xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt trời

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o PHẠM THỊ HỒNG ANH XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT THÁI NGUYÊN 2011 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP o0o PHẠM THỊ HỒNG ANH XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Chuyên ngành: TỰ ĐỘNG HÓA Mã số: 605260 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS LẠI KHẮC LÃI THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LUẬN VĂN THẠC SĨ Họ và tên học viên: Phạm Thị Hồng Anh Ngày tháng năm sinh: Ngày 20 tháng 10 năm 1986 Nơi sinh: Thành phố Thái Nguyên – Tỉnh Thái Nguyên Nơi công tác: Trường ĐH Công nghệ thông tin và truyền thông Cơ sở đào tạo: Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Chuyên ngành: Tự động hóa Khoá học: 2009 - 2011 TÊN ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG BỘ ĐIỀU KHIỂN NỐI LƯỚI NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Người hướng dẫn khoa học: PGS - TS Lại Khắc Lãi Trường ĐH Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự do - Hạnh phúc GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS - TS Lại Khắc Lãi HỌC VIÊN Phạm Thị Hồng Anh DUYỆT BAN GIÁM HIỆU KHOA SAU ĐẠI HỌC Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan những vấn đề được trình bày trong bản luận văn này là những nghiên cứu của riêng cá nhân tôi, có tham khảo một số tài liệu và bài báo của các tác giả trong và ngoài nước đã được xuất bản. Tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm nếu có sử dụng lại kết quả của người khác. Tác giả Phạm Thị Hồng Anh Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 1 - Mục lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn MỤC LỤC Trang phụ bìa Trang Lời cam đoan Mục lục 1 Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt 3 Danh mục các bảng 4 Danh mục các hình vẽ 5 Mở đầu 7 Chương 1. Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng 11 1.1. Nguồn năng lượng mặt trời 11 1.1.1. Cấu trúc mặt trời 11 1.1.2. Năng lượng mặt trời 12 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời 13 1.1.4. Đặc điểm bức xạ mặt trời trên bề mặt quả đất 15 1.2. Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời 21 1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 22 1.2.2. Hướng nghiên cứu về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 26 1.3. Kết luận chương 1 29 Chương 2. Thiết kế mạch động lực hệ thống mặt trời nối lưới 30 2.1. Sơ đồ hệ thống năng lượng pin mặt trời 46 30 2.1.1. Bộ đóng cắt mềm 30 2.1.2. Bộ nghịch lưu 31 2.1.3. Bộ Boost converter 31 2.1.4.Thiết bị điều khiển 32 2.1.5. Pin mặt trời 33 2.2. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới 52 34 2.2.1. Các điều kiện hòa đồng bộ 52 34 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 2 - Mục lục Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn 2.2.2. Đồng vị pha trong hai hệ thống nối lưới 52 36 2.3. Thiết kế mạch động lực hệ thống điện mặt trời 57 36 2.3.1. Sơ đồ khối mạch động lực 36 2.3.2. Các thông số kỹ thuật 37 2.3.3. Bộ chuyển đổi DC-DC 37 2.3.4. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-DC 45 2.3.5. Thiết kế bộ chuyển đổi DC-AC 50 2.3.6. Mô tả sơ đồ 53 2.4. Kết luận chương 2 56 Chương 3. Mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 57 3.1. Mở đầu 57 3.2. Mạch tạo tín hiệu điều khiển các van của biến tần 59 3.3. Mạch điều khiển công suất 84 63 3.4. Trình độ hoạt động của hệ thống 64 3.5. Kết quả mô phỏng ………………………………………………… 65 3.6. Ảnh hưởng của sóng điều chế đến điện áp ra và sóng hài ……… 67 3.7. Kết luận chương 3 ………………………………………………… 69 Kết luận chung về luận văn ………………………………………………. 70 Tài liệu tham khảo…………………………………………………………. 72 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 3 - Danh mục bảng, hình vẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC CHỮ CÁI VIẾT TẮT NLMT: Năng lượng mặt trời DC: Điện áp một chiều AC: Điện áp xoay chiều BĐK: Bộ điều khiển DCM: Chế độ dòng gián đoạn CCM: Chế độ dòng liên tục PV: Pin mặt trời HF: Bộ chuyển đổi tần số cao PWM: Điều chế độ rộng xung PWMS: Điều chế độ rộng xung hình sin USPWM: Điều chế độ rộng xung hình sin đơn cực PR: Cộng hưởng tỉ lệ PLL: Khung đồng bộ tham chiếu BTL: Bếp tiện lợi VN: Việt Nam Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 4 - Danh mục bảng, hình vẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 1.1: Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng Bảng 1.2: Màu sắc và bước sóng của ánh sáng mặt trời Bảng 2.1: Đặc điểm kỹ thuật của hệ thống Bảng 2.2: Các thông số của Tranzitor trường Bảng 2.3: Các thông số của điốt chỉnh lưu Bảng 2.4: Đặc điểm bộ chuyển đổi HF Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 5 - Danh mục bảng, hình vẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ Hình 1.1: Cấu trúc mặt trời Hình 1.2: Thang sóng điện từ của bức xạ mặt