tóm tắt luận văn thạc sĩ kỹ thuật THIẾT kế điều KHIỂN hệ THỐNG điện sử DỤNG NĂNG LƯỢNG mặt TRỜI hòa lưới điện QUỐC GIA

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP -***** - DƯƠNG QUỲNH NGA THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG ĐIỆN SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI HÒA LƯỚI ĐIỆN QUỐC GIA LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT NGÀNH TỰ ĐỘNG HÓA TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SỸ Thái Nguyên, năm 2012 Luận văn được hoàn thành tại trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Cán bộ HDKH : PGS.TS Lại Khắc Lãi Chủ tịch : PGS.TS Bùi Quốc Khánh Phản biện 1 : PGS.TS Nguyễn Như Hiển Phản biện 2 : TS Nguyễn Quân Nhu Luận văn đã được bảo vệ trước hội đồng chấm luận văn, họp tại: Phòng cao học, trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên Vào 8 giờ 00 phút ngày 28 tháng 07 năm 2013 Có thể tìm hiểu 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 có những ưu điểm như: sạch, chi phí nhiên liệu và bảo dưỡng thấp, an toàn cho người sử dụng… Đồng thời, phát triển ngành công nghiệp sản xuất pin mặt trời sẽ góp phần thay thế các nguồn năng lượng hóa thạch, giảm phát khí thải nhà kính, bảo vệ môi trường Vì thế, đây được coi là nguồn năng lượng quý giá, có thể thay 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 quả tài nguyên đóng góp trực tiếp vào các nguồn cung cấp phân bố trên diện rộng dựa trên mạng lưới điện quốc gia Sau 2 năm được đào tạo thạc sỹ tạo trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp, tôi đã được giao đề tài luận văn tốt nghiệp là “Thiết kế điều khiển hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời hòa lưới điện quốc gia” Đề tài đã được hoàn thành, ngoài sự nỗ lực của bản thân còn có sự chỉ bảo, giúp đỡ động viên của các thầy cô giáo, gia đình, bạn bè và đồng nghiệp Tôi xin gửi lời cám ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Lại Khắc Lãi, người đã luôn quan tâm động viên, khích lệ và tận tình hướng dẫn tôi trong suốt quá trình thực hiện luận văn Chân thành cảm ơn thầy Do kiến thức còn hạn chế nên luận văn này không tránh khỏi những thiếu sót Kính mong nhận được các ý kiến chỉ bảo của các thầy cô giáo và của bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn Tôi xin chân thành cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 29 tháng 07 năm 2013 Học viên Dương Quỳnh Nga 3 TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN Nội dung chính của luận văn được cấu trúc gồm 3 chương: Chương I: Tìm hiểu về năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng 1.1 Nguồn năng lượng 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 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 trái đất 1.1.1 Cấu trúc của 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 16J hay tương đương năng lượng đốt cháy của 6.106 tấn than đá Năng lượng khổng lồ từ mặt trời được xác định là sản phẩm của các phản ứng nhiệt hạt nhân 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 Khi bức xạ mặt trời đi qua tầng khí quyển bao quanh quả đất, nó bị các phân tử khí, các hạt bụi, hấp thụ hoặc bị làm tán xạ, nên phổ và năng lượng mặt trời khi đến bề mặt quả đất bị thay đổi rất đáng kể Bảng 1.1 : Phân bố phổ bức xạ mặt trời theo bước sóng Quang phổ Mật độ năng lượng Bước sóng (W/m2) Tia vũ trụ < 1 nm 6,978.10.5 Tia X 0,1 nm 6,978.10.7 4 Tỷ lệ % Tia tử ngoại C 0,2 ÷ 0,28 µm Tia tử ngoại B Tia tử ngoại A 2,122.10 1,55 0,32 ÷ 0,40 µm 8,073.101 5,90 2,240.102 16,39 0,52 ÷ 0,62 µm 1,827.10 2 13,36 2,280.102 16,68 0,78 ÷ 1,40 µm 4,125.102 30,18 1,40 ÷ 3,00 µm 1,836.10 2 13,43 3,00 ÷ 100,00 µm 2,637.10 1 1,93 0,10 ÷ 10,0 cm 6,978.10.9 10,00 ÷100,0 cm 6,978.10.10 1,0 ÷ 20,0 m Sóng vô tuyến điện 0,28 ÷ 0,32 µm 0,62 ÷ 0,78 µm Tia hồng ngoại 0,57 1 0,40 ÷ 0,52 µm Tia nhìn thấy 7,864.106 6,978.10.9 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, 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) 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 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 tử… 1.2.1 Tổng quan về thiết bị sử dụng năng lượng mặt trời 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 năng lượng mặt trời 1.2.1.4 Bếp nấu dùng năng lượng mặt trời 5 1.2.1.5 Thiết bị chưng cất nước dùng NLMT 1.2.1.6 Động cơ stirling chạy bằng năng lượng mặt trời 1.2.1.7 Thiết bị đun nước nóng bằng năng lượng mặt trời 1.2.1.8 Thiết bị làm lạnh và điều hòa không khí dùng NLMT 1.2.2 Hướng nghiên cứu cho việc sử dụng Năng lượng mặt trời Năng lượng mặt trời (NLMT) – nguồn năng lượng sạch và tiềm tàng nhất đang được loài người thực sự đặc biệt quan tâm Do đó việc nghiên cứu nâng cao hiệu quả các thiết bị sử dụng NLMT và triển khai ứng dụng chúng vào thực tế là vấn đề có tính thời sự 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 ít Nguyên nhân chính chưa thể thương mại hóa các thiết bị và công nghệ sử dụng NLMT trong tổng năng lượng mặt trời là do còn tồn tại một số hạn chế lớn chưa được giải quyết: - 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 (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 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 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 Chương 2: Hệ thống điện năng lượng 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 lượng mặt trời độc lập 6 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 Ngoài dàn pin Mặt trời, trong một hệ nguồn điện mặt trời còn có các thành phần khác nhau trong sơ đồ: Dàn PMT Bộ điều khiển Tải DC K DC Ắc quy Tải AC AC Sơ đồ khối tổng quát của một hệ nguồn điện Mặt trời Đối với các ứng dụng quy mô lớn, như ở các nước phát triển hiện nay, người ta sử dụng công nghệ điện mặt trời nối lưới Trong công nghệ này, điện từ máy phát là dàn pin mặt trời được biến đổi thành dòng xoay chiều có hiệu điện thế và tần số phù hợp nhờ các bộ biến đổi điện (Inverter) và được hòa vào mạng lưới điện công nghiệp Khi sử dụng điện người ta lại lấy điện từ lưới Mạng lưới điện có vai trò như một “ngân hàng”, tích trữ điện năng lúc dàn pin mặt trời phát điện và cung cấp trở lại người tiêu dùng khi cần thiết Nhờ ngân hàng điện này mà việc sử dụng luôn ổn định và rất tiết kiệm điện 2.2 Lý thuyết hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới MBA M¸y c¾t phô t¶i Bé ®ãng c¾t mÒm l íi l íi Sơ đồ trình bày tổng quan về hệ thống điện Năng lượng T¶i PV nlp Bé ®ãng c¾t mÒm PS Mặt trời nối lưới ~ = Boost Converter ¾c quy controller Trong đó: c¸c tÝn hiÖu ph¶n håi dßng, ¸p, tèc ®é c¸c gi¸ trÞ ®Æt 2.2.1 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 Điot 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 Các pin năng lượng mặt trời có nhiều ứng dụng Chúng đặc biệt thích hợp cho các vùng mà điện năng trong mạng lưới chưa vươn tới, các vệ tinh quay xung quanh quỹ đạo trái đất, máy tính cầm tay, các máy điện thoại cầm tay từ xa, thiết bị bơm nước Pin năng lượng mặt trời (tạo thành các module hay các tấm năng lượng mặt trời ) xuất hiện trên nóc các tòa nhà nơi chúng có thể kết nối với bộ chuyển đổi của mạng lưới điện Rs ID Sơ đồ điện tương đương của Pin mặt trời: Iφ + - Ish Rsh I + V - 7 2.2.2 Bộ đóng cắt mềm Nhiệm vụ: Đóng cắt mạch