MÔ PHỎNG hệ THỐNG điện mặt TRỜI một PHA kết lưới sử DỤNG bộ NGHỊCH lưu HERIC

vi Ừ VIẾT TẮC,CHỮ TIẾNG ANH  PV: Photovoltaic : Pin mặt trời  Other renewable: Năng lượng tái tạo khác  Solar thermal Heat: Năng lượng mặt trời dạng nhiệt  Solar Electricity PV and

Trang 1

v

1.4.6 Bộ nghịch lưu NPC bán kỳ……… 12

1.4.7 Bộ nghịch lưu A NPC ……… 13

1.4.8 Hai Bộ nghịch lưu mắc song song ……… 14

1.5 Cấu trúc hệ thống điện mặt trời một pha kết lưới sử dụng bộ nghịch lưu HERIC……… 14

1.5.1 Hệ thống điện mặt trời (PV)……….…… ……15

1.5.2 Bộ biến đổi DC/DC……… …………19

1.5.3 Bộ biến đổi DC/AC……… 23

1.5.4 Bộ lọc ……… ….23

1.5.6 Lưới điện ……….……….23

1.6 Mục đích của đề tài……….….23

1.7Nhiệm vụ đề tài và giới hạn của đề tài……… 24

1.7.1 Nhiệm vụ đề tài……… ………24

1.7.2 Giới hạn của đề tài……… 24

1.8 Phương pháp nghiên cứu……… 24

Chương 2: NGHIểN C U V B NGH CH L U PHA HERIC……… ………25

2.1 Cấu hình……….……25

2.2 Giải thuật điều khiển……… 26

2.2.1 Giới thiệu phương pháp dùng mạch kích trễ (Hystersis current control)……… 26

Chương 3: ĐI U KHI N H TH NG ĐI N M T TR I………29

3.1 Giải thuật MPPT……… 29

3.1.1Giải thuật P&O (Perturb and Observe)………29

3.2 Đồng bộ hóa với lưới……… ………30

3.2.1 Khối vòng khóa pha (PLL)……… 31

3.2.2 Khối bộ điều chỉnh PI (PI regulator)………32

3.3 Điều khiển P,Q………33

Chương 4:MÔ HỊNH MÔ PH NG H TH NG……… 34

4 Mô hình hệ thống trong Matlab/Simulink……… ….……… …… ….…34

4.1 Mô hình hệ thống PV trong Matlab/Simulink……… 35

4.2 Mô hình điều khiển mạch Boost trong Matlab/Simulink………… …………37

Trang 2

v

Matlab/Simulink………38

Chương 5:K T LU N VÀ H NG PHÁT TRI N C A Đ TÀI……….43

5.1 Kết luận……… 43

5.2 Hướng phát triển của đề tài………43

TÀI LI U THAM KH O………44

Trang 3

vi

Ừ VIẾT TẮC,CHỮ TIẾNG ANH

 PV: Photovoltaic : Pin mặt trời

 Other renewable: Năng lượng tái tạo khác

 Solar thermal (Heat): Năng lượng mặt trời dạng nhiệt

 Solar Electricity (PV and solar Thermal): Điện mặt trời (Pin và năng lượng nhiêt)

 Wind: Năng lượng gió

 Biomass (modern): Năng lượng sinh khối hiện đại

 Biomass: Năng lượng sinh khối

 Hydro electricity: Thủy điện

 Nuclear: Hạt nhân

 Gas: Khí đốt

 Coal:Than đá

 Oi: dầu mỏ

 IGBT: Transistor công suất

 MOSFEET: Transistor trường

 MPP: Maximum power point: Điểm làm việc tại đó công suất cực đại

 MPPT: Maximum power point tracking :Điều khiển tại vị trí thu được công suất cực đại

 Thyristor: Linh kiện bán dẫn

 PV Array: Nhiều tấm pin mặt trời ghép lại

 DC/DC: Bộ biến đối nguồn một chiều sang nguồn một chiều

 DC/AC Bộ biến đổi nguồn một chiều sang xoay chiều

 Filter: Bộ lọc

 VPV: Điện áp pin mặt trời

 VAB: Điện áp tại A,B

 Vg: Điện áp lưới

 D: Điốt

Trang 4

vi

 CPV: Tụ điện lọc nguồn pin mặt trời

 HERIC:Highly Efficient and Reliable Inverter Concept: Bộ nghịch lưu hiệu suất và tính ổn định cao