trời. Hình 1.3: Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) Hình1.4 : Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển Hình 1.5: Định nghiã và cách xác định airmas Hình 1.6: Pin mặt trời Hình 1.7: Nhà máy sử dụng NLMT Hình 1.8: Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT Hình 1.9: Bếp nấu dùng NLMT Hình 1.10: Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT Hình 1.11: Động cơ stirling chạy bằng NLMT Hình 1.12: Thái dương năng Hình 2.1: Sơ đồ điều khiển hệ thống nối lưới NLMT Hình 2.2: Sơ đồ khối mạch động lực Hình 2.3: Bộ chuyển đổi DC-DC và DC-AC Hình 2.4: Điều chế đảo pha Hình 2.5: Mạch cân bằng bộ chuyển đổi DC-DC Hình 2.6: Dòng điện chạy trong chế độ 1 Hình 2.7: Dòng điện chạy trong chế độ 2 Hình 2.8: Dòng điện chạy trong chế độ 3 Hình 2.9: Dạng sóng điều khiển bộ chuyển đổi DC-DC Hình 2.10: Hàm chuyển đổi công suất đối với các điện áp vào khác nhau Hình 2.11: Sự thay đổi của tham số “d” cùng với điện áp vào với n =1.2 Hình 2.12: Hệ thống chuyển đổi cùng với bộ chuyển đổi DC-AC Luận văn thạc sĩ kỹ thuật - 6 - Danh mục bảng, hình vẽ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Hình 2.13: Sơ đồ của bộ nguồn Hình 3.1: Mạch động lực biến tần Hình 3.2: Sơ đồ nguyên lý khối tạo xung điều khiển Hình 3.3: Sóng sin tham chiếu đã chỉnh lưu Hình 3.4: Sóng tam giác tần số cao Hình 3.5: Sóng vuông Hình 3.6: Sóng điều chế và sóng vuông Hình 3.7: Lưu đồ thuật toán lập trình cho vi điều khiển Hình 3.8: Công suất tác dụng phát vào lưới theo góc lệch pha  Hình 3.9: Sơ đồ mô phỏng khối tạo xung điều khiển Hình 3.10: Điện áp đầu ra của biến tần chưa qua lọc Hình 3.11: Điện áp ra của biến tần đã qua lọc Hình 3.12: Sóng điều chế độ rộng xung hình sin ứng với M A khác nhau [...]... các nguồn năng lượng tái tạo lên lưới điện 4 Đối tượng nghiên cứu Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn Thạc sĩ kỹ thuật Mở đầu -9- - Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới - Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hòa lưới điện nguồn năng lượng mặt trời: Tổng hợp dòng, áp Đo công suất (P, Q) của lưới, tải nhằm sử dụng và phát năng lượng. .. MATLAB – SIMULINK – PLECS 6 Tên đề tài “ Xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt trời ” 7 Bố cục luận văn Luận văn thực hiện theo bố cục nội dung như sau: 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 Kết luận Sau một thời gian nghiên cứu, đến nay... CHƢƠNG 1 NĂNG LƢƠNG MĂT TRƠI V ̣ ̣ ̀ À CÁC PHƢƠNG PHÁP KHAI THÁC SƢ DUNG , ̉ ̣ 1.1 NGUÔN NĂNG LƢƠNG MĂT TRƠI ̀ ̣ ̣ ̀ Năng lượng mặt trời 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... 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 Bộ điều khiển (controller or regulator) là một thiết bị điện tử có chức năng kiểm soát tự động các quá trình nạp và phóng điện của bộ ác qui Bộ điều khiển (BĐK)... 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chương 2 - 30 - CHƢƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐỘNG LỰC HỆ THỐNG MẶT TRỜI NỐI LƢỚI 2.1 SƠ ĐỒ HỆ THỐNG NĂNG LƢỢNG PIN MẶT TRỜI Một hệ thống năng lượng pin mặt trời đươc định nghĩa là... - 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 Ta có sơ đồ điều khiển nối lưới năng lượng mặt trời như sau: Ăc quy 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... từ lưới điện như bình thường, hoặc từ hệ thống tồn trữ (nếu điện lưới bị cắt) 1.3 KẾT LUẬN CHƢƠNG 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. .. 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,… Đó là loại hình năng lượng có khả năng áp dụng hơn cả tại các khu vực đô thị và các vùng mà điện lưới không vươn đến được (vùng núi, vùng hải đảo hay các công trình ngoài khơi, …) Năng lượng mặt trời có thể nói là vô tận, để khai thác, sử dụng nguồn năng lượng này cần phải... lên lưới 5 Phương pháp nghiên cứu 5 1 Lý thuyết: - Tìm hiểu và đánh giá một vài phương pháp hoà lưới điện phổ biến hiện nay - Nghiên cứu lý thuyết và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 5 2 Mô phỏng: Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống có sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn năng lượng tái tạo trên phần mềm MATLAB – SIMULINK – PLECS 6 Tên đề tài “ Xây dựng. .. 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 . 1. Năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng 11 1.1. Nguồn năng lượng mặt trời 11 1.1.1. Cấu trúc mặt trời 11 1.1.2. Năng lượng mặt trời 12 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời. http://www.lrc-tnu.edu.vn - Nghiên cứu nguồn năng lượng mặt trời: Phương pháp sản xuất, sử dụng và hòa lưới. - Nghiên cứu xây dựng bộ điều khiển hòa lưới điện nguồn năng lượng mặt trời: Tổng hợp dòng, áp và xây dựng mô hình mạch động lực, mạch điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới. 5. 2. Mô phỏng: Xây dựng mô hình và mô phỏng hệ thống có sử dụng bộ điều khiển hoà lưới nguồn năng lượng