điện để cho một thiết bị được kết nối hoặc không kết nối với lưới Chúng được tạo thành bởi các linh kiện bán dẫn công suất Thyristor mỗi pha gồm hai Thyristor mắc song song ngược, nên trong quá trình đóng cắt không phát sinh hồ quang Bộ đóng cắt mềm cho phép đóng cắt với thời gian ngắn; thông qua thuật toán điều khiển, cho phép điều khiển được công suất cấp cho tải và hướng truyền công suất 2.2.3 Bộ biến đổi DC/DC hay bộ Boost Converter Bộ biến đổi tăng áp (Boost converter) có tác dụng biến đổi điện áp một chiều ở đầu vào thành điện áp đầu ra cao hơn, thường được sử dụng ở mạch một chiều trung gian của các thiết bị biến đổi điện năng công suất vừa đặc biệt là các hệ thống phát điện sử dụng năng lượng tái tạo (sức gió, mặt trời ) Mạch Boost Converter có cấu tạo nguyên lý khá đơn giản + Cũng dùng một nguồn đóng cắt, dùng cuộn cảm và tụ điện Điện L UPV áp đầu ra phụ thuộc vào điều biến độ rộng xung và giá trị cuộn D + C M UDC - cảm L - Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển: IPV DC-DC Boost Converter + UPV PV cDC UDC Ud + MPPT IPV PI UPV PWM UPV Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển cho bộ Boost Converter 2.2.4 Bộ nghịch lưu DC/AC Bộ nghịch lưu có chức năng biến đổi dòng điện một chiều (DC) từ dàn pin mặt trời hoặc từ bộ Ắc qui thành dòng điện xoay chiều (AC) Hệ điều khiển nghịch lưu dùng để tạo ra các xung điều khiển đóng mở các van động lực theo những luật mong muốn Các luật điều khiển chủ yếu tập trung vào các vấn đề điều chỉnh điện áp, tần số và đảm bảo chất lượng áp của nghịch lưu Dưới đây là sơ đồ mạch lực của bộ nghịch lưu áp 3 pha: Chúng được cấu tạo từ các linh kiện + bán dẫn công suất, trong trường hợp này S1 chọn linh kiện bán dẫn là IGBT S1, S2, S3, C DC - S3 S5 S4 S6 S2 8 L R ua ub uc S4, S5, S6 do làm việc được tần số đóng cắt lớn và có đầy đủ ưu điểm của Tranzitor Bipolar và MOSFET S1 ÷ S6 sẽ đóng, mở theo một quy luật nhất định phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển Điện áp đầu ra có dạng sin và được viết như sau:  ua = U m sin(ωt + ψ )  2π  ub = U m sin(ωt + ψ − ) 3  2π  uc = U m sin(ωt + ψ + 3 )  (2.17) Trong đó: Um, ω, ψ là: Biên độ, tần số góc và góc pha đầu của điện áp ra bộ nghịch lưu sau khi đã qua bộ lọc phía lưới LR 2.2.5 Bộ lọc phía lưới: Rf Bộ lọc phía lưới có tác dụng lọc bớt các sóng hài bậc cao gây ra bởi bộ nghịch lưu Sơ đồ thay thế như hình vẽ: Lf if uf Eg Từ sơ đồ thay thế, viết phương trình theo luật Kirholf 2 ta có phương trình: Eg = i f R f + L f di f dt −uf (2.18) Trong đó: Eg: Điện áp lưới if: Dòng điện chạy qua bộ lọc (dòng điện đầu ra bộ nghịch lưu) uf: Điện áp đặt lên bộ lọc (điện áp ra từ bộ nghịch lưu) 2.2.6 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 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) theo dõi trạng thái của ác qui thông qua hiệu điện thế trên các điện cực của nó SƠ ĐỒ NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN TOÀN HỆ THỐNG: 9 IPV PV DC-DC Boost Converter UPV DC-AC Inverter cDC Rf Lf L¦íI §IÖN MPPT Controller IPV DC-AC Controller IG UPV UG Trong đó: - MPPT Controller : Bộ điều khiển công suất cực đại từ dàn Pin mặt trời Bộ này có tác dụng điều khiển cho năng lượng từ dàn pin mặt trời luôn MAX trong mọi điều kiện không ổn định về thời tiết, khí hậu, thời gian sáng tối, cường độ bức xạ… Tín hiệu đầu ra của bộ điều khiển MPPT trực tiếp điều khiển đóng mở van của bộ DC – DC - UPV, IPV là điện áp và dòng điện của dàn Pin mặt trời - UG, IG là dòng điện ba pha của Lưới điện - CDC là điện dung của bộ DC link Bộ này có nhiệm vụ ổn định điện áp từ đầu ra bộ DC-DC