nhiệm vụ và nguyên lý của bộ chuyển đổi DC-DC, ta có thể thiết kế

bộ chuyển đổi này dựa vào các đặc điểm trong bảng 2.1

 Lựa chọn nguồn thiết bị

4 tranzitor trường (M1, M2, M3, M4) được chọn cho cầu đầu vào và 2 tranzitortrường (M5, M6) được chọn cho kích hoạt chỉnh lưu Những đặc điểm chính củacác Tranzitor trường này được chỉ ra trong bảng 2.2 và 2.3

Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường

Điện áp đánh thủng Điện trở Dòng điện định mức Điện dung

 Lựa chọn điốt chỉnh lưu:

Các thông số của điốt chỉnh lưu được chọn trong bảng sau:

Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu

Điện áp thuận Ngưỡng đánh thủng Dòng điện thuận Dòng điện ngược cực đại

Giá trị của tụ điện đầu vào:

Tụ điện đầu vào C1 được thiết kế để làm phẳng độ gợn sóng tần số cao tại đầu

vào của bảng PV Nếu dòng điện được tạo ra bởi môdul được giả sử là hằng số và

dòng điện được vẽ nên bởi bộ chuyển đổi được giả sử là xung liên tục thì giá trị tụ

điện đầu vào được tính như sau:

min 1

2 s array in

array

U U f

P C





Trong đó: Parray là công suất ra lớn nhất của tấm pin mặt trời, U array cho phép

đỉnh nối đỉnh điện áp gợn sóng ở đầu vào của bảng , fs là tần số chuyển mạch và

Uinmin là giá trị điều khiển nhỏ nhất đối với điện áp đầu vào Giả sử hiệu suất bộ

chuyển đổi là 90%, và 0.1% cho phép của gợn sóng điện áp đỉnh nối đỉnh, giá trị

của tụ điện đầu vào là:

200 2 , 0 35000 2

33 , 3333

array

U U f

P

3 tụ điện 330F , 450 V được nối song song tại đầu vào của bộ chuyển đổi để

hạn chế sự ảnh hưởng của gợn sóng tần số cao được tạo ra từ tấm pin mặt trời

 Giá trị tụ điện đầu ra:

Giá trị của tụ điện chính C2 được tính tương tự với độ gợn sóng là đường hình

sin có tần số bằng hai lần tần số lưới

bus bus grid

450 9 50 2 2

3000 2

Trong đó: điện áp đỉnh nối đỉnh là 9V phù hợp với điện áp gợn sóng 1% của

điện áp chính là không đáng kể và tần số lưới là 50 Hz

2.3.5 Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC

Bộ chuyển đổi DC-AC (1chiều - xoay chiều) là mạch 1 pha với tranzitor M5, M6kết hợp với các Tranzitor trường (Z1, Z2, Z3, Z4) loại IGBT được miêu tả nhưtrong hình vẽ

Các thiết bị bán dẫn được lựa chọn cho bộ chuyển đổi DC-AC là 600V, 35Acùng với các điốt được sử dụng để làm giảm sự ảnh hưởng của quá dòng và quá ápkhi khởi động Lựa chọn các thiết bị bán dẫn còn phải đảm bảo yêu cầu giá cả vàhiệu suất

Thiết bị nguồn hạ áp gồm Z2 và Z4 là tranzitor chuyển mạch tại tần số 50 Hztheo phân cực lưới, trong khi đó, thiết bị cao áp là tranzitor chuyển mạch tại tần sốcao cùng với sự điều chế độ rộng xung

Ta sử dụng tranzitor trường Z1 và Z3 đối với phần cao áp và M5, M6 đấu nốisong song với điốt đối với phần hạ áp

Với cách thực hiện này, hiệu suất tăng khoảng 0.5% đến 1%

2.4 Kết luận chương 2

Chương 2 đưa ra sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời, lý thuyết về hòa đồng bộ

hệ thống điện mặt trời nối lưới, thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời nốilưới bao gồm :

- Sơ đồ khối mạch động lực;

- Các thông số kỹ thuật của mạch động lực;

- Thiết kế các bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC.

CHƯƠNG 3

MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI

3.1 Mở đầu

Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới rất phức tạp, bao gồm nhiều mạchđiều khiển khác nhau Trong luận văn này đi sâu thiết kế bộ điều khiển biến tần đểkết nối với lưới điện

Công suất tác dụng và công suất phản kháng chảy từ biến tần vào lưới được thể hiệnqua phương trình

3.2 Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần

Trong luận văn này đề xuất sử dụng cả mạch tương tự và mạch số Mạch tương tự được sử dụng để tạo ra tín hiệu cần thiết để đóng mở các Tranzitor trường IGBT trong mạch động lực, còn mạch số là hệ vi điều khiển có vai trò như bộ não kiểm soát hoạt động của mạch Mạch số sẽ điều khiển để tạo ra tín hiệu theo thứ tự yêu cầu

Luận văn này tôi sử dụng kết hợp giữa điều chế độ rộng xung hình sin và xung vuông Với loại chuyển mạch kết hợp, tổn thất thông qua chuyển mạch của biến tần

sẽ giảm đáng kể giảm được tần số chuyển mạch

G2 2

G3 3

G4 4

IGBT3

IGBT2 IGBT4

B t

L B

Z

U U Z

U Q

Z

U U P