 Current: Dòng điện

 Voltage: Điện áp

 Power: Công suất

 Impp: Dòng điện tại điểm có công suất lớn nhất

 Vmpp: Điện áp tại điểm có công suất lớn nhất

 Pmpp: Công suất tại điểm có công suất lớn nhất

 Cell: Tế bào quang điện

 Module: Tấm pin mặt trời

 Array: Nhiều tấm pin mặt trời

 Hysteresis current control: Điều khiển dòng điện trễ

 Reference current: Dòng điện yêu cầu

 Actual current: Dòng điện thực tế

 P&O: Perturb and observe :Quan sát và biến đổi để đạt điểm cực đại

 PI:Proportional Intergral: Đạo hàm và tích phân

Trang 5

vii

Hình 1.1: Dự đoán các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21

(Trích nguồn: Renewable 2010 global status report )……… ………1

Hình 1.2: Cấu trúc dạng mô đun……….………2

Hình 1.3: Cấu trúc dạng chuỗi………3

Hình 1.4: Cấu trúc dạng nhiều chuỗi……….4

Hình 1.5: Cấu trúc dạng trung tâm……….……… 5

Hình 1.6: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC và máy biến áp cách ly 5

Hình 1.7: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/DC ,DC/AC…….………… 6

Hình 1.8: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC……… …… 6

Hình 1.9: Cấu hình bộ nghịch lưu cầu Bibolar……… ……….8

Hình 1.10: Cấu hình bộ nghịch lưu cầu Unibolar……… 8

Hình 1.11: Cấu hình bộ nghịch lưu H5……… ………9

Hình 1.12: Cấu hình bộ nghịch lưu H6………10

Hình 1.13: Cấu hình bộ nghịch lưu HERIC……….……….…11

Hình 1.14: Cấu hình bộ nghịch lưu NPC bán kỳ……… 12

Hình 1.15: Cấu hình bộ nghịch lưu A NPC ……….13

Hình 1.16: Cấu hình hai bộ nghịch lưu mắc song song……… 14

Hình 1.17: Cấu trúc của hệ thống điện mặt trời 1 pha kết nối vào lưới điện……… 15

Hình 1.18: Mạch điện tương đương của tế bào quang điện……….15

Hình 1.19: Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời……….……17

Hình 1.20: Mô hình hệ thống pin mặt trời………17

Hình 1.21: Mô hình hệ thống pin mặt trời ghép nối tiếp……….………18

Hình 1.22: Mô hình hệ thống pin mặt trời ghép song song……… 18

Hình 1.23: Mô hình hệ thống pin mặt trời ghép hỗn hợp………19

Hình 1.24: Sơ đồ nguyên lý mạch boost……… 20

Hình 1.25: Mạch điện khi đóng khóa S………20

Hình 1.26: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi khóa S đóng…… 21

Hình 1.27: Mạch điện khi mở khóa S……… 22

Trang 6

vii

Hình 2.1: Cấu hình bộ nghịch lưu HERIC……… 25

Hình 2.2Sơ đồ nguyên lý mạch kích trễ……… 26

Hình 2.3Giản đồ xung mạch kích trễ……….……… 27

Hình 3.1: Lưu đồ giải thuật P&O……….30

Hình 3.2: Cấu trúc cơ bản của khối PLL…… ………31

Hình 3.3: Sơ đồ khối cơ bản của PLL……… ………31

Hình 3.4: Sơ đồ của khối PLL trong Matlap-Simulink………31

Hình 3.5: Sơ đồ của khối PI trong Matlap-Simulink………32

Hình 3.6: Sơ đồ tương đương nguồn điện sau bộ nghịch lưu kết nối lưới………… 33

Hình 4.1: Mô hình hệ thống điện mặt trời một pha kết nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu HERIC trong matlab simulink……… 34

Hình 4.2 : Mô hình nguồn điện mặt trời trong matlab simulink………… …………35

Hình 4.3: Đặc tính I-V và P-V với G =1 KW/m2 , T = 250C; 500C; 750C………… 36

Hình 4.4: Đặc tính I-V và P-V với T=25 0 C, G = 0.6 KW/m2 ; 0.8 KW/m2 ; 1 KW/m2……….37

Hình 4.5 : Mô hình điều khiển mạch boost trong matlab simulink……….37

Hình 4.6 : Mô hình điều khiển bộ nghịch lưu HERIC kết nối lưới trong matlab simulink………38

