thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  DƢƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA Thái Nguyên, 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐH KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP  DƢƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT CHUYÊN NGÀNH: TỰ ĐỘNG HÓA NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS. TS LẠI KHẮC LÃI Thái Nguyên, 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐẠI HỌC KTCN THÁI NGUYÊN Độc lập – Tự do – Hạnh phúc THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI: “THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI HÒA LƢỚI ĐIỆN QUỐC GIA” HỌC VIÊN: DƢƠNG QUỲNH NGA LỚP: K13TĐH GVHD: PGS. TS LẠI KHẮC LÃI BAN GIÁM HIỆU PHÒNG QLĐT SAU ĐẠI HỌC GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN PGS. TS LẠI KHẮC LÃI HỌC VIÊN DƢƠNG QUỲNH NGA THÁI NGUYÊN, 2012 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 1 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga MỤC LỤC Nội dung Trang Lời cam đoan 4 Lời cảm ơn 5 Danh mục các ký hiệu và chữ viết tắt 6 Danh mục các bảng 8 Danh mục các hình vẽ và đồ thị 9 Chƣơng 1: Tìm hiểu về năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp khai thác, sử dụng 12 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời 13 1.1.1. Cấu trúc của mặt trời 13 1.1.2. Năng lượng mặt trời 14 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời 15 17 1.1.4.1. Phổ bức xạ mặt trời 17 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) 20 1.1.4.3. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo thời gian 22 1.1.4.4. Cường độ bức xạ mặt trời biến đổi theo không gian 23 1.2. Các phƣơng pháp khai thác sử dụng năng lƣợng mặt trời 23 1.2.1. Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 24 25 25 26 1.2.1.4. Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 26 1.2.1.5 Th 27 28 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 2 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga 28 29 29 1.3. Kết luận chƣơng 1 32 Chƣơng 2: Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 33 2.1. Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập 33 2.2. Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời nối lƣới 35 2.2.1. Pin mặt trời 36 2.2.2. Bộ đóng cắt mềm 39 2.2.3. Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter 39 2.2.4. Bộ nghịch lưu DC/AC 43 2.2.5. Bộ lọc phía lưới: 45 2.2.6. Thiết bị điều khiển 45 2.3. Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lƣới 48 . 48 48 49 49 2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 49 2.4. Kết luận chƣơng 2 50 Chƣơng 3 : Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lƣợng mặt trời nối lƣới 51 3.1. Vài nét về bộ nghịch lƣu áp ba pha nối lƣới 51 3.1.1. Định nghĩa 51 3.1.2. Phân loại 52 3.2. Phƣơng pháp điều chế véc tơ không gian SVM 54 3.2.1. Thành lập véc tơ không gian 55 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 3 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga 3.2.2. Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không gian 56 3.2.3. Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn 57 3.3. Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 63 3.3.1. Mô tả Dàn Pin Mặt trời 63 3.3.2. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 66 3.3.3. Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC (Voltage Source Inverter - VSI) 74 Mạch vòng khóa pha PLL (Phase-locked loop) 78 3.4. Kết luận chƣơng 3 82 3.5. Kết luận và kiến nghị 82 Tài liệu tham khảo 84 Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 4 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga LỜI CAM ĐOAN Tên tôi là Dương Quỳnh Nga Sinh ngày 20 tháng 11 năm 1985 Học viên lớp cao học khóa 13 - Tự động hóa - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Hiện đang công tác tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia” do thầy giáo PGS.TS Lại Khắc Lãi hướng dẫn là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Tất cả các tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng. Các số liệu, kết quả trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Nếu sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm. Thái Nguyên, Ngày tháng 12 năm 2012 Tác giả luận văn Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 5 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga LỜI CẢM ƠN Sau một thời gian nghiên cứu, được sự động viên, giúp đỡ và hướng dẫn tận tình của thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Lại Khắc Lãi, luận văn với đề tài “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia” đã hoàn thành. Tác giả xin bày tỏ lòng cảm ơn sâu sắc đến: Thầy giáo hướng dẫn PSG. TS Lại Khắc Lãi đã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tác giả hoàn thành luận văn này. Phòng quản lý đào tạo sau đại học, các thầy giáo, cô giáo Khoa Điện trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên đặc biệt là thầy giáo TS.