Báo cáo khoa học phương pháp mới hòa nguồn năng lượng mặt trời vào lưới điện phân phối

PHƯƠNG PHÁP MỚI HÒA NGUỒN NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI VÀO LƯỚI ĐIỆN PHÂN PHỐI Trương Việt Anh – Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TpHCM Nguyễn Bá Thuận – Đại Học Lạc Hồng Tóm tắt Bài báo trình bày mô hình kết nối nguồn lượng mặt trời, nguồn lượng phân tán khác hộ gia đình, hòa đồng vào lưới điện phân phối Việc hòa dùng phương pháp điều khiển bám sát tần số, điện áp nguồn lưới nguồn lượng mặt trời Kết khảo sát mô hình phương pháp cho thấy: Khả ổn định dòng điện bơm vào lưới bất chấp thay đổi điện áp tần số lưới điện điện áp nguồn chiều hệ thống inverter bị suy giảm hay tăng cao Ngoài mô hình có khả giảm thiểu lượng công suất kháng truyền vào lưới để tận dụng tối đa khả khoá điện tử inverter việc truyền dòng công suất tác dụng Abstract This paper presents a solar power source coupling model, as well as other distributed power resoures at households which are synchronized with distributive electrical grid This synchronization uses frequency tracking control method, electrical grid voltage as well as solar power source Investigation result of the method on the model recognizes that current stability capacity injects electrical grid to disregard voltage and frequency changes or direct source voltage of inverter system is reduced or increased Besides, the model is capable of reducing creative power transmitting into electrical in order to take advantage of capacity of electronic interlocking of the inverter when transmitting active power I GIỚI THIỆU Các nguồn lượng lớn chủ yếu có nguồn gốc hóa thạch gây ô nhiễm môi trường, cạn kiệt dần làm cho trái đất ấm dần lên Việc tìm nguồn lượng sạch, vô tận ưu tiên hàng đầu Năng lượng mặt trời, lượng gió đáp ứng yêu cầu này, có công suất không lớn phân tán, để tận dụng có hiệu quả, cần phải kết nối nguồn lượng thông qua hệ thống lưới điện phân phối có sẵn nghịch lưu có khả kết nối với điện xoay chiều Đã có nhiều nghiên cứu lĩnh vực [1 4], mục tiêu chủ yếu tập trung điều khiển dòng công suất tác dụng P công suất phản kháng Q với điều kiện ràng buộc tần số, điện áp lưới không thay đổi hay điện áp DC nghịch lưu không thay đổi, nhiên, thực tế, giá trị thay đổi đáng kể Bài báo tập trung xây dựng giải thuật điều khiển nghịch lưu kết nối lưới AC có khả tự động ổn định dòng điện bơm vào lưới với hệ số công suất mức cao điện áp, tần số lưới điện áp DC đặt vào nghịch lưu thay đổi II PHƯƠNG PHÁP TIẾP CẬN Sơ đồ kết nối nguồn lượng mặt trời vào lưới điện phân phối hạ sơ đồ tương đương biểu diễn hình Công suất truyền qua cuộn kháng L bơm vào lưới mô tả biểu thức: EU P sin  (1) Xs Q EU U2 cos   Xs Xs (2) Trong đó:  góc lệch E (điện áp đầu Inverter) U (điện áp lưới) Page of S1 + S3 T L E P  Q2 P E S    sin  U U U Xs U U (3), (4)  I  sin   tg Xs cos  Xs I U IU Vdc Load PV array S2 S4 Hình 1: sơ đồ kết nối nguồn NLMT với lưới LT E L U IU IE IL Load Inverter Grid Hình 2: sơ đồ kết nối tương đương Từ biểu thức (1) (2) dễ dàng nhận thấy, việc điều khiển công suất P phụ thuộc nhiều vào góc lệch  điều khiển Q cách thay đổi điện áp E Để tận dụng tối đa khả mang tải khoá điện tử, biến áp xung, cuộn kháng L, nghịch