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.

1 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 THÁI NGUYÊN - 2011 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ tuật Công nghiệp Thái Nguyên. Cán bộ HDKH : PGS.TS Lại Khắc Lãi Phản biện 1 : TS. Trần Xuân Minh Phản biện 2 : PGS.TS Phạm Hữu Đức Dục Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học số 02, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái 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 và Thư viện trường Đại học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên. 2 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 ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt khi tới bề mặt quả đất. Để khai thác và sử dụng NLMT một cách hiệu quả cần có một hệ thống lưới điện 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 đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời, điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện. 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. Tôi xin trân trọng bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến thầy giáo PGS. TS Lại Khắc Lãi – người đã hướng dẫn tận tình và giúp đỡ tôi hoàn thành luận văn thạc sĩ này. Tôi xin chân thành cám ơn các thầy cô ở Khoa Điện – Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp đã đóng góp nhiều ý kiến và tạo điều kiện thuận lợi cho tôi hoàn thành luận văn. Tôi xin chân thành cám ơn Khoa sau Đại học, xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp đã tạo những điều kiện thuận lợi nhất về mọi mặt để tôi hoàn thành khóa học. 3 Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 10 tháng 12 năm 2011 Người thực hiện Phạm Thị Hồng Anh 4 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 nó phát ra 3,865.10 26 J, tương đương với năng lượng đốt cháy hết 1,32.10 16 tấn than đá tiêu chuẩn. Nhưng bề mặt quả đất chỉ nhận được một năng lượng rất nhỏ và bằng 17,57.10 16 J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.10 6 tấn than đá. 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời 5 Bức xạ mặt trời có bản chất là sóng điện từ, là quá trình truyền các dao động điện từ trường trong không gian. Trong quá trình truyền sóng, các vectơ cường độ điện trường và cường độ từ trường luôn luôn vuông góc với nhau và vuông góc với phương truyền của sóng điện từ. Quãng đường mà sóng điện từ truyền được sau một chu kỳ dao động điện từ được gọi là bước sóng λ. 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 phụ thuộc vào thời gian và địa điểm quan sát. Trong khi đó đối với bức xạ nhiễu xạ không 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 qua lớp khí quyển nên cường độ bức xạ khi tới mặt đất phụ thuộc vào độ dài đường đi của tia trong lớp khí quyển. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời. Độ dài này laị phụ thuộc vào độ cao của mặt trời .Ví dụ, khi mặt trời ở điểm Zenith ( ở đỉnh đầu) thì các tia bức xạ mặt trời khi xuyên qua lớp khí quyển bị tán xạ và hấp thụ là ít nhất, vì đường đi ngắn nhất. Còn ở các điểm “chân trời”, lúc mặt trời mọc hoặc 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 6 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 mô rộng thì mới chỉ thực sự vào cuối thế kỉ 18 và cũng chủ yếu ở những nước nhiều NLMT, 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 phát triển đã đi tiên phong trong việc nghiên cứu ứng dụng NLMT. Các ứng dụng NLMT 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 nước quan tâm. Mặc dù tiềm năng của NLMT rất lớn nhưng tỷ trọng năng lượng được sản 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 lưới điện 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 7 (AC) bởi bộ nghịch lưu. Bộ điều khiển có chức năng truyền năng lượng này đến phụ tải chính để cung cấp điện cho các thiết bị điện trong gia đình. Đồng thời, điện năng dư thừa được bán trở lại lưới điện qua đồng hồ đo để giảm thiểu hóa đơn tiền điện. 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 điện tiêu 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 lúc trời 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 ban tặng cho hành tinh chúng ta. Đồng thời nó cũng là nguồn gốc của các nguồn năng lượng tái tạo khác như năng lượng gió, năng lượng sinh khối, năng lượng các dòng sông,… Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận. Tuy nhiên, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải biết các đặc trưng và tính chất cơ bản của nó, đặc biệt 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 một trong những ứng dụng quan trọng của nguồn năng lượng này, đó là thiết kế mạch động lực và mạch điều khiển cho hệ thống nối lưới nguồn năng lượng mặt trời. 8 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 thành phần 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) từ dàn pin mặt trời hoặc từ Bộ ác qui thành dòng điện xoay chiều (AC). Ăc quy 9 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 Boost converter 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 công suất giữa hệ thống pin mặt trời với lưới nhằm điều khiển phát công suất phản kháng lên lưới và phát công suất tác dụng cực đại lên lưới, điều phối tải (tải cục bộ), điều khiển 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 bán dẫn chứa lượng lớn các diod p-n, duới sự hiện diện của ánh sáng mặt trời có khả năng 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 le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai. Rơ le có thể chỉnh định với khoảng cho phép khá 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 và tần số khó thỏa mãn điều kiện hoà. Do vậy, ta không nên hòa trực tiếp, mà hòa điện thông qua bộ nghịch lưu. Các bộ nghich lưu ngày nay có thể biến điện áp 1 chiều từ pin 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 10 [...]