Đặng Danh Hoằng đã giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập cũng như trong quá trình nghiên cứu đề tài. Toàn thể các đồng nghiệp, bạn bè, gia đình và người thân đã quan tâm, động viên, giúp đỡ tác giả trong suốt quá trình học tập và hoàn thành luận văn. Tác giả luận văn Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 6 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Các ký hiệu: I Φ : dòng quang điện (A/m 2 ); I D : dòng qua điot (A/m 2 ); I S : dòng bão hoà (A/m 2 ); n: được gọi là thừa số lý tưởng phụ thuộc vào các mức độ hoàn thiện công nghệ chế tạo pin mặt trời. Gần đúng có thể lấy n = 1; R S : điện trở nối tiếp (điện trở trong) của pin mặt trời ( /m 2 ); R sh : điện trở sơn (điện trở dò) ( /m 2 ) q: điện tích của điện tử (C). U DC : Điện áp một chiều Q: hàm đo chất lượng của mạch U PV , I PV : là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời U L , I L : là dòng điện ba pha của Lưới điện. C DC : điện dung của bộ DC link i su , i sv , i sw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha u, v, w là ba cuộn dây pha của lưới s s i là véc tơ dòng i s quan sát trên hệ tọa độ αβ f s i là véc tơ dòng i s quan sát trên hệ tọa độ dq i sα và i sβ là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ αβ θ là góc lệch pha của hệ tọa độ cùng gốc dq so với hệ αβ i sd và i sq là các thành phần dòng thuộc hệ trục tọa độ dq T s là chu kỳ cắt mẫu t p , t t là thời gian điều chế SVM : Phương pháp điều chế vectơ không gian PWM: Phương pháp điều chế độ rộng xung Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 7 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga U oc là điện áp hở mạch của Pin mặt trời I sc (short circuit current) dòng điện mạch ngắn trong Pin mặt trời DC – DC: Bộ biến đổi một chiều - một chiều (Bộ tăng thế hay bộ Boost Converter) DC – AC: Bộ biến đổi một chiều – xoay chiều (Bộ nghịch lưu) Chữ viết tắt: NLMT Năng lượng mặt trời PMT Pin mặt trời BĐK Bộ điều khiển BBĐ Bộ biến đổi MPPT Maximum Power Point Tracking NL Nghịch lưu PWM Pulse - Width – Modulation INC Incremental Conductance VSI Voltage Source Inverter L Lưới điện [...]... CHƢƠNG 2 HỆ THỐNG ĐIỆN NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Trong thực tế, hệ thống điện năng lượng mặt trời có hai loại phổ biến là hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 2.1 Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập Hệ thống điện mặt trời độc lập là hệ nguồn không nối với mạng lưới điện quốc gia hay địa phương Hệ nguồn này được ứng dụng ở các khu vực không có lưới điện. .. đặc điểm của nguồn năng lượng mặt trời - Các phương pháp khai thác, sử dụng năng lượng mặt trời hiện nay Trong đó tác giả cũng nhấn mạnh vấn đề sử dụng hiệu quả nguồn năng lượng mặt trời và hệ thống điện mặt trời hòa lưới là một phương thức sử dụng năng lượng mặt trời rất kinh tế Đây là lĩnh vực đang có xu hướng nghiên cứu để đưa vào sử dụng rộng rãi và cũng là vấn đề mà luận văn nghiên cứu GVHD: PGS.TS... 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…)... thế những dạng năng lượng cũ đang ngày càng cạn kiệt Gần đây số lượng các hệ thống phát năng lượng mặt trời tăng nhanh dẫn tới hình thành sự cung cấp điện dịch vụ mới và đạt tiêu chuẩn ứng với nguồn năng lượng sạch Đặc biệt, việc chuyển điện năng từ nguồn năng lượng mặt trời vào nguồn điện lưới sẽ làm giảm chỉ số tiêu thụ điện từ lưới cho mỗi đơn vị sử dụng Công nghệ này cho ta khả năng khai thác hiệu... 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. .. 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... mạng lưới điện quốc gia GVHD: PGS.TS Lại Khắc Lãi - 12 - HV: Dƣơng Quỳnh Nga Luận văn thạc sĩ kỹ thuật Chuyên ngành Tự động hóa 1.1 Nguồn năng lƣợng mặt trời 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. .. bức xạ mặt trời 10 Hình 1.3 Định nghĩa các vĩ tuyến (a) và kinh tuyến (b) 13 Hình1.4 Phổ bức xạ mặt trời bên trong và ngoài bầu khí quyển 14 Hình 1.5 Định nghĩa và cách xác định airmas 17 Hình 1.6 Pin mặt trời 20 Hình 1.7 Nhà máy sử dụng Năng lượng mặt trời 21 Hình1.8 Lò sấy sử dụng hệ thống NLMT 21 Hình 1.9 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 22 Hình 1.10 22 Hình 1.11 23 Hình 1.12 Thái dương năng 23... đối với bầu trời không có mây mù 1.2 CÁC PHƢƠNG PHÁP KHAI THÁC, SỬ DỤNG NĂNG LƢỢNG MẶT TRỜI Việt Nam là một quốc gia đang phát triển, do đó nhu cầu năng lượng ngày càng tăng với tốc độ tăng trưởng khoảng (15-20)% Hiện tại chính sách quốc gia của Việt Nam về nhu cầu năng lượng dựa vào việc thiết lập hệ thống các nhà thủy điện, nhà máy nhiệt điện tua bin hơi và tua bin khí, một số nhà máy điện nguyên... hạt nhân Proton.Proton Khối lượng của mặt trời xấp xỉ 2.1027 tấn Như vậy để mặt trời chuyến hoá hết khối lượng của nó thành năng lượng cần một khoảng thời gian là 15.1013 năm Từ đó có thể thấy rằng nguồn năng lượng mặt trời là khổng lồ và lâu dài 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 động điện từ trường trong không gian Trong quá trình truyền . Chƣơng 2: Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời 33 2.1. Hệ thống điện năng lƣợng mặt trời độc lập 33 2.2. Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời nối lƣới 35 2.2.1. Pin mặt trời 36. tại Khoa Điện - Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Tôi xin cam đoan: Bản luận văn: Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lƣợng mặt trời hòa lƣới điện quốc gia do thầy. về năng lƣợng mặt trời và các phƣơng pháp khai thác, sử dụng 12 1.1. Nguồn năng lƣợng mặt trời 13 1.1.1. Cấu trúc của mặt trời 13 1.1.2. Năng lượng mặt trời 14 1.1.3. Phổ bức xạ mặt trời