lưu phải làm việc chế độ : - Giữ công suất phản kháng Q truyền vào lưới gần hay hệ số công suất PF = - Giữ dòng điện bơm vào lưới không đổi điện áp Vdc, điện áp lưới, tần số lưới thay đổi Xác định điện áp E để hệ số công suất cao Nếu bỏ qua loại tổn thất công suất máy biến áp nâng áp, từ biểu thức (2) để hệ số công suất PF đạt mức cao hay công suất phản kháng bơm vào lưới Q = thì: Ecos = U hay E(t)cos = U(t) (3) Để E(t)cos = U(t), tín hiệu sóng sin lưới điện hồi tiếp làm sóng sin điều khiển Điều cho phép E bám sát theo U lưới tỷ lệ không đổi cos Khi đó, dòng điện Inverter IU bơm vào lưới điều chỉnh tăng hay giảm Vdc thay đổi tần số lưới biến động PF mức cao Xác định góc lệch  để I = const Từ biểu thức (1) (3), Q = 0, dòng điện I tính theo biểu thức (4) (4) (5) Nhận xét: Theo biểu thức (3) (5) cho thấy:  Điện áp đầu cuộn kháng phải trì điều kiện E(t)cos = U(t) để đảm bảo cho điều kiện Q=0 hay hệ số công suất PF mức cao  Để dòng điện I = const, U tăng k lần, tg phải giảm k lần ngược lại  Khi tần số thay đổi điện áp không đổi, giữ nguyên góc lệch  I = const Điều khiển góc lệch  theo yêu cầu Để điều khiển dòng điện bơm vào lưới theo (5) dùng tín hiệu sóng sin điện áp lưới làm sóng điều khiển nêu II.1, cần phải làm trễ tín hiệu sóng sin khoảng thời gian t tính theo (6) .T   360o    (6) t T  T    o  o 360o  360  360 f Việc làm trễ tín hiệu sóng sin khoảng thời gian t (6) mà không làm biến dạng sóng vấn đề khó khăn, vậy, tín hiệu sóng sin đưa vào điều chế để thành xung vuông, sau xung vuông làm trễ thời gian t (hình 5), cách mạch điện điều khiển trở nên đơn giản Inverter làm việc ổn định Vdc thay đổi Các thông số điện áp ngõ inverter E hay góc lệch  điều chỉnh có thay đổi lưới điện để đảm bảo điều kiện I=const Q=0 Tuy nhiên, Vdc pin mặt trời thay đổi, việc thay đổi thông số không phù hợp Phương pháp điều khiển nghịch lưu SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) [5] dùng tạo sóng sin làm sóng điều khiển trộn với sóng mang tam giác tần số cao, cho độ rộng xung thay đổi để điều khiển thời gian đóng ngắt Page of khóa nghịch lưu Công thức tính sau (7) E  ma K1Vdc Trong đó: E : điện áp ngõ inverter đặt vào cuộn kháng L Vdc: điện áp DC nghịch lưu K1 : tỷ số máy biến áp động lực nâng áp ma : số điều chế ma  Vs Vt (8) Với Vs điện áp đỉnh sóng sin điều khiển Vt điện áp đỉnh sóng mang tam giác Do lấy tín hiệu điện áp lưới U(t) làm sóng điều khiển nên Vs(t) = K2U(t), với K2: tỷ số máy biến áp lấy tín hiệu hồi tiếp Nên biểu thức (7) viết lại sau: K U(t) K1Vdc Vt Vt  Vdc cos  (3) (9)  E(t)  lưới nguồn lượng mặt trời, U tần số lưới thay đổi Hình 4: sơ đồ kết nối MatLab Sơ đồ kết nối hình quan trọng điều khiển xung kích cho nghịch lưu Hình diễn giải điều khiển xung kích (9) (10) Trong K2 chọn để K1K2 = Vậy trì (10), E(t) có giá trị biên độ đỉnh không đổi bất chấp nguồn Vdc thay đổi Sơ đồ khối điều khiển Sơ đồ điều khiển kết nối diễn giải hình Hình 3: sơ đồ nguyên lý kết nối điều khiển Sơ đồ mô MatLab Sử dụng MatLab công cụ mô phương pháp hòa đồng nguồn lượng mặt trời khảo sát chế độ làm việc Inverter như: dòng điện bơm vào Hình 5: sơ đồ xung kích Tín hiệu Vdc đưa vào điều khiển để điều chỉnh giá trị đỉnh xung tam giác Vt theo biểu thức (10) Tín hiệu sóng sin lấy từ biến áp hồi tiếp lưới điện dùng làm sóng điều khiển để đảm bảo biểu thức (3) nên điện áp đầu E(t) bám sát U đảm bảo tần f lưới điện Các trễ nhằm điều khiển góc lệch  theo biểu thức (6) cho dòng điện I inverter bơm vào lưới không đổi theo biểu thức (5) III KẾT QUẢ MÔ PHỎNG Mô hình inverter hoà lưới điện có công suất 7000VA, hoà vào lưới điện pha 220V cho hộ gia đình, mô hình mô MatLab Tiến hành khảo sát nội dung sau: Khảo sát quan hệ PF dòng inverter IU Thay đổi góc lệch  để điều khiển dòng điện inverter IU bơm vào lưới, xác định giá trị hệ số công suất PF cách kiểm tra tỷ số dòng công suất tác dụng P Q Page of inverter bơm vào lưới Kết khảo sát trình bày bảng  Độ trễ Cos IU(A) P(W) Q(Var) PF 10 0.019944 0.9998 1.41 200 10 0.998 30 0.019833 0.9986 2.96 650 -20 0.999 dòng điện không thay đổi đáng kể Tuy nhiên, mức giao động dòng điện độ góc lệch  lớn (IU lớn) 150 0.019167 0.9659 8.48 1950 -270 0.990 300 0.018333 0.8660 18.38 4200 -750 0.984 Hình 7:  =30o , IU=18.38 Vdc, Ulưới thay đổi 450 0.0175 0.7071 31.11 7065 -1460 0.979 Bảng 1: Khảo sát IU PF inverter Kết bảng cho thấy dòng tăng từ 1.41A đến 31.11 A (giá trị hiệu dụng), hệ số công suất PF  1, thể qua giá trị công suất phảng kháng Q inverter nhỏ so với công suất tác dụng P Điều cho thấy việc hệ số công suất PF phụ thuộc vào góc lệch  E U kết luận [2] mà phụ thuộc vào độ lớn vector theo biểu thức (3) Khảo sát ổn định dòng IU theo Vdc Ulưới Khảo sát tính ổn định dòng IU bơm vào lưới điện áp Vdc thay đổi hay điện áp U lưới thay đổi thực thí nghiệm mô với góc lệch  15o, 30o 45o tương ứng với dòng điện IU 8.48A, 18.38A, 31.1A Các thí nghiệm có thời điểm hoà lưới lúc 0,03s, lúc điện áp Vdc =48V, Ulưới=220V, thời điểm 0.2s giá trị điện áp pin mặt trời bị giảm Vdc=40V, điện áp lưới không đổi thời điểm 0.4s, giá trị điện áp nguồn tăng Ulưới=260V Kết mô biểu diễn hình 6( =15o), hình 7(=30o) hình 8(=45o) Hình 8:  =45o, IU=31.1 Vdc, Ulưới thay đổi Khảo sát ổn định dòng IU theo tần số lưới Để khảo sát tính ổn định dòng IU bơm vào lưới tần số lưới thay đổi, tiến hành thí nghiệm mô với góc lệch  15o, 30o 45o ứng với dòng điện IU 8.48A, 18.38A, 31.1A Cũng tương tư khảo sát mục III.2, thí nghiệm có thời điểm hoà lưới lúc 0,03s, lúc điện áp Vdc =48V, Ulưới=220V, tần số lưới f=50Hz, thời điểm 0.2s tần số lưới giảm đột ngột f=48Hz, Vdc=48V, Ulưới=220V Kết biểu diễn hình 9(=15o), hình 10(=30o) hình 11(=45o) Các kết mô cho thấy thời gian độ 0.2s từ thời điểm 0.2s đến 0.4s, sau giá trị dòng điện trở lại bình thường, dòng điện IU thời kỳ độ bị biến động mạnh so với giá trị ổn định Inverter làm việc với góc lệch  bé Nhận xét Hình 6:  =15o, IU=8.48 Vdc Ulưới thay đổi - Qua khảo sát trình bày, dòng điện IU bơm vào lưới từ 1.4A đến 31.1A, giá trị hệ số công suất ổn định mức PF > 0.97, tốt hẳn kết [2] Điều cho thấy tính hiệu giải thuật đề nghị Trong suốt thời gian từ 0.03s đến 0.6s, dòng hiệu dụng IU Inverter bơm vào lưới không đổi thời gian độ diễn nhanh chóng diễn chu kỳ biên độ - Giá trị dòng điện IU có mức ổn định lớn điện áp Vdc Ulưới thay đổi 20% quanh giá trị làm việc bình thường Quá trình tự động điều khiển ổn định diễn Page of nhanh chóng (1 chu kỳ) biên độ giao động dòng IU không đáng kể công suất bơm vào lưới lớn Điều tốt cách