Hình 4.7:Giá trị công suất đặt 1610 ,G =1 KW/m2, T = 250C; ………38

Hình 4.8: Giá trị công suất bơm lên lưới 1562 W,G =1 KW/m2, T = 250C; … 39

Hình 4.9: Giá trị dòng điện 7.1A, G =1 KW/m2, T = 250C;………39

Hình 4.10: Giá trị điện áp 220V,G =1 KW/m2 , T = 250C;……… 40

Hình 4.11 Đồ thị phân tích sóng hài dòng điện G =1 KW/m2 , T = 250C;………40

Hình 4.12: Giá trị công suất đặt 1360W ,G =0.8 KW/m2 , T = 250C; ………41

Hình 4.13: Giá trị công suất đặt 1320W ,G =0.8 KW/m2, T = 250C;………41

Hình 4.14: Giá trị dòng điện 6A, G =0.8 KW/m2, T = 250C;……… 42

Hình 4.15: Giá trị điện áp 220V , G =0.8 KW/m2, T = 250C;……….42

Trang 7

viii

ẢNG

Bảng 2.1 Bảng trạng thái của các khóa công suất của bộ nghịch lưu HERIC………25 Bảng 4.1: Thông số của tấm pin SPM 080P……… 35 Bảng 4.3: Thông số của hệ thống………36

Trang 8

HVTH : Nguyễn Quý Thu MSHV: 128520202056

1

Ch ơng 1 TÌM HI U C U TRÚC H TH NG CHUY N Đ I

ĐI N M T TR I 1 PHA 1.1 T ng quan chung v lĩnh vực nghiên c u:

1.1.1 Năng l ng m t tr i là ngu n năng l ng c a t ơng lai

Với nhu cầu tiêu thụ điện năng trên thế giới ngày càng tăng cao, bên cạnh

các nguồn năng lượng điện truyền thống như thủy điện,nhiệt điện, điện hạt

nhân con người đư tìm ra và sử dụng các nguồn năng lượng điện mới như :

địa nhiệt, gió, sinh khối, thủy triều, pin nhiên liệu, năng lượng mặt trời (PV

photo voltalic)…

Hình 1.1: Dự đoán các nguồn năng lượng sử dụng trong thế kỷ 21 (Trích

nguồn: Renewable 2010 global status report )

Năng lượng mặt trời PV sử dụng ánh sáng mặt trời chuyển đổi thành điện

năng là nguồn năng lượng của tương lai do nó là nguồn năng lượng vô tận vì

ánh sáng mặt trời có sẳn trong tự nhiên trong khi các nguồn năng lượng hóa

thạch khác có thể bị cạn kiệt.Việc sử dụng nguồn năng lượng này có ưu điểm

Trang 9

2

là giảm chi phí bảo trì bảo dưỡng hàng năm của hệ thống,không gây tiếng ồn

và thân thiện với môi trường

Trên thế giới trong nh ng năm gần đây nguồn năng lượng PV được phát triển

và sử dụng rộng rưi do chính sách trợ giá của chính phủ các nước và sự ra đời

của các bộ nghịch lưu hiệu suất cao giúp kết nối hệ thống điện mặt trời và lưới

điện quốc gia một cách dễ dàng và nhanh chóng

1.2 C u trúck t n i các t m pin m t tr i

Các tấm pin năng lượng mặt trời được kết nối với nhau theo các dạng sau:

1.2.1 D ng mô đun:

Công suất nhỏ 50-400 walt Kết nối với lưới một pha u điểm: Không

có tổn thất trong các môđun.Hiệu suất cao.Đơn giản hóa trong việc thay đổi cấu trúc của hệ thống do các mô đun tháo rời và kết nối nhanh chóng

dễ dàng.Sản suất hàng loạt.Nhược điểm:Chi phí lắp đặt cao Hiệu suất trên tổng các mô đun thấp

Hình 1.2: Cấu trúc dạng mô đun 1.2.2 D ng chu i:

Công suất 0.4 đến 2 Kw Kết nối với lưới một pha Linh kiện công suất cho bộ nghịch lưu là IGBT hay MOSFET.Có ưu điểm: Không

tổn thất trong các điốt chuỗiMPPT riêng cho từng chuỗi.Năng suất tốt hơn do MPPT riêng.Chất lượng điện năng tốt hơn.Giá thấp hơn có thể sản xuất hàng loạt