... thiệu nguồn năng lượng mặt trời: Cấu tạo, phương pháp sản xuất, sử dụng trong thực tế 2 Từ lý thuyết về hòa đồng bộ , luận văn đã xây dựng được sơ đồ mạch động lực của hệ thống điện mặt trời nối lưới, chức năng, nhiệm vụ của các phần tử và tính toán cụ thể trong sơ đồ 3 Thiết kế bộ điều khiển biến tần để kết nối với lưới điện và mô phỏng hệ thống sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn năng lượng mặt trời. .. kế các bộ chuyển đổi DC-DC, DC-AC CHƯƠNG 3 MẠCH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN MẶT TRỜI NỐI LƯỚI 15 3.1 Mở đầu Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới rất phức tạp, bao gồm nhiều mạch điều khiển khác nhau Trong luận văn này đi sâu thiết kế bộ điều khiển biến tần để kết nối với lưới điện Công suất tác dụng và công suất phản kháng chảy từ biến tần vào lưới được thể hiện qua phương trình P= Q= UB UL... to lớn trong việc khai thác và sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng sạch; Ứng dụng tại các nhà máy, xí nghiệp, khu dân cư sử dụng nguồn năng lượng mặt trời Nội dung đề tài nghiên cứu hệ thống nối lưới 1 pha – công suất vừa (3kW) cho các hộ gia đình nên có thể phát triển theo hướng xây dựng hệ thống nối lưới 3 pha, hệ thống nối lưới 1 pha kết hợp với năng lượng gió Sau cùng, mặc dù đã nỗ lực làm việc hết... sau khi qua bộ dịch pha sẽ tạo ra sự vượt trước để điều khiển năng lượng phát vào lưới Hình 3.8 Công suất tác dụng phát vào lưới theo góc lệch pha δ 3.4 Trình độ hoạt động của hệ thống Hoạt động của biến tần nối lưới được chia thành 2 giai đoạn, giai đoạn 1 là đồng bộ hóa, giai đoạn 2 là gửi năng lượng vào lưới Trong giai đoạn đồng bộ hóa, biến tần sẽ phát ra điện áp cùng pha với điện áp lưới Sau khi... M6 đấu nối song 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 nối lưới bao gồm : - Sơ đồ khối mạch động lực; - Các thông số kỹ thuật của mạch động lực; 14 - Thiết kế các bộ chuyển... 20% 50 Hz > 0.9 2.3.3 Bộ chuyển đổi DC-DC 11 Bộ chuyển đổi 2 trạng thái có tác dụng kết nối lưới gồm có một bộ chuyển đổi DC-DC để cung cấp điện áp và một bộ chuyển đổi DC-AC để điều khiển dòng điện đặt vào lưới Hình 2.3 Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC Bộ chuyển đổi DC-DC được mô tả trong hình 2.3 cùng với bộ chuyển đổi DCAC và bộ lọc LCL Bộ chuyển đổi bao gồm một tụ lọc đầu vào C1, bộ chuyển mạch gồm Tranzitor... cập đến việc thiết kế và mô phỏng mạch điều khiển nối lưới điện mặt trời, bao gồm: - Mạch lấy mẫu và chỉnh lưu; - Mạch điều chế độ rông xunh hình sin; - Vi điều khiển để kiểm soát trình tự hoạt động của hệ thống; - Mạch tạo tín hiệu điều khiển biến tần; - Điểu khiển công suất tác dụng và phản kháng; - Ảnh hưởng của sóng điều chế độ rộng xung hình sin đến chất lượng điện áp ra và sóng hài 24 KẾT LUẬN... cho vi điềuhiệu xung vuông trên hình 3.7 Phát tín hiệu tam giác tần số cao Kết thúc 19 Hình 3.7 Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển 3.3 Mạch điều khiển công suất Để chuyển năng lượng từ biến tần sang lưới cần thỏa mãn điều kiện góc điện áp của biến tần vượt trước góc điện áp lưới Để làm được điều này, ta sử dụng mạch dịch pha lắp sau bộ lấy mẫu sóng sin từ lưới điện, sóng lấy mẫu từ lưới điện... điện áp được nối với nhau sẽ chuyển sang giai đoạn điều khiển thứ 2 20 Trong giai đoạn này, bộ dịch pha trong mạch điều khiển sẽ dịch chuyển pha của điện áp biến tần để chúng vượt trước điện áp lưới một góc δ Với góc δ khác nhau, biến tần sẽ cho một năng lượng tác dụng và năng lượng phản kháng khác nhau Ngoài ra, Khi mất điện lưới , biến tần cần được cô lập với lưới để tránh có điện chạy vào lưới điện... thực hiện điều này ta sử dụng bộ ngắt điện được điều khiển bằng rơle giám sát Khi lưới mất điện, rơle sẽ tác động và chuyển tới bộ ngắt mạch 3.5 Kết quả mô phỏng Để kiểm tra hoạt động của hệ thống điện mặt trời nối lưới đã thiết kế ở trên, ta tiến hành mô phỏng hệ thống trên phần mềm Matlab Simulink và Plecs Như đã đề cập ở trên, phần này chỉ tập trung mô phỏng hoạt động của bộ nghịch lưu nối lưới Sơ . chảy từ biến tần vào lưới được thể hiện qua 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. phối hợp với nhau thông qua cổng "VÀ" tạo ra 4 tín hiệu điều khiển hoạt động của các van chuyển mạch. Bốn tín hiệu điều khiển được chia thành 2 nhóm: Nhóm 1 có 2 tín hiệu đồng thời