điều khiển trình bày [1] - Khi tần số giao động mức 50Hz xuống 48Hz thời gian ổn định dòng IU diễn chậm (0,2s) với mức giao động lớn Đây điều cần phải hiệu chỉnh giải thuật điều khiển nghiên cứu sau Hình 9:  =15o , IU=8.48 tần số f thay đổi Hình 10:  =30o, IU=18.38A tần số f thay đổi H 11:  =45o, IU=31.1A tần số f thay đổi IV KẾT LUẬN Bằng kỹ thuật hồi tiếp sóng sin điện áp lưới U làm sóng điều khiển nghịch lưu thay đổi điện áp xung tam giác theo giá trị điện áp chiều Pin mặt trời giải được: - Ổn định dòng điện IU Inverter bơm vào lưới có thay đổi điện áp lưới tần số lưới Giải thuật mang tính khả thi trễ (điều khiển góc lệch) tác động lên xung vuông mà không trực tiếp làm trễ sóng sin hồi tiếp - Nâng cao hệ số công suất (PF  1) để tận dụng tối đa khả mang tải khóa điện tử việc truyền công suất tác dụng vào lưới Tuy nhiên, nghiên cứu cần giải dòng điện IU tăng cao trình độ tần số thay đổi Tài liệu tham khảo [1] Tran Cong Binh, Mai Tuan Dat, Ngo Manh Dung, Phan Quang An, Pham Dinh Truc and Nguyen Huu Phuc “Active and Reactive power controller for single-phase Grid-connected photovoltaic syntems” Department of ElectricalElectronics Engineering- HoChiMinh City University of Technology.Vietnam National University in HoChiMinh, Vietnam [2] L Hassaine, E Olias, J Quintero, M Haddadi “Digital power factor control and reactive power regulation for grid-connected photovoltaic inverter” power electronics systems group, universidad carlos III de madrid, avda, de la universidad 30, 28911 leganés, Madrid, Spain [3] Hassaine, L.; Olias, E.; Quintero, J.; Barrado, A., “Digital control based on the shifting phase for grid connected photovoltaic inverter”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2008 APEC 2008 Twenty-Third Annual IEEE, pp.945-951, Feb 2008 [4] Byunggyu Yu; Youngseok Jung; Junghun So; Hyemi Hwang; Gwonjong Yu, “A Robust Anti-islanding Method for GridConnected Photovoltaic Inverter”, Photovoltaic Energy Conversion, the 2006 IEEE 4th World Conference, vol 2, pp.2242-2245, May 2006 [5] Nguyễn Văn Nhờ, "Điện Tử Công Suất 1", Nhà xuất đại học quốc gia Tp Hồ Chí Minh, 2005 [6] Babak FARHANGI, student member IEEE, Shahrokh FARHANGI member IEEE “Application of Z-source converter in photovoltaic grid-connected transformer-less inverter” School of ECE, Tehran, Iran [7] Ayman A Hamad, Mohammad A Alsaad “A software application for energy flow simulation of a grid connected photovoltaic system” University of Jordan, Amman, 11942, Jordan Địa liên hệ: Nguyễn Bá Thuận – Tel: 0907.401.009, Khoa Cơ Điện, Trường Đại Học Lạc Hồng – Biên Hòa - Đồng Nai Email: thuanlhu@yahoo.com.vn Page of ... sin điện áp lưới U làm sóng điều khiển nghịch lưu thay đổi điện áp xung tam giác theo giá trị điện áp chiều Pin mặt trời giải được: - Ổn định dòng điện IU Inverter bơm vào lưới có thay đổi điện. .. Vdc =48V, Ulưới=220V, thời điểm 0.2s giá trị điện áp pin mặt trời bị giảm Vdc=40V, điện áp lưới không đổi thời điểm 0.4s, giá trị điện áp nguồn tăng Ulưới=260V Kết mô biểu diễn hình 6( =15o),... truyền vào lưới gần hay hệ số công suất PF = - Giữ dòng điện bơm vào lưới không đổi điện áp Vdc, điện áp lưới, tần số lưới thay đổi Xác định điện áp E để hệ số công suất cao Nếu bỏ qua loại tổn