Trang 10

3

Hình 1.3: Cấu trúc dạng chuỗi 1.2.3 D ng nhi u chu i:

Công suất 1.5 đến 6 Kw Kết nối với lưới một hoặc ba pha.Có ưu điểm

của hai dạng mô đun và dạng chuỗi

Trang 11

Trang 12

5

Hình 1.5: Cấu trúc dạng trung tâm

1.3 Các mô hình k t n i l i trong h th ng đi n m t tr i m t pha

1.3.1 Mô hình k t n i l i sử d ng b bi n đ i DC/AC và máy bi n áp cách

ly

Hình 1.6: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC và máy biến

áp cách ly Trong mô hình này điện áp từ pin mặt trời được biến đổi thành điện áp xoay chiều sau đó đưa qua máy biến áp để hòa vào lưới điện

u điểm:

-Dễ thực hiện

Trang 13

6

-Cách ly lưới điện Nhược điểm:

-Tổn hao trên máy biến áp lớn -Mô hình to,cồng kềnh

1.3.2 Mô hình k t n i l i sử d ng b bi n đ i DC/DC và DC/AC

Hình 1.7: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/DC ,DC/AC Trong mô hình này điện áp từ pin mặt trời được đưa qua bộ biến đổi DC/DCsau đó đưa qua bộ biến đổi DC/AC thành điện áp xoay chiều hòa vào lưới điện

u điểm:

-Hiệu suất cao khoảng (95%-98%)

-Thích hợp với mô hình pin năng lượng mặt trời công suất nhỏ

Nhược điểm:

-Khó thiết kế bộ chuyển đổi DC/DC

-Cần nhiều khóa đóng cắt dẫn đến tổn hao khóa đóng cắt

1.3.3 Mô hình k t n i l i sử d ng b bi n đ i DC/AC

Hình 1.8: Mô hình kết nối lưới sử dụng bộ biến đổi DC/AC

Trang 14

7

Trong mô hình này điện áp từ pin mặt trời được đưa qua bộ biến đổi DC/AC thành điện áp xoay chiều hòa vào lưới điện

u điểm:

-Hiệu suất cao

-Thích hợp với mô hình pin nâng lượng mặt trời công suất lớn

-Dễ thực hiện Nhược điểm:

-Tính ổn định không cao,do năng lượng lấy trực tiếp từ pin mặt trời ra nên điện áp không ổn định

-Không cách ly gi a lưới điện và pin mặt trời

-Yêu cầu điện áp đầu ra của pin mặt trời phải lớn hơn điện áp lưới

1.4 Các b ngh ch l u th ng sử d ng trong h th ng đi n m t tr i m t pha

k t n i l i

Trên thế giới và trong nước có nhiều công trình nghiên cứu về các bộ nghịch lưu sử dụng trong hệ thống điện mặt trời một pha kết nối lưới đư được công bố như: Hệ thống PV kết nối lưới điện một pha không sử dụng máy biến áp [1].Thiết kế bộ chuyển đổi năng lượng mặt trời hòa đồng bộ vào lưới điện quốc gia [2].High efficiency transformerless PV power converters [3].Analysis and ModelingofTransformerless Photovoltaic Inverter Systems [4]… Các nghiên cứu này đư chỉ ra ưu nhược điểm của các bộ nghịch lưu khi kết nối lưới.Điều khiển công suất tác dụng,công suất phản kháng và dòng điện bơm vào lưới

Trang 15

-Hiệu suất không cao

-Sinh ra sóng hài bậc cao

1.4.2 B ngh ch l u cầu Unibolar

Hình 1.10: Cấu hình bộ nghịch lưu cầu Unibolar

Trang 16

9

u điểm:

-Hiệu suất cao hơn nghịch lưu bibolar

-Giảm sóng hài bậc cao Nhược điểm:

Trang 17

10

1.4.4 B ngh ch l u H6

Hình 1.12: Cấu hình bộ nghịch lưu H6

u điểm:

-Điện áp common-mode là hằng số ,không có dòng rò

-Hiệu suất cao Nhược điểm:

-Số lượng khóa công suất nhiều

Trang 18

-Số lượng linh kiện bán dẫn nhiều

Trang 19

-Tổn thất trên các khóa công suất không phân bố đều

Trang 20

Trang 21

u đi m: so với 1 bộ nghịch lưu

-Tổn thất trên linh kiện bán dẫn giảm 1/2

Hệ thống điện mặt trời 1 pha kết nối lưới sử dụng bộ nghịch lưu HERIC trên thế giới đư sử dụng và thương mại hóa,ở Việt Nam là điều mới mẻ