trước khi đưa vào bộ nghịch lưu DC-AC 2.3 Lý thuyết về hòa hệ thống điện mặt trời với lưới Hòa đồng bộ là một trong các điều kiện để nguồn điện (từ máy phát, pin mặt trời…) có thể hoạt động ở chế độ làm việc song song hoặc cùng nối chung vào một mạng lưới điện Các nguồn điện khi hoạt động ở chế độ làm việc song song với một nguồn khác, hoặc nhiều nguồn cùng nối chung vào một mạng lưới điện luôn đòi hỏi một số điều kiện Một trong các điều kiện đó là các nguồn điện phải hoạt động đồng bộ với nhau 2.3.1 Các điều kiện hòa đồng bộ - Điều kiện về tần số: Hai nguồn phải bằng tần số với nhau, hoặc tần số nguồn điệnphải bằng tần số lưới - Điều kiện về điện áp: Hai nguồn phải cùng điện áp với nhau, hoặc điện áp nguồn phải bằng điện áp lưới - Điều kiện về pha: Hai nguồn phải cùng thứ tự pha nếu số pha lớn hơn 1, và góc pha phải trùng nhau Ta thấy điều kiện 1 và điều kiện 3 có vẻ như mâu thuẫn với nhau vì nếu muốn cho góc pha của 2 phía trùng nhau thì phải điều chỉnh tần số, mà đã điều chỉnh tần số thì tần số không thể bằng nhau Còn nếu muốn giữ nguyên cho 2 tần số bằng nhau thì khó có thể điều chỉnh được góc pha Do đó, điều kiện thực tế là: 2.3.2 Đồng vị pha trong hai hệ thống lưới 10 Đối với các hệ thống phân đoạn, hệ thống lưới mạch vòng, thì đồng vị pha đã được xác định ngay khi thiết kế Tuy nhiên do những sai lệch về điện áp giáng trên đường dây, trên tổng trở ngắn mạch của máy biến áp, do phối hợp các tổng trở các máy biến áp trong mạch vòng không tốt và do sự phân bố tải trước khi đóng, nên góc pha giữa 2 đầu máy cắt có thể khác 0 Nhưng thường là ít thay đổi trong thời gian ngắn Trong trường hợp này, đóng máy cắt sẽ không gây ra ảnh hưởng gì lớn, ngoại trừ một vài điểm nào đó có khả năng quá tải Đối với một số vùng liên kết với hệ thống lưới bằng 1 đường duy nhất, hoặc nhiều đường nhưng do sự cố đã rã toàn bộ, thì khi đóng lại, góc pha sẽ không còn 0 nữa Khi đó, góc pha sẽ thay đổi liên tục, vì 2 tần số lúc ấy sẽ không còn bằng nhau Đóng máy cắt lúc đó phải đầy đủ các điều kiện về tần số như hòa đồng bộ máy phát điện Và thường rất khó, khó hơn hòa đồng bộ máy phát Vì muốn thay đổi tần số của một trong 2 hệ thì không thể tác động tại chỗ được, mà phải liên hệ từ xa Để bảo đảm đồng vị pha, trên mạch điều khiển các máy cắt ấy phải có lắp đặt rơ le hòa đồng bộ, hoặc rơ le chống hòa sai 2.4 Kết luận chương 2 Trong chương 2 tác giả đã giải quyết một số vấn đề xoay quanh hệ thống điện năng NLMT: - Nêu đặc điểm, sơ đồ nguyên lý, ưu nhược điểm của 2 hệ thống điện năng lượng mặt trời cơ bản là hệ thống điện năng lượng mặt trời độc lập và hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới - Nghiên cứu hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới: + Đưa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển của bộ biến đổi DC/DC và bộ nghịch lưu DC/AC + Đưa ra sơ đồ nguyên lý điều khiển toàn hệ thống - Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới Chương 3: Thiết kế điều khiển hệ thống điện năng lượng mặt trời nối lưới 3.1 Vài nét về bộ nghịch lưu áp ba pha nối lưới Bộ nghịch lưu áp ba pha có nhiệm vụ chuyển đổi năng lượng từ nguồn điện một chiều sang dạng năng lượng điện xoay chiều ba pha để cung cấp cho Tải Bộ nghịch lưu áp là một bộ nghịch lưu có nguồn một chiều cung cấp là nguồn áp và đối tượng điều khiển ở ngõ ra là điện áp Linh kiện trong bộ nghịch lưu áp có vai trò như một khóa dùng để đóng, ngắt dòng điện qua nó Để đóng cắt xung với tần số cao ta sẽ lựa chọn linh kiện bán dẫn cho bộ nghịch lưu là MOSFET, IGBT… Nghịch lưu áp nối lưới được thiết kế sao cho điện áp đầu ra của nghịch lưu áp nối lưới cần phải thỏa mãn một số điều kiện để chúng có thể hòa lưới và chuyển năng lượng vào lưới Phương pháp điều chế véc tơ không gian có nhiều ưu điểm hơn so với các phương pháp khác như giảm sóng hài, nâng cao chất lượng điện áp đầu ra nên trong phạm vi đề tài chọn phương pháp điều chế cho bộ nghịch lưu áp ba pha là phương pháp điều chế véc tơ không gian 3.2 Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM Phương pháp điều chế véc tơ không gian SVM đang ngày càng được sử dụng rộng rãi Đây là phương pháp biến điệu hoàn toàn sử dụng kỹ thuật số, có độ chính xác cao, dễ dàng thực hiện trên các bộ xử lý tín hiệu số DSP, ví dụ như dsPic 3.2.1 Thành lập véc tơ không gian 11 isu, isv, isw là ba dòng điện pha của lưới điện ba pha Lý tuởng coi Lưới điện ba pha đối xứng thì ba dòng điện này thỏa mãn phương trình: isu (t ) + isv (t ) + isw (t ) = 0 Trong đó từng dòng điện pha thỏa mãn các công thức sau: isu (t ) = is cosωs t   0 isv (t ) = is cos(ωs t + 120 )  0 isw (t ) = is cos(ωs t + 240 )  Nếu ta thiết lập một hệ tọa độ phức với trục thực đi qua trục cuộn dây pha u ta có thể xây dựng véc tơ không gian sau: i s (t ) = 0 0 2 isu (t ) + isv (t )e j120 + isw (t )e j 240  = i s e jγ  3 Đối với các đại lượng khác như điện áp ta đều có thể xây dựng các véc tơ không gian tương ứng như đối với dòng điện kể trên Ta đặt tên cho trục thực của mặt phẳng phức nói trên là trục α và trục ảo là trục β và hình chiếu của véc tơ dòng ở trên xuống hai trục đó là isα và isβ jβ isw v is isβ Ta có: isv isα = isu  1  isβ = 3 (isu + 2isv )  0 i s = isα + jisβ Do đó: isu= isα α u w Như vậy ta vừa thay thế hệ tọa độ ba pha (u, v, w) thành hệ tọa độ cố định hai pha (α, β) 3.2.2 Chuyển hệ tọa độ (α, β) sang hệ tọa độ (d, q) cho véc tơ không gian Ta hình dung thêm một hệ tọa độ thứ hai với các trục dq, có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc θ so với hệ αβ Gọi: i i jβ s s là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ αβ f s là véc tơ dòng is quan sát trên hệ tọa độ dq jq is isβ d ω* isq 12 isd 0 θ isα α Ta có: Và:  i s = isα + jisβ  s  f  i s = isd + jisq  i sf = i s.e − jθ ↔ i s = i sf e jθ s s 3.2.3 Trạng thái của van và các véc tơ biên chuẩn Dưới đây là hình vẽ của bộ nghịch lưu áp ba pha nối lưới Lưới điện Thông thường các đôi van được điều khiển do chùm xung kích do vi xử lý gửi đến sao cho điện áp xoay chiều ba pha với biên độ cho trước, tần số cũng như góc pha cho trước, được đặt lên ba pha của Lưới đúng theo yêu cầu Đầu vào của bộ nghịch lưu là điện áp một chiều Vdc Hoạt động của bộ nghịch lưu theo kiểu cắt xung với tần số cao Các van từ S1 đến S6 là các van chuyển mạch tạo điện áp ra Khi một van ở nhóm trên dẫn thì van cùng nhánh ở nhóm dưới phải khóa Như vậy sẽ có 2 3 = 8 khả năng kết hợp theo kiểu ON và OFF cho ba van ở nhóm trên (S1, S3, S5) Véc tơ điện áp dây [Vab Vbc Vca]t Vab  1 − 1 0 a  V  = V 0 1 − 1 b  dc   bc    Vca  − 1 0 1 c       Trong đó [a b c]t là véc tơ biến chuyển mạch Véc tơ điện áp pha [Van Vbn Vcn]t Van  2 − 1 − 1 a  V  = 1 V − 1 2 − 1 b   bn  3 dc    Vcn   − 1 − 1 2  c       Tám véc tơ điện áp tương ứng với 8 khả năng của bộ nghịch lưu từ V 0 đến V7 được thể hiện như sau: 13 Các khả năng xảy ra khi đóng mở các van của bộ nghịch lưu Các điện áp pha và điện áp dây đầu ra được thể hiện như bảng dưới: Véctơ điện Véctơ chuyển mạch Điện áp pha Điện áp dây áp a b c Van Vbn Vcn Vab Vbc Vca V0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 V1 1 0 0 2/3 -1/3 -1/3 1 0 -1 V2 1 1 0 1/3 1/3 -2/3 0 1 -1 V3 0 1 0 -1/3 2/3 -1/3 -1 1 0 V4 0 1 1 -2/3 1/3 1/3 -1 0 1 V5 0 0 1 -1/3 -1/3 2/3 0 -1 1 V6 1 0 1 1/3 -2/3 1/3 1 -1 0 V7 1 1 1 0 0 0 0 0 0 (Điện áp ra nhân tương ứng với Vdc) Xét khi véc tơ không gian u nằm trong góc phần sáu số I Theo quy tắc hình bình hành, ta có thể tổng hợp u từ hai véc tơ biên u1, u2: u = up + ut Trong đó up, ut là hai véc tơ phải và trái, nằm lần lượt dọc theo hai véc tơ biên chuẩn u1 và u2 Độ dài véc tơ phải, trái được tính như sau: 14 2 up = u sin( π −θ) 3 3 2 ut = u sin θ 3 θ là góc chỉ vị trí tương đối của véc tơ u trong góc phần sáu Bản chất của phép điều chế véc tơ không gian là tạo ra các véc tơ up, ut trong mỗi chu kỳ tính toán, hay còn gọi là mỗi chu kỳ cắt mẫu T s Độ dài các véc tơ này được xác định bởi giá trị trung bình theo thời gian tồn tại của các véc tơ u 1, u2 trong mỗi chu kỳ Ts: up = tp up ; Ts ut = tt ut Ts Ta có công thức tính toán giá trị thời gian điều chế: t p = Ts Đặt q = ta có: 0 ≤ q ≤ U0 2 π sin( − θ ); Ui 3 3 t t = Ts U0 2 sin θ Ui 3 U0 là hệ số biến điệu Do u chỉ quay giới hạn trong đường tròn nội tiếp lục giác đều nên Ui 1 Khi đó biểu thức trở thành: 3 t p = Ts q 2 π sin( − θ ); 3 3 t t = Ts q 2 sin θ 3 Trong khoảng thời gian còn lại của chu kỳ cắt mẫu, T 0/7 = Ts – tp – tt ta phải đặt véc tơ không u0 hay u7 ứng với trạng thái điện áp ra bằng 0 Mặt khác, để điện áp ra ít bị méo thì T0/7 được chia làm đôi và đặt vào đầu và cuối của Ts Ta có thể tóm tắt thuật toán điều chế véc tơ không gian gồm các bước sau: - Lượng đặt là điện áp mong muốn đạt được (điện áp lưới) - Xác định véc tơ u đang thuộc góc phần sáu nào - Lựa chọn hai véc tơ biên chuẩn ứng với góc phần sáu đó và véc tơ không theo bảng sau để đảm bảo số lần chuyển mạch xảy ra giữa các van là ít nhất: Góc phần sáu Véc tơ I ut III u3 IV u4 V u5 VI u6 u3 up II u2 u4 u5 u6 u1 u1 u2 15 u0 u0/7 u7 u0 u7 u0 u7 Bảng lựa chọn véc tơ biên chuẩn và véc tơ không - Tính toán các thời gian sử dụng các véc tơ biên Ngày nay nhờ sử dụng các bộ vi xử lý, vi điều khiển nên phương pháp điều chế SVM có thể áp đặt chính xác các véc tơ biên phải, trái từ đó tính được tp, tt trong mỗi chu kỳ cắt mẫu Ts 3.3 Thiết kế bộ điều khiển cho hệ thống 3.3.1 Mô tả Dàn Pin Mặt trời Ta có sơ đồ mô phỏng trên phần mềm Matlab như sau: Chọn dàn Pin Mặt trời: - Loại Modul: SunPower SPR – 305 – WHT - Số lượng: 330 modul - Dàn Pin Mặt trời gồm 66 dãy pin đặt song song với nhau, mỗi dãy Pin đặt 5 modul nối tiếp nhau Công suất dàn pin là: 66.5.305,2 = 100,7 kW Thông số: - Điện áp hở mạch: Uoc = 64,2 V ; Dòng điện đoản mạch Isc = 5,96 A - Dòng và áp tại điểm công suất dàn pin cực đại là: Ump = 54,7 V; Imp = 5,58 A 16 Đặc tính dòng áp của dàn Pin Từ đặc tính trên ta xác định được điểm công suất cực đại của dàn Pin mặt trời là tại UPV = 273,5 V Mô phỏng trên phần mềm Matlab ta có: 3.3.2 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ Boost Converter Bộ điều khiển cho bộ Boost Converter lấy tín hiệu vào là điện áp từ dàn Pin Mặt trời U PV, xuất tín hiệu ra UDC để đưa tới đầu vào bộ nghịch lưu DC/AC Bộ Boost Converter thực hiện nhiệm vụ chuyển đổi điện áp một chiều từ 273,5V lên 500V Trong quá trình chuyển đổi điện áp này có sự can thiệp của bộ điều khiển lấy điểm công suất dàn Pin cực đại MPPT T in hieu dong bo V_PV V_PV I_PV I_PV Pulses Enable Enable MPPT Boost Converter Dieu khien DC-DC (MPPT) + L1 IGBT 1 g + C + g + Diode1 v N B + E Vdc A + - - C Nghich luu Pin mat troi Initial Duty Cycle Với thông số: C3 = 100 μF, 0.51 = C2 = 12000 μF ; L1 = 5 mH, R1 = 0,005 Ω C 1 D V_PV V_PV 2 I_PV Delta_D 17 D D Pulses Phat xung dieu khien 3 on/of f Enable MPPT 1 Pulses Saturation I_PV Mô tả bộ điều khiển DC-DC (MPPT) Bộ này có nhiệm vụ nhận tín hiệu dòng áp từ dàn Pin mặt trời rồi qua xử lý ở hệ thống lấy MPPT để phát ra xung điều khiển tới chân điều khiển G của IGBT1 D o thi dien ap ra bo B oos t Converter UraD C ref 600 UraD C 500 UraD C 400 300 200 100 Vậy điện áp đầu vào bộ nghịch lưu DC/AC là 500V một chiều 0 0 0.5 1 1.5 t(s ) 2 2.5 3 3.3.3 Thiết kế mạch điều khiển cho bộ nghịch lưu áp ba pha DC/AC (Voltage Source Inverter - VSI) Để điều khiển cho bộ nghịch lưu DC/AC có hai cách điều khiển chính là điều khiển dòng và điều khiển áp Nhưng phương pháp điều khiển dòng là cách phổ biến nhất để điều khiển nối lưới Điều khiển dòng điện có thuận lợi là kém nhạy với điện áp dịch pha và biến dạng điện áp lưới, do đó dòng sóng hài được giảm tới mức nhỏ nhất Trong khi đó điện áp điều khiển là kết quả của sự tăng quá mức điện áp nghịch lưu và dòng sóng hài lớn có thể xuất hiện nếu điện áp lưới bị méo hay biến dạng Nếu hệ thống điện mặt trời làm việc ở chế độ độc lập với lưới thì điện áp điều khiển có thể chọn một cách tự nhiên Nhưng khi hệ thống làm việc ở chế độ nối lưới thì điều khiển dòng là cách thức điều khiển ưu thế nhất Bởi vậy chỉ phương pháp điều khiển dòng mới được đi sâu tìm hiểu trong phạm vi đề tài Hệ thống điều khiển nghịch lưu sử dụng hai mạch vòng điều khiển Thứ nhất là mạch vòng điều khiển phía ngoài để điều chỉnh ổn định điện áp mạch DC link ở mức điện áp 250V Thứ hai là mạch vòng điều khiển bên trong để điều khiển dòng điện phản hồi từ lưới Id và Iq Dòng điện Id ref là đầu ra của bộ điều khiển điện áp một chiều phía ngoài Để duy trì hệ số công suất Vabc_prim Tin hieu dong bo hệ thống lấy tham chiếu Iq ref = 0 Pulses Vabc_B1 Iabc_prim Iabc_B1 Vab_VSC1 Điện áp Ud và Uq thu được ở đầu ra bộ điều khiển dòng Hai Vdc áp này được tính toán để đưa ra điện Vdc_mes tín hiệu điện áp đặt Uref_abc hợp lý cho bộ phát xung điều khiển sử dụng phương pháp điều chế SVM ở bộ Dieu khien nghich luu nghịch lưu DC/AC + v - + Vab_VSC g + v N + Vdc + - - 18 A A a B B b C C Nghich luu c L Sơ đồ mô tả điều khiển bộ nghịch lưu DC/AC Mạch điều khiển toàn hệ thống Discrete, T s = 1e-06 s Vabc_prim T in hieu dong bo Vab_luoi2 Vab_VSC1 Vabc_B1 Vabc_luoi2 Pulses V_PV Iabc_prim Iabc_B1 V_PV I_PV I_PV Pulses Clock To Workspace1 Dieu khien nghich luu Enable Enable MPPT t Vdc Vdc_mes Vab_luoi1 Dieu khien DC-DC (MPPT) m_PV Vabc_luoi1 Boost Converter + L1 + v - Diode1 Vab_VSC Luoi dien IGBT1 Vdc v g A A a A a A a a B + - B b B b B b C C c C c C c - Nghich luu B3 L B2 Pin mat troi A a b B B b c C C c 100 kVA 260V / 25 kV B1 A B C Irradiance (W/m^2) A N + E Ir + C + g + Irradiance (W/m2) Udc Boost V 10 kvar Udc Inverter P (kW) P_B1_kW Pmean Vdc Pmean (kW) V Ir Va (V) Ia_B1 Ia (A) Vm P (kW) D P (kW) Va_B1 P P_B1 Vdc_ref - Vdc_meas m Mod Index Duty Cy cle VSC Luoi Ir (W/m^2) Boost Vab_VSC Vab_VSC Kết quả mô phỏng 4 2.5 Dien ap dau ra cua he thong khi noi luoi x 10 2 1.5 1 uluoi(V) 0.5 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 t(s) 0.06 0.07 Điện áp đầu ra hệ thống khi nối lưới 3.4 Kết luận chương 3 19 0.08 0.09 0.1 Chương này đã tìm hiểu và đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới, bao gồm: - Điều khiển biến tần - Điều khiển bộ tăng thế DC-DC - Điều khiển duy trì điểm công suất cực đại (MPPT) - Vòng lặp khóa pha Mô phỏng các thuật toán điều khiển cho từng phần và toàn hệ thống trên Matlab; rút ra kết luận 3.5 Kết luận và kiến nghị Luận văn đã nghiên cứu và giải quyết được những nội dung sau: 1 Tìm hiểu về nguồn năng lượng mặt trời và các phương pháp khai thác, sử dụng 2 