Trang 22

1.5.1 H th ng đi n m t tr i (PV)

- Mô hình c a t bào quang đi n

Hình 1.18: Mạch điện tương đương của tế bào quang điện

Trong đó:

I: dòng điện phát ra tức thời của tế bào quang điện

Iph : dòng quang điện tức thời

Trang 23

16

Id : dòng điện qua diode

Ip: dòng điện qua điện trở Rp

Iph = Iph_ref S

Sref [1−∝ T − Tref ] (1-2)

Iph_ref : dòng điện kiểm tra ở điều kiện chuẩn

Điều kiện chuẩn ứng với Sref = 1000w/m2,Tref = 250C

T : nhiệt độ tức thời của tế bào quang điện

S : bức xạ mặt trời

∝ : hệ số nhiệt độ - dòng điện

Trong đó:

Id: dòng điện qua diode

I0: dòng bảo hòa của diode

q : điện tích electron (q= 1,602x10-19

C)

k : hằng số Boltzman (k = 1.381x10-23

J/K) n: hệ số của diode (n=1-2)

Rs: điện trở nối tiếp

I0 = I0 Tref (T/Tref)3/n eqVg /nk ( 1

T−T1ref

)

(1-4) Trong đó :

I0(Tref) : dòng bảo hòa của diode ở nhiệt độ TRef

Vg : điện áp bandgrad của vật liệu (Vg = 1.12 ứng với vật liệu Silicon)

I0 Tref = ISC (Tref )/(eqVoc (Tref)/nkTref- 1) (1-5) Trong đó :

Trang 24

17

- C u t o t m pin m t tr i

Các tế bào quang điện thường được ghép nối tiếp hoặc song song lại với

nhauđể tạo thành tấm pin mặt trời.Thông sốcông suất,điện áp,dòng điện của

tấm pin này phụ thuộc vào các nhà sản xuất

Hình 1.19: Đặc tính I-V, P-V của pin mặt trời

Đặc tuyến của pin mặt trời không tuyến tính phụ vào nhiệt độ vận hành của pin

và bức xạ môi trường.Khi bức xạ mặt trời tăng,dòng ngắn mạch và công suất

tăng theo,điện áp hở mạch cũng tăng

Khi nhiệt độ vận hành của pin mặt trời tăng cao,dòng ngắn mạch tăng không

đáng kể, điện áp hở mạch giảm công suất của tấm pin giảm

Hệ thống Pin mặt trời gồm nhiều tấm pin ghép nối tiếp và song song lại với

nhau

Hình 1.20: Mô hình hệ thống pin mặt trời Cần điện áp lớn ghép nối tiếp các tấm pin

Trang 25

Trang 26

B Boost :Nguyên tắc điều khiển điện áp ra của bộ Boostbằng cách điều khiển

tần số đóng cắt khóa công suất.Để điều khiển tần số đóng cắt khóa công suất tối ưu ta cần kết hợp thuật toán xác định điểm làm việc có công suất lớn nhất (MPPT) của tấm Pin mặt trời (PV).Được trình bày ở các chương sau

Bộ biến đổi này phù hợp với các ứng dụng có điện áp yêu cầu lớn hơn điện

áp đầu vào.Nguyên lý hoạt động của bộ Boost dựa vào đặc tính lưu tr và tích phóng năng lượng của cuộn dây

Trang 27

20

Hình 1.24: Sơ đồ nguyên lý mạch boost

Khi khóa S đóng cho dòng qua (TON ), dòng điện từ nguồn chạy qua cuộn dây, năng lượng từ trường được tích lũy trong cuộn dây Không có dòng điện chạy qua điốt D và dòng tải được cung cấp bởi tụ điện C

Hình 1.25: Mạch điện khi đóng khóa S

Trang 28

L (1-11)

Trang 29

22

Hình 1.27: Mạch điện khi mở khóa S

Hình 1.28: Dạng sóng điện áp và dòng điện trên cuộn dây L khi khóa S mở Khi khóa S mở (TOFF ), dòng điện cảm ứng chạy vào tải qua điốt cũng như nạp lại cho tụ điện C

VL = Vd - V 0 = LdiL

dt(1-12) Suy ra:

Định dạng
Số trang	58
Dung lượng	2,36 MB