Tìm hiểu về hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời, gồm: - Hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời độc lập - Hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới Cụ thể là đưa ra sơ đồ nguyên lý hệ thống; cấu tạo, nguyên lý làm việc và sơ đồ thay thế của từng bộ phận trong hệ thống điện Chỉ ra ưu thế của hệ thống điện sử dụng năng lượng mặt trời nối lưới và đi sâu vào nghiên cứu 3 Vài nét lý thuyết về hòa đồng bộ của hệ thống điện NLMT với lưới 4 Tìm hiểu và đề xuất phương pháp điều khiển hệ thống điện mặt trời nối lưới 5 Tiến hành mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink và đã đưa ra kết quả mô phỏng Các kết quả mô phỏng thể hiện một cách trung thực, khẳng định tính đúng đắn của việc xây dựng thuật toán điều khiển 6 Cần nghiên cứu để tìm cách khắc phục sai lệch mô hình sao cho kết quả nghiên cứu giữa mô hình toán học và mô hình thực tế khác nhau không nhiều để các kết quả nghiên cứu với mô hình toán học có thể áp dụng trực tiếp cho mô hình thực tế 20 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Doãn Phước (2002) Lý thuyết điều khiển tuyến tính Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật [2] Nguyễn Phùng Quang (1998) Điều khiển tự động truyền động điện xoay chiều ba pha (tái bản lần thứ 1) Nhà xuất bản giáo dục [3] Nguyễn Phùng Quang (2004) MATLAB & SIMULINK dành cho kỹ sư điều khiển tự động Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật [4] Nguyễn Phùng Quang, Andreas Dittrich (2002) Truyền động điện thông minh Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật [5] C Cho; J Jeon; J Kim; S Kwon; K Park.; S Kim, “Active Synchronizing Control of a Microgrid” IEEE Transactions on Power Electronics, issue 99, pp., 2011 [6] N L Srinivasa Rao; G Govinda Rao; B Ragunath, “Power Flow Studies Of The Regional Grid With Inter State Tie-Line Constraints” IEEE Conference on Power Quality, pp 165-171, 2002 [7] R.D Zimmerman; C.E Murillo-Sánchez; R.J Thomas, “MATPOWER's Extensible Optimal Power Flow Architecture” IEEE Power and Energy Society General Meeting, pp 1-7, July 26-30 2009 [8] O Wasynczuk, N A Anwah Modeling and dynamic performance of a self-commutated photovoltaic inverter system IEEE Transactions on Energy Conversion, vol 4, Issue 3, pp 322-328, 1989 [9] Trần Bách, “Lưới điện và Hệ thống điện”, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2000 [10] Lã Văn Út, “Phân tích và điều khiển ổn định hệ thống điện”, Nxb Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội, 2001 [11] Nguyễn Hồng Anh, Nguyễn Minh trí, “Ứng dụng hệ mờ điều khiển SVC trên lưới điện” Tạp chí khoa học số 15 + 16 Đại học Đà Nẵng [12] Phạm Thị Hồng Anh, “Xây dựng bộ điều khiển nối lưới nguồn năng lượng mặt trời,” Luận văn thạc sỹ kỹ thuật, chuyên ngành tự động hóa; 2012 [13] Một số tài liệu trên mạng Internet www.ebooks.edu.vn www.webdien.com.vn www.thietbidien.vn www.Mathworks.com www.bk-idse.com www.dientuvietnam.net www.diendandientu.vn 21 ... lập hệ thống điện lượng mặt trời nối lưới 2.1 Hệ thống điện lượng mặt trời độc lập Hệ thống điện mặt trời độc lập hệ nguồn không nối với mạng lưới điện quốc gia hay địa phương Hệ nguồn ứng dụng. .. vào sử dụng rộng rãi vấn đề mà luận văn nghiên cứu Chương 2: Hệ thống điện lượng mặt trời Trong thực tế, hệ thống điện lượng mặt trời có hai loại phổ biến hệ thống điện lượng mặt trời độc lập hệ. .. thống điện lượng mặt trời hệ thống điện lượng mặt trời độc lập hệ thống điện lượng mặt trời nối lưới - Nghiên cứu hệ thống điện lượng mặt trời nối lưới: + Đưa sơ đồ nguyên lý điều khiển biến